CN113511043A - 一种双压缩机的电动汽车热管理系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种双压缩机的电动汽车热管理系统，包括：二氧化碳热管理模块和第二工质热管理模块，所述二氧化碳热管理模块用于驾驶舱制热和动力电池冷却，所述第二工质热管理模块用于驾驶舱制冷。本发明采用的双压缩机的设计彻底解决了二氧化碳制冷剂夏季驾驶舱制冷效率低下的问题，因为在驾驶舱制冷循环中主要使用了传统的制冷工质。

Description

一种双压缩机的电动汽车热管理系统

技术领域

本发明涉及电动汽车热管理领域，具体地，涉及一种双压缩机的电动汽车热管理系统。

背景技术

由于二氧化碳制冷剂具有极低的GWP(全球变暖潜能)值，近年来受到汽车热系统行业广泛关注，部分使用二氧化碳制冷剂的车型已实现量产。对于电动汽车而言，二氧化碳制冷剂由于具有极高的低温制热能力，非常适合作为热泵制冷剂应用。然而由于二氧化碳制冷剂在高压段处于超临界状态，在蒸气压缩循环的节流膨胀过程中热损失很大，因此在环境温度较高情况下，二氧化碳制冷剂的制冷能力和效率与传统R134a或R1234yf制冷剂相比显著下降。目前一般采用中间换热器或者采用喷射制冷的方式改善制冷性能。然而这两种方法仅能在一定程度改善制冷性能，无法彻底达到传统制冷剂的效果。

在公开号为CN109515115A的中国发明专利申请文件中，公开了一种以二氧化碳为工质的汽车空调系统和控制方法，涉及汽车空调技术领域。本发明包括HVAC空调箱、制冷剂循环路径和控制系统，制冷剂为二氧化碳，该空调系统被构造成在制热模式的制冷剂循环路径、除湿制热模式的制冷剂循环路径、常规制冷模式的制冷剂循环路径以及喷射制冷模式的制冷剂循环路径之间进行切换，能提高二氧化碳汽车空调制冷能效、实现二氧化碳系统最佳能效、提高压缩机吸气过热度和运行可靠性、避免使用喷射器引起的降温缓慢以及制冷剂流量变小时制冷或制热性能降低。然而喷射器技术存在设计优化和控制困难，目前在车用空调领域并不成熟。

在公开号为US2003000235A1的美国发明专利文件中，公开了一种用于车辆的以二氧化碳运转的空调系统具有高压部分和低压部分，该高压部分连接到压缩机的输出并包括气体冷却器，低压部分连接到压缩机的吸入侧并包括一个蒸发器，以及连接高压部分和低压部分的膨胀构件。膨胀构件具有固定的限流器，该限流器具有预定长度和直径的节流孔，该节流孔连接在从高压段的入口到低压段的出口之间，从而在系统的所有工作条件下，制冷剂中的压力处于系统的高压部分限制为小于14MPa的值。限流器可以与限压阀并联连接，并且可以包括两个或多个不同的节流孔，这些节流孔可以选择性地连接以用于制冷剂流动。然而中间换热器的使用无法从根本上解决二氧化碳制冷性能不足的问题，同时还会增大压缩机排气温度，不利于系统整体性能。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种双压缩机的电动汽车热管理系统。

根据本发明提供的一种双压缩机的电动汽车热管理系统，包括：二氧化碳热管理模块和第二工质热管理模块，所述二氧化碳热管理模块用于驾驶舱制热和动力电池冷却，所述第二工质热管理模块用于驾驶舱制冷。

优选的，所述二氧化碳热管理模块包括二氧化碳压缩机、二氧化碳回路水冷气体冷却器、二氧化碳回路回热器、二氧化碳回路电子膨胀阀、二氧化碳回路水冷蒸发器和二氧化碳气液分离器；

所述二氧化碳压缩机的出口通过管道依次连接二氧化碳回路水冷气体冷却器、二氧化碳回路回热器、二氧化碳回路电子膨胀阀、二氧化碳回路水冷蒸发器、二氧化碳气液分离器、二氧化碳回路回热器后与二氧化碳压缩机的入口连通。

优选的，还包括二氧化碳冷却水散热模块，所述二氧化碳冷却水散热模块包括空气水加热器、截止阀、第一三通水阀、第一空气散热器、第一水泵、第四三通水阀和第二水泵；所述二氧化碳回路水冷气体冷却器的冷却水出口通过管道依次连接空气水加热器、截止阀、第一三通水阀、第一空气散热器、第二水泵、第四三通水阀、第一水泵后与二氧化碳回路水冷气体冷却器的冷却水入口连通。

优选的，还包括电池散热模块，所述电池散热模块包括第三水泵、第三三通水阀、动力电池热管和第二三通水阀，所述二氧化碳回路水冷蒸发器的冷却水出口通过管道依次连通第二三通水阀、动力电池热管、第三三通水阀、第三水泵后与二氧化碳回路水冷蒸发器的冷却水入口相连通。

优选的，还包括充电单元及逆变器散热器，电机及控制散热器以及第二空气散热器，所述充电单元及逆变器散热器通过管道依次连接电机及控制散热器、第三水泵、二氧化碳回路水冷蒸发器、第二三通水阀、第二空气散热器后与充电单元及逆变器散热器连接形成散热回路。

优选的，所述第二工质热管理模块包括第二工质压缩机、第二工质水冷冷凝器、第二工质热力膨胀阀和第二工质蒸发器，所述第二工质压缩机出口通过管道依次连接第二工质水冷冷凝器、第二工质热力膨胀阀、第二工质蒸发器后与第二工质压缩机的入口连通。

优选的，所述第二工质水冷冷凝器的冷凝水入口与第二水泵相连通，所述第二工质水冷冷凝器的冷凝水出口与第一三通水阀相连通。

优选的，所述第一三通水阀与截止阀之间的管道与第四三通水阀连通。

优选的，所述动力电池热管与第二三通水阀间连通有单向水阀，所述单向水阀的另一端与第四三通水阀和截止阀之间的管道相连接。

优选的，所述第二工质压缩机和二氧化碳压缩机由同一个旋转驱动件带动，所述旋转驱动件通过离合器分别控制其中一个压缩机工作或者两个压缩机同时工作。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、双压缩机的设计彻底解决了二氧化碳制冷剂夏季驾驶舱制冷效率低下的问题，因为在驾驶舱制冷循环中主要使用传统制冷剂循环。

2、该系统包含冷却液回路，可以实现动力电池的冷却和加热以及电机电控系统的冷却和废热回收。其中电池加热通过热泵循环来实现，不需要电加热器，更加节能高效，同时节省了电加热器的费用。

3、该系统制冷剂回路使用双压缩机设计。其中一个压缩机使用二氧化碳制冷剂，主要用于驾驶舱制热循环和汽车动力电池的冷却；另外一个压缩机使用传统制冷剂，主要用于驾驶舱制冷循环。两个压缩机由同一个电机驱动，并通过离合器来控制由其中一个压缩机工作或者两个压缩机同时工作。由于2个压缩机系统可以独立工作，各司其职，所以，每一个系统都可以做得简单，提高了系统的可靠性。

4、由于采用2个压缩机，所以，每个压缩机的排量都不需要过大。

5、双压缩机系统的设计方案，解决了目前使用电动压缩机代价高昂的问题。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本申请实施例一种双压缩机的电动汽车热管理系统的结构示意图；

图2为本申请实施例一种双压缩机的电动汽车热管理系统在驾驶舱制冷模式下的运行示意图；

图3为本申请实施例一种双压缩机的电动汽车热管理系统在驾驶舱和动力电池同时冷却模式下的运行示意图；

图4为本申请实施例一种双压缩机的电动汽车热管理系统在驾驶舱制热模式下的运行示意图；

图5为本申请实施例一种双压缩机的电动汽车热管理系统在驾驶舱和动力电池同时需要加热模式下的运行示意图；

图6为本申请实施例一种双压缩机的电动汽车热管理系统在驾驶舱除湿加热模式下的运行示意图。

附图标记：

1、二氧化碳压缩机；2、二氧化碳回路水冷气体冷却器；3、二氧化碳回路回热器；4、二氧化碳回路电子膨胀阀；5、二氧化碳回路水冷蒸发器；6、二氧化碳气液分离器；7、第二工质压缩机；8、第二工质水冷冷凝器；9、第二工质热力膨胀阀；10、第二工质蒸发器；11、空气水加热器；12、第三三通水阀；13、第三水泵；14、截止阀；15、动力电池热管；16、单向水阀；17、第二三通水阀；18、第一三通水阀；19、第一空气散热器；20、第二空气散热器；21、第二水泵；22、第四三通水阀；23、第一水泵；24、充电单元和逆变器散热器；25、驱动电机及控制模块散热器。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

本发明提出了一种电动汽车热管理系统，包括二氧化碳热管理模块和第二工质热管理模块，如图1所示，该系统主要包括二氧化碳压缩机1、二氧化碳回路水冷气体冷却器2、二氧化碳回路回热器3、二氧化碳回路电子膨胀阀4、二氧化碳回路水冷蒸发器5、二氧化碳气液分离器6、第二工质压缩机7、第二工质水冷冷凝器8、第二工质热力膨胀阀9、第二工质蒸发器10、空气水加热器11、第三三通水阀12、第三水泵13、截止阀14、动力电池热管15、单向水阀16、第二三通水阀17、第一三通水阀18、第一空气散热器19、第二空气散热器20、第二水泵21、第四三通水阀22、第一水泵23、充电单元和逆变器散热器24、驱动电机及其控制模块散热器25。

二氧化碳热管理模块包括二氧化碳压缩机1、二氧化碳回路水冷气体冷却器2、二氧化碳回路回热器3、二氧化碳回路电子膨胀阀4、二氧化碳回路水冷蒸发器5、二氧化碳气液分离器6。二氧化碳压缩机1的出口通过管道依次连接二氧化碳回路水冷气体冷却器2、二氧化碳回路回热器3、二氧化碳回路电子膨胀阀4、二氧化碳回路水冷蒸发器5、二氧化碳气液分离器6、二氧化碳回路回热器3后与二氧化碳压缩机1的入口连通。

二氧化碳回路水冷气体冷却器2的冷却水出口通过管道依次连接空气水加热器11、截止阀14、第一三通水阀18、第一空气散热器19、第二水泵21、第四三通水阀22、第一水泵23后与二氧化碳回路水冷气体冷却器2的冷却水入口连通。

电动汽车热管理系统还包括电池散热模块，电池散热模块包括第三水泵13、第三三通水阀12、动力电池热管15、第二三通水阀17，二氧化碳回路水冷蒸发器5的冷却水出口通过管道依次连通第二三通水阀17、动力电池热管15、第三三通水阀12、第三水泵13后与二氧化碳回路水冷蒸发器5的冷却水入口相连通。

充电单元及逆变器散热器24通过管道依次连接电机及控制散热器25、第三水泵13、二氧化碳回路水冷蒸发器5、第二三通水阀17、第二空气散热器20后与充电单元及逆变器散热器24连接形成散热回路。

第二工质热管理模块包括第二工质压缩机7、第二工质水冷冷凝器8、第二工质热力膨胀阀9和第二工质蒸发器10，第二工质压缩机7出口通过管道依次连接第二工质水冷冷凝器8、第二工质热力膨胀阀9、第二工质蒸发器10后与第二工质压缩机7的入口连通。第二工质水冷冷凝器8的冷凝水入口与第二水泵21相连通，第二工质水冷冷凝器8的冷凝水出口与第一三通水阀18相连通。

第二水泵21与第一水泵23之间连接有第四三通水阀22，第一三通水阀18与截止阀14之间的管道与第四三通水阀22连通。动力电池热管15与第二三通水阀17间连通有单向水阀16，且单向水阀16的另一端与第四三通水阀22和截止阀14之间的管道相连接，在单向水阀16中，冷却液只能沿远离动力电池热管15的方向流动。

第二工质为制冷效率优于二氧化碳的制冷剂，本实施例中的第二工质为R134a或R1234yf。二氧化碳压缩机1和第二工质压缩机7均为由皮带轮带动的机械式压缩机，由一个电机通过离合器分别控制其中一个压缩机运行或者两个压缩机同时运行。

参照图2，在驾驶舱制冷模式下，通过离合器控制仅使第二工质压缩机7运行。高温高压的气态制冷剂从第二工质压缩机7中流出后经过第二工质水冷冷凝器8将热量传递到冷却液回路，并最终由第二水泵21驱动并经过第一空气散热器19释放到环境空气中。在第二工质水冷冷凝器8中释放掉热量变为液态的制冷剂经过第二工质热力膨胀阀9节流降压后变成低温低压的气液混合态，随后进入第二工质蒸发器10并与车内空气换热从而实现驾驶舱制冷。从第二工质蒸发器10出来的制冷剂回到第二工质压缩机7入口从而实现循环。充电单元和逆变器散热器24以及驱动电机及其控制模块散热器25的冷却由第三水泵13驱动冷却液经冷却回路通过第二空气散热器20散热来实现。

参照图3，在同时需要驾驶舱制冷和动力电池冷却的模式下，二氧化碳压缩机1和第二工质压缩机7同时工作，其中第二工质循环用于驾驶舱制冷，与图2中运行模式相同。二氧化碳制冷剂循环用于电池冷却，具体实现方式如下。高温高压的二氧化碳制冷剂从二氧化碳压缩机1中流出，在二氧化碳回路水冷气体冷却器2中将热量释放到冷却液回路。从二氧化碳回路水冷气体冷却器2流出的二氧化碳制冷剂经过二氧化碳回路回热器3进一步冷却，然后经过二氧化碳回路电子膨胀阀4节流降压后变成低温低压的气液混合态进入二氧化碳回路水冷蒸发器5。在吸收了电池冷却回路的热量后，从二氧化碳回路水冷蒸发器5中流出的二氧化碳制冷剂先后经过二氧化碳气液分离器6和二氧化碳回路回热器3返回二氧化碳压缩机1入口从而完成二氧化碳制冷剂循环。此模式下第三水泵13、第二水泵21和第一水泵23均开启。其中第三水泵13用于驱动电池冷却回路。第二水泵21和第一水泵23用于驱动冷却回路将从第二工质水冷冷凝器8和二氧化碳回路水冷气体冷却器2中吸收的热量通过冷却液带进第一空气散热器19释放到环境空气中，第一三通水阀18具有流量分配的功能。

参照图4，当系统处于驾驶舱制热模式下,系统通过离合器控制仅使二氧化碳压缩机1运行。高温高压的二氧化碳制冷剂从二氧化碳压缩机1中流出，在二氧化碳回路水冷气体冷却器2中将热量释放到冷却液回路。从二氧化碳回路水冷气体冷却器2流出的二氧化碳制冷剂经过二氧化碳回路回热器3进一步冷却，然后经过二氧化碳回路电子膨胀阀4节流降压后变成低温低压的气液混合态进入二氧化碳回路水冷蒸发器5，并通过二氧化碳回路水冷蒸发器5吸收冷却液回路的热量，从二氧化碳回路水冷蒸发器5流出的二氧化碳制冷剂先后经过二氧化碳气液分离器6和二氧化碳回路回热器3返回二氧化碳压缩机1入口从而完成二氧化碳制冷剂循环。在此模式下，从二氧化碳回路水冷气体冷却器2中吸收的热量由第一水泵23驱动冷却液经过空气水加热器11与车内空气换热从而给驾驶舱加热。二氧化碳制冷剂循环在二氧化碳回路水冷蒸发器5吸收的冷却液回路的热量一部分来自于周围环境，这部分热量是通过第二空气散热器20实现的，另一部分则来自于充电机逆变器和电机电控的发热，这些热量都是通过第三水泵13驱动冷却液经冷却回路来完成的。

在低温环境下，热管理系统需要给动力电池加热以提高电池的效率。参照图5,，在低温环境下当驾驶舱和动力电池都需要加热时，制冷剂回路的运行模式与图4相同，仅二氧化碳压缩机1运行。冷却液回路与图4的区别为从空气水加热器11出来的冷却液并不直接返回第一水泵23，而是先继续经过动力电池热管15来加热电池。此时截止阀14关闭。

参照图6，为本系统的加热除湿模式。此时二氧化碳压缩机1和第二工质压缩机7同时工作。制冷剂循环的运行模式与图3一样。车外的湿空气先经过第二工质蒸发器10进行降温除湿，然后流过空气水加热器11被加热并最终进入驾驶舱内。冷却液回路从第二工质水冷冷凝器8中吸收的热量由第二水泵21驱动冷却液经过第一空气散热器19释放到环境空气中。从二氧化碳回路水冷气体冷却器2中吸收的热量则由第一水泵23驱动冷却液经过空气水加热器11转移到驾驶舱内。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (10)

1.一种双压缩机的电动汽车热管理系统，其特征在于，包括：二氧化碳热管理模块和第二工质热管理模块，所述二氧化碳热管理模块用于驾驶舱制热和动力电池冷却，所述第二工质热管理模块用于驾驶舱制冷。

2.根据权利要求1所述的一种双压缩机的电动汽车热管理系统，其特征在于：所述二氧化碳热管理模块包括二氧化碳压缩机、二氧化碳回路水冷气体冷却器、二氧化碳回路回热器、二氧化碳回路电子膨胀阀、二氧化碳回路水冷蒸发器和二氧化碳气液分离器；

所述二氧化碳压缩机的出口通过管道依次连接二氧化碳回路水冷气体冷却器、二氧化碳回路回热器、二氧化碳回路电子膨胀阀、二氧化碳回路水冷蒸发器、二氧化碳气液分离器、二氧化碳回路回热器后与二氧化碳压缩机的入口连通。

3.根据权利要求2所述的一种双压缩机的电动汽车热管理系统，其特征在于：还包括二氧化碳冷却水散热模块，所述二氧化碳冷却水散热模块包括空气水加热器、截止阀、第一三通水阀、第一空气散热器、第一水泵、第四三通水阀和第二水泵；所述二氧化碳回路水冷气体冷却器的冷却水出口通过管道依次连接空气水加热器、截止阀、第一三通水阀、第一空气散热器、第二水泵、第四三通水阀、第一水泵后与二氧化碳回路水冷气体冷却器的冷却水入口连通。

4.根据权利要求2所述的一种双压缩机的电动汽车热管理系统，其特征在于：还包括电池散热模块，所述电池散热模块包括第三水泵、第三三通水阀、动力电池热管和第二三通水阀，所述二氧化碳回路水冷蒸发器的冷却水出口通过管道依次连通第二三通水阀、动力电池热管、第三三通水阀、第三水泵后与二氧化碳回路水冷蒸发器的冷却水入口相连通。

5.根据权利要求4所述的一种双压缩机的电动汽车热管理系统，其特征在于：还包括充电单元及逆变器散热器，电机及控制散热器以及第二空气散热器，所述充电单元及逆变器散热器通过管道依次连接电机及控制散热器、第三水泵、二氧化碳回路水冷蒸发器、第二三通水阀、第二空气散热器后与充电单元及逆变器散热器连接形成散热回路。

6.根据权利要求2所述的一种双压缩机的电动汽车热管理系统，其特征在于：所述第二工质热管理模块包括第二工质压缩机、第二工质水冷冷凝器、第二工质热力膨胀阀和第二工质蒸发器，所述第二工质压缩机出口通过管道依次连接第二工质水冷冷凝器、第二工质热力膨胀阀、第二工质蒸发器后与第二工质压缩机的入口连通。

7.根据权利要求6所述的一种双压缩机的电动汽车热管理系统，其特征在于：所述第二工质水冷冷凝器的冷凝水入口与第二水泵相连通，所述第二工质水冷冷凝器的冷凝水出口与第一三通水阀相连通。

8.根据权利要求3所述的一种双压缩机的电动汽车热管理系统，其特征在于：所述第一三通水阀与截止阀之间的管道与第四三通水阀连通。

9.根据权利要求8所述的一种双压缩机的电动汽车热管理系统，其特征在于：所述动力电池热管与第二三通水阀间连通有单向水阀，所述单向水阀的另一端与第四三通水阀和截止阀之间的管道相连接。

10.根据权利要求6所述的一种双压缩机的电动汽车热管理系统，其特征在于：所述第二工质压缩机和二氧化碳压缩机由同一个旋转驱动件带动，所述旋转驱动件通过离合器分别控制其中一个压缩机工作或者两个压缩机同时工作。