CN113352943A - 基于自循环气液相变冷板的电动汽车热管理系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于自循环气液相变冷板的电动汽车热管理系统及方法，顶盖、第一换热器、电池箱隔断及电池箱底板自上到下依次布置，第一换热器的上部换热面与顶盖之间形成顶部换热腔；电池箱隔断为方波状结构，电池箱隔断的顶部与第一换热器的下部换热面之间形成工质腔，工质腔内部填充有气液相变工质，电池箱隔断的底部与电池箱底板之间形成若干电池腔，该系统及方法具有结构简单、成本低，并能够满足高效均匀的温控需求。

Description

基于自循环气液相变冷板的电动汽车热管理系统及方法
技术领域
本发明属于汽车技术领域，涉及一种基于自循环气液相变冷板的电动汽车热管理系统及方法。
背景技术
电动汽车的热管理系统要在耗功尽量少的情况下使电池组温度均匀地维持在合理水平，同时还要给乘员舱提供适宜的温度。现有的空冷和液冷热管理系统依赖工质显热换热，制冷时辅助以空调系统，制热时主要依赖效率较低的PTC加热，无论在均温型还是能效上都难以满足未来需求。为了解决这些问题，一些新的原理和方法正逐步得到推广应用：在电池组温度控制方面，利用气液相变工质沸腾和冷凝的潜热换热，能从原理上满足高效均匀的温控需求；在能效提升方面，通过吸收环境热量从而提高制热效率的热泵系统在电动汽车领域的渗透率越来越高，具有较好的应用前景。专利CN108215923A“一种电动汽车热管理系统”即提出了一种结合气液相变工质和热泵空调的热管理系统，但该系统的热泵并不是从环境中吸热，而是吸收车辆内部的热量，且系统结构较为复杂，给控制带来了难度。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种基于自循环气液相变冷板的电动汽车热管理系统及方法，该系统及方法具有结构简单、成本低，并能够满足高效均匀的温控需求。
为达到上述目的，本发明所述的基于自循环气液相变冷板的电动汽车热管理系统包括顶盖、第一换热器、电池箱隔断、电池箱底板、两位四通阀、压缩机、第二换热器、膨胀阀、第一风道、第二风道、第一风门及第二风门；
顶盖、第一换热器、电池箱隔断及电池箱底板自上到下依次布置，第一换热器的上部换热面与顶盖之间形成顶部换热腔；
第一换热器的一端经两位四通阀的第一开口相连通，两位四通阀的第二开口经压缩机与两位四通阀的第三开口相连通，两位四通阀的第四开口经第二换热器及膨胀阀与第二换热器的另一端相连通；
顶部换热腔的入口与第一风道的出口及外部环境通过第一风门连通，顶部换热腔的出口与第二风道的入口及外部环境通过第二风门连通，第一风道的入口及第二风道的出口均与乘员舱连通；
电池箱隔断为方波状结构，电池箱隔断的顶部与第一换热器的下部换热面之间形成工质腔，工质腔内部填充有气液相变工质，电池箱隔断的底部与电池箱底板之间形成若干电池腔，各电池腔内均设置电池组，相邻电池组之间通过导线相连接。
顶部换热腔的入口处设有风扇。
电池箱隔断为横向间距宽窄交替的方波状结构。
电池箱隔断的表面上铺设有毛细导液芯，毛细导液芯位于工质腔内，气液相变工质的液位高于毛细导液芯的上表面。
第一换热器包含流道板及上部换热面的第一附属翅片以及下部换热面的第二附属翅片和导热肋板，其中，第二附属翅片不与工质腔中的液态工质接触，而导热肋板则需深入液态工质中。
电池箱隔断的侧壁上设置有用于供导线穿过的过线孔。
毛细导液芯为多孔介质结构。
气液相变工质为水、HFE-7000或HFO-1336mzz(Z)。
一种基于自循环气液相变冷板的电动汽车热管理方法包括以下步骤：
当电池组及乘员舱需要冷却时，两位四通阀处于制冷位，热泵空调开启空调模式，此时第一换热器为蒸发器，第二换热器为冷凝器，切换第一风门，使得顶部换热腔的入口与第一风道的出口连通，切换第二风门，使得顶部换热腔的出口与第二风道的入口连通，电池组产生的热量穿过电池箱隔断传递至毛细导液芯中的气液相变工质，使得气液相变工质沸腾蒸发，其中，产生的蒸气上升与第一换热器的下部换热面及第二附属翅片接触，然后冷凝为液态并落回至工质腔中，同时，第一换热器内的空调循环工质吸热，与此同时，在风扇的带动下，乘员舱内的空气流过第一换热器的上部换热面及第一附属翅片，并将热量传递给第一换热器内的空调循环工质，第一换热器内的空调循环工质吸收热量后由液态变为气态，其中，产生的气体经压缩机压缩后在第二换热器中冷凝成为液体工质，然后再经膨胀阀进入到第一换热器中；
当电池组及乘员舱需要加热时，两位四通阀处于制热位，热泵空调开启热泵模式，此时第一换热器为冷凝器，第二换热器为蒸发器，切换第一风门，使得顶部换热腔的入口与第一风道的出口连通，切换第二风门，使得顶部换热腔的出口与第二风道的入口连通，热泵循环工质在第二换热器中放热冷凝，同时将释放的热量传递给上部换热面及下部换热面，其中，部分热量通过上部换热面及第一附属翅片加热顶部换热腔内的空气，顶部换热腔内的空气加热后进入到乘员舱放热后，然后返回进入到顶部换热腔中；另一部分热量通过导热肋板加热工质腔内的气液相变工质，工质腔内的气液相变工质吸收热量后经毛细导液芯及电池箱隔断将热量传递给电池组，另外，热泵循环工质在第一换热器中冷凝，再经膨胀阀减压后进入第二换热器中吸收环境热量而蒸发，产生的气体经压缩机压缩后返回至第一换热器中完成循环；
当乘员舱不需要温度调节，且电池组需要冷却时，则先切换第一风门，使得顶部换热腔的入口与外界环境连通，切换第二风门，使得顶部换热腔的出口与外界环境连通，电池组产生的热量穿过电池箱隔断传递至毛细导液芯中的气液相变工质，使得毛细导液芯中的气液相变工质相变气化，其中，产生的蒸气上升与第一换热器的下部换热面及第一附属翅片接触后冷凝为液态并落回工质腔中，冷凝释放的热量经第一换热器中的热泵循环工质传递至第一换热器的上部换热面及第一附属翅片，同时外界环境中的空气流过第一换热器的上部换热面及第一附属翅片，然后将热量带走后排出到外界环境中；当环境空气不足以充分带走电池组的热量时，则启动空调热泵的制冷模式，此时，切换第一风门，使得顶部换热腔的入口与第一风道的出口连通，切换第二风门，使得顶部换热腔的出口与第二风道的入口连通，由于乘员舱不需要温度调节，空调循环工质经第二换热器蒸发产生的冷量用于冷却电池组。
本发明具有以下有益效果：
本发明所述的基于自循环气液相变冷板的电动汽车热管理系统及方法在具体操作时，乘员舱及电池组的温度调节共用一个第一换热器，以降低系统复杂度，减少体积和重量，同时第一换热器兼顾空冷模式，有利于减少功耗。另外，本发明采用气液相变工质的潜热换热原理对电池组进行冷却，保证高效均匀的换热需求，同时没有直接将电池组浸没于气液相变工质中，而是采用电池箱隔断的间接接触方式，有利于实现密封及降低制造维护成本。最后本发明采用热泵空调，相较于已有的PTC加热模式，能效更高，有利于延长低温环境下电动车续航能力。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
其中，1为电池箱底板、2为过线孔、3为电池箱隔断、4为电池腔、5为第一换热器、6为工质腔、7为毛细导液芯、8为气液相变工质、9为顶盖、10为顶部换热腔、11为风扇、12为第一风门、13为第一风道、14为乘员舱、15为第二风道、16为第二风门、17为压缩机、18为两位四通阀、19为第二换热器、20为膨胀阀、21为电池组。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，不是全部的实施例，而并非要限制本发明公开的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要的混淆本发明公开的概念。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
在附图中示出了根据本发明公开实施例的结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。
参考图1，本发明所述的基于自循环气液相变冷板的电动汽车热管理系统包括电池箱底板1、过线孔2、电池箱隔断3、电池腔4、第一换热器5、工质腔6、毛细导液芯7、气液相变工质8、顶盖9、顶部换热腔10、风扇11、第一风门12、第一风道13、乘员舱14、第二风道15、第二风门16、压缩机17、两位四通阀18、第二换热器19、膨胀阀20及电池组21；
其中，顶盖9、第一换热器5、电池箱隔断3及电池箱底板1自上到下依次布置，第一换热器5的上部换热面与顶盖9之间形成顶部换热腔10，第一换热器5的下部换热面与电池箱隔断3之间形成工质腔6，电池箱隔断3与电池箱底板1之间形成电池腔4。第一换热器5的一端经两位四通阀18的第一开口相连通，两位四通阀18的第二开口经压缩机17与两位四通阀18的第三开口相连通，两位四通阀18的第四开口经第二换热器19及膨胀阀20与第二换热器19的另一端相连通，以构成热泵空调系统。
顶部换热腔10的入口处设有风扇11，顶部换热腔1010的入口与第一风道13的出口及外部环境通过第一风门12连通，第一风门12用于切换控制顶部换热腔10的入口与第一风道13的出口或环境连通；顶部换热腔10的出口与第二风道15的入口及外部环境通过第二风门16连通，通过第二风门16切换控制顶部换热腔10出口与第二风道15的入口或环境连通，第一风道13的入口与乘员舱14的出口连通，第二风道15的出口与乘员舱14的入口连通。
在工作时，当两位四通阀18处于制冷位时，压缩机17的入口与第一换热器5连通，压缩机17的出口与第二换热器19连通，此时第一换热器5为蒸发器，第二换热器19为冷凝器；当两位四通阀18处于制热位时，压缩机17的入口与第二换热器19连通，压缩机17的出口与第一换热器5连通，此时第二换热器19为蒸发器，第一换热器5为冷凝器。
电池箱隔断3为横向间距宽窄交替的方波状结构，电池箱隔断3的窄间隙开口朝向第一换热器5的下部换热面，电池箱隔断3的宽间隙开口朝向电池箱底板1。电池箱隔断3与第一换热器5的下部换热面之间形成密闭的工质腔6，工质腔6内电池箱隔断3的表面上铺设有毛细导液芯7，毛细导液芯7位于工质腔6内，工质腔6内部填充有气液相变工质8，工质液位高于毛细导液芯7的上表面。电池箱隔断3与电池箱底板1之间形成若干相对独立的电池腔4，各电池腔4之间通过过线孔2穿过电池箱隔断3的窄间隙实现串并连。当电池组21置于电池腔4中时，电池组21的侧壁及顶部与电池箱隔断3紧密贴合，通过电池箱隔断3与毛细导液芯7中的气液相变工质8实现热交换。
第一换热器5包括流道板，其中，流道板内开设有蛇形流道，流道板的上表面为上部换热面，流道板的下表面为下部换热面，其中，上部换热面上设置有第一附属翅片，下部换热面上设置有第二附属翅片及导热肋板，其中，第二附属翅片的低端不直接与工质腔6中的工质相接触，导热肋板仅在与电池箱隔断3窄间隙相对应的位置设置，导热肋板的厚度较大，保证具有较高的导热速率，导热肋板的长度较长，且需深入窄间隙内的工质中，第二附属翅片的低端位于窄间隙深度约一半处。
毛细导液芯7为多孔介质结构，该多孔介质结构对气液相变工质8具有吸湿及导液性能，使得电池箱倾斜时保证气液相变工质8均匀分布。
气液相变工质8为水或其他制冷剂，如HFE-7000，HFO-1336mzz(Z)等。
本发明所述的基于自循环气液相变冷板的电动汽车热管理方法包括以下步骤：
当电池组21及乘员舱14需要冷却时，两位四通阀18处于制冷位，热泵空调开启空调模式，此时第一换热器5为蒸发器，第二换热器19为冷凝器，切换第一风门12，使得顶部换热腔10的入口与第一风道13的出口连通，切换第二风门16，使得顶部换热腔10的出口与第二风道15的入口连通，电池组21产生的热量穿过电池箱隔断3传递至毛细导液芯7中的气液相变工质8，使得气液相变工质8沸腾蒸发，其中，产生的蒸气上升与第一换热器5的下部换热面和第二附属翅片接触，然后冷凝为液态并落回至工质腔6中，同时，第一换热器5内的空调循环工质吸热，与此同时，在风扇11的带动下，乘员舱14内的空气流过第一换热器5的上部换热面及第一附属翅片，并将热量传递给第一换热器5内的空调循环工质，第一换热器5内的空调循环工质吸收热量后由液态变为气态，其中，产生的气体经压缩机17压缩后在第二换热器19中冷凝成为液体工质，然后再经膨胀阀20进入到第一换热器5中；
当电池组21及乘员舱14需要加热时，两位四通阀18处于制热位，热泵空调开启热泵模式，此时第一换热器5为冷凝器，第二换热器19为蒸发器，切换第一风门12，使得顶部换热腔10的入口与第一风道13的出口连通，切换第二风门16，使得顶部换热腔10的出口与第二风道15的入口连通，热泵循环工质在第二换热器19中放热冷凝，同时将释放的热量传递给上部换热面、下部换热面、第一附属翅片、第二附属翅片及导热肋板，以加热工质腔6内的气液相变工质8及顶部换热腔10内的空气，顶部换热腔10内的空气加热后进入到乘员舱14放热后，然后返回进入到顶部换热腔10中，工质腔6内的气液相变工质8吸收热量后经毛细导液芯7及电池箱隔断3将热量传递给电池组21，另外，热泵循环工质在第一换热器5中冷凝，再经膨胀阀20减压后进入第二换热器19中吸收环境热量而蒸发，产生的气体经压缩机17压缩后返回至第一换热器5中完成循环；
当乘员舱14不需要温度调节，且电池组21需要冷却时，则先切换第一风门12，使得顶部换热腔10的入口与外界环境连通，切换第二风门16，使得顶部换热腔10的出口与外界环境连通，电池组21产生的热量穿过电池箱隔断3传递至毛细导液芯7中的气液相变工质8，使得毛细导液芯7中的气液相变工质8相变气化，其中，产生的蒸气上升与第一换热器5的下部换热面及第二附属翅片接触后冷凝为液态并落回工质腔6中，冷凝释放的热量经第一换热器5中的热泵循环工质传递至第一换热器5的上部换热面及第一附属翅片，同时通过风扇11将外界环境中的空气引入并流过第一换热器5的上部换热面及第一附属翅片，然后将热量带走后排出到外界环境中；当环境空气不足以充分带走电池组21的热量时，则启动空调热泵的制冷模式，此时，切换第一风门12，使得顶部换热腔10的入口与第一风道13的出口连通，切换第二风门16，使得顶部换热腔10的出口与第二风道15的入口连通，由于乘员舱14不需要温度调节，空调循环工质经第二换热器19蒸发产生的冷量用于冷却电池组21。

Claims (9)

1.一种基于自循环气液相变冷板的电动汽车热管理系统，其特征在于，包括顶盖(9)、第一换热器(5)、电池箱隔断(3)、电池箱底板(1)、两位四通阀(18)、压缩机(17)、第二换热器(19)、膨胀阀(20)、第一风道(13)、第二风道(15)、第一风门(12)及第二风门(16)；
顶盖(9)、第一换热器(5)、电池箱隔断(3)及电池箱底板(1)自上到下依次布置，第一换热器(5)的上部换热面与顶盖(9)之间形成顶部换热腔(10)；
第一换热器(5)的一端经两位四通阀(18)的第一开口相连通，两位四通阀(18)的第二开口经压缩机(17)与两位四通阀(18)的第三开口相连通，两位四通阀(18)的第四开口经第二换热器(19)及膨胀阀(20)与第二换热器(19)的另一端相连通；
顶部换热腔(10)的入口与第一风道(13)的出口及外部环境通过第一风门(12)连通，顶部换热腔(10)的出口与第二风道(15)的入口及外部环境通过第二风门(16)连通，第一风道(13)的入口及第二风道(15)的出口均与乘员舱(14)连通；
电池箱隔断(3)为方波状结构，电池箱隔断(3)的顶部与第一换热器(5)的下部换热面之间形成工质腔(6)，工质腔(6)内部填充有气液相变工质(8)，电池箱隔断(3)的底部与电池箱底板(1)之间形成若干电池腔(4)，各电池腔(4)内均设置电池组(21)，相邻电池组(21)之间通过导线相连接。
2.根据权利要求1所述的基于自循环气液相变冷板的电动汽车热管理系统，其特征在于，顶部换热腔(10)的入口处设有风扇(11)。
3.根据权利要求1所述的基于自循环气液相变冷板的电动汽车热管理系统，其特征在于，电池箱隔断(3)为横向间距宽窄交替的方波状结构。
4.根据权利要求1所述的基于自循环气液相变冷板的电动汽车热管理系统，其特征在于，电池箱隔断(3)的表面上铺设有毛细导液芯(7)，毛细导液芯(7)位于工质腔(6)内，气液相变工质(8)的液位高于毛细导液芯(7)的上表面。
5.根据权利要求1所述的基于自循环气液相变冷板的电动汽车热管理系统，其特征在于，第一换热器(5)包含流道板及上部换热面的第一附属翅片以及下部换热面的第二附属翅片和导热肋板，其中，第二附属翅片不与工质腔(6)中的液态工质(8)接触，而导热肋板则需深入液态工质(8)中。
6.根据权利要求1所述的基于自循环气液相变冷板的电动汽车热管理系统，其特征在于，电池箱隔断(3)的侧壁上设置有用于供导线穿过的过线孔(2)。
7.根据权利要求1所述的基于自循环气液相变冷板的电动汽车热管理系统，其特征在于，毛细导液芯(7)为多孔介质结构。
8.根据权利要求1所述的基于自循环气液相变冷板的电动汽车热管理系统，其特征在于，气液相变工质(8)为水、HFE-7000或HFO-1336mzz(Z)。
9.一种基于自循环气液相变冷板的电动汽车热管理方法，其特征在于，基于权利要求1所述的基于自循环气液相变冷板的电动汽车热管理系统，包括以下步骤：
当电池组(21)及乘员舱(14)需要冷却时，两位四通阀(18)处于制冷位，热泵空调开启空调模式，此时第一换热器(5)为蒸发器，第二换热器(19)为冷凝器，切换第一风门(12)，使得顶部换热腔(10)的入口与第一风道(13)的出口连通，切换第二风门(16)，使得顶部换热腔(10)的出口与第二风道(15)的入口连通，电池组(21)产生的热量穿过电池箱隔断(3)传递至毛细导液芯(7)中的气液相变工质(8)，使得气液相变工质(8)沸腾蒸发，其中，产生的蒸气上升与第一换热器(5)的下部换热面及第二附属翅片接触，然后冷凝为液态并落回至工质腔(6)中，同时，第一换热器(5)内的空调循环工质吸热，与此同时，在风扇(11)的带动下，乘员舱(14)内的空气流过第一换热器(5)的上部换热面及第一附属翅片，并将热量传递给第一换热器(5)内的空调循环工质，第一换热器(5)内的空调循环工质吸收热量后由液态变为气态，其中，产生的气体经压缩机(17)压缩后在第二换热器(19)中冷凝成为液体工质，然后再经膨胀阀(20)进入到第一换热器(5)中；
当电池组(21)及乘员舱(14)需要加热时，两位四通阀(18)处于制热位，热泵空调开启热泵模式，此时第一换热器(5)为冷凝器，第二换热器(19)为蒸发器，切换第一风门(12)，使得顶部换热腔(10)的入口与第一风道(13)的出口连通，切换第二风门(16)，使得顶部换热腔(10)的出口与第二风道(15)的入口连通，热泵循环工质在第二换热器(19)中放热冷凝，同时将释放的热量传递给上部换热面及下部换热面，其中部分热量通过上部换热面及第一附属翅片加热顶部换热腔(10)内的空气，顶部换热腔(10)内的空气加热后进入到乘员舱(14)放热后，然后返回进入到顶部换热腔(10)中；另一部分热量通过导热肋板加热工质腔(6)内的气液相变工质(8)，工质腔(6)内的气液相变工质(8)吸收热量后经毛细导液芯(7)及电池箱隔断(3)将热量传递给电池组(21)，另外，热泵循环工质在第一换热器(5)中冷凝，再经膨胀阀(20)减压后进入第二换热器(19)中吸收环境热量而蒸发，产生的气体经压缩机(17)压缩后返回至第一换热器(5)中完成循环；
当乘员舱(14)不需要温度调节，且电池组(21)需要冷却时，则先切换第一风门(12)，使得顶部换热腔(10)的入口与外界环境连通，切换第二风门(16)，使得顶部换热腔(10)的出口与外界环境连通，电池组(21)产生的热量穿过电池箱隔断(3)传递至毛细导液芯(7)中的气液相变工质(8)，使得毛细导液芯(7)中的气液相变工质(8)相变气化，其中，产生的蒸气上升与第一换热器(5)的下部换热面及第二附属翅片接触后冷凝为液态并落回工质腔(6)中，冷凝释放的热量经第一换热器(5)中的热泵循环工质传递至第一换热器(5)的上部换热面及第一附属翅片，同时外界环境中的空气流过第一换热器(5)的上部换热面及第一附属翅片，然后将热量带走后排出到外界环境中；当环境空气不足以充分带走电池组(21)的热量时，则启动空调热泵的制冷模式，此时，切换第一风门(12)，使得顶部换热腔(10)的入口与第一风道(13)的出口连通，切换第二风门(16)，使得顶部换热腔(10)的出口与第二风道(15)的入口连通，由于乘员舱(14)不需要温度调节，空调循环工质经第二换热器(19)蒸发产生的冷量用于冷却电池组(21)。
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