CN113858916B - 一种热管理系统和车辆 - Google Patents

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Abstract

本发明实施例提出了一种热管理系统和车辆，可用于增程式电动汽车。水泵、电驱动冷却系统、发动机冷却系统、蒸汽发电机、膨胀水箱串联连接，有一支路与蒸汽发电机并联，可分走蒸汽发电机的部分流量，根据环境温度选择流入蒸汽发电机的流量，使系统热量合理利用。电驱动冷却系统连接换热器低温侧，发动机冷却系统连接换热器高温侧进行换热。电驱动冷却系统连接低温散热器，发动机冷却系统连接高温散热器，低温散热器与高温散热器并排布置在冷却风扇组前，比串联布置减少了风阻。低温散热器附近布置不耐高温部件，高温散热器附近布置耐高温部件，使空间易于布置，合理利用。

Description

一种热管理系统和车辆
【技术领域】
本发明涉及车辆热管理系统技术领域，特别是增程式和混动式电动汽车的热管理系统以及车辆。
【背景技术】
新能源车普遍采用电动机驱动，目前，增程式和混动式电动汽车有发动机冷却系统及电驱动冷却系统，两个系统独立布置；这样需要分别对每个系统进行散热，发动机系统水温高于电驱动系统水温，现有技术中，按照温度递增原理，电驱动系统散热器布置在发动机系统散热器前面，使得前端散热模块风阻增加，需要匹配更大的冷却风扇来保证进风量；除此之外，电驱动系统的水温较低，其潜在的冷却能力和潜在的热量都没有得到利用，浪费了部分系统能量。
因此，如何提高热管理系统的效率,减少能量消耗，是需要解决的重要问题。
【发明内容】
本发明实施例提供了一种热管理系统，有效提高增程式电动汽车或混合动力汽车的热管理效率。
第一方面，本发明实施例提供一种热管理系统，包括电驱动冷却系统、发动机冷却系统、水泵、膨胀水箱、换热器、高温散热器、低温散热器、冷却风扇组、三通阀、接头，所述水泵、电驱动冷却系统、发动机冷却系统、膨胀水箱串联连接，所述电驱动冷却系统连接所述换热器低温侧入口，所述发动机冷却系统出口连接所述换热器高温侧入口；所述换热器低温侧出口连接低温散热器入口，所述换热器高温侧出口连接高温散热器入口；所述低温散热器出口和高温散热器出口和膨胀水箱通过三通阀或接头连接，所述高温散热器出口通过一个三通阀分出一条支路连接到发动机冷却系统。
在换热器中，低温侧与高温侧热量交换，从而使两侧温度差减小，使得后续低温散热器和高温散热器温差得到一定降低，也提前冷却高温散热器，同时便于由冷却风扇同时冷却低温散热器和高温散热器。
一种可能的设计中，所述低温散热器与所述高温散热器并联布置在所述冷却风扇组前。
低温散热器和高温散热器并排布置在冷却风扇前这种并排布置相比于低温散热器和高温散热器先后布置在冷却风扇前，减小了风阻，冷却风扇也不需要较高的排风量了，有利于减小风扇型号、节省空间。
一种可能的设计中，所述低温散热器附近布置低温区零部件，所述高温散热器附近布置高温区零部件，所述高温区零部件比低温区零部件更耐高温。在一些小车型中，机舱布置紧凑，而不同零部件的耐温性能不同。若散热器的温度高或出于温度范围不确定的状态，难以设计出保护耐温性能不同的零部件的布置。本设计实现了高、低温散热器两种出风温度，低温散热器出风温度较低，高温散热器出风温度较高，在机舱布置方面，容易设计将耐温性能较低的零部件布置在低温散热器附近，将耐温性能较高的零部件布置高温散热器附近，间接调控机舱流场，减小机舱零部件热害，实现降温增效，进一步节省空间。
根据低温散热器、高温散热器及其周围零部件布置，设计冷却风扇的风量和位置。一种情况中，由于发动机本体的冷却水温不应过低，在由换热器使低温侧与高温侧热量交换后，高温侧的冷却需求较少，不需要很大的冷却量，可以调节所述冷却风扇组的位置至低温散热器较近的地方，以使低温冷却水温得到更高效率的冷却。所述冷却风扇组在所述低温散热器的出风量比所述高温散热器的出风量较大，或所述冷却风扇组的位置距离所述低温散热器比所述高温散热器近。另一种情况中，高温散热能力不够充足，所述冷却风扇组在所述低温散热器的出风量比所述高温散热器的出风量较小，或所述冷却风扇组的位置距离所述低温散热器比所述高温散热器远。
一种可能的设计中，所述发动机冷却系统包括排气管，所述排气管连接所述膨胀水箱。由于一些情况下发动机冷却系统水温较高，需要直接连通膨胀水箱，以减小管路的压力。
一种可能的设计中，还包括蒸汽发电机，所述蒸汽发电机入口与所述发动机冷却系统出口连接,所述蒸汽发电机出口与所述膨胀水箱连接或所述换热器高温侧入口连接。由于发动机的高温可使冷却水形成蒸汽，蒸汽的能量可以通过蒸汽发电机进行利用。
一种可能的设计中，所述电驱动冷却系统包括DC及OBC管路、驱动电机及控制器管路、发电机及发电机控制器管路，所述DC及OBC管路、驱动电机及控制器管路、发电机及发电机控制器管路串联连接。可以同时对DC及OBC、驱动电机及控制器、发电机及发电机控制器进行热管理。
一种可能的设计中，所述发动机冷却系统包括发动机隔热罩水套、发动机本体水套、发动机排气管水套，所述发动机隔热罩水套入口与所述电驱动冷却系统出口连接，所述发动机隔热罩水套出口与所述发动机本体水套入口连接，所述发动机本体水套出口与所述发动机排气管水套入口连接，所述发动机排气管水套入口与所述换热器高温侧串联连接。由于发动机温度高，需要隔热罩。由于发动机本体需要较高温度的冷却液，隔热罩可以预热冷却液。另外还可以同时对发动机本体、排气管进行热管理。
一种可能的设计中，所述发动机隔热罩水套出口或所述发动机本体水套出口或所述发动机排气管水套出口连接三通阀，通过三通阀分出一条支路连接所述换热器高温侧入口。相当于多了一条与发动机本体水套或发动机排气管水套并联的支路，发动机隔热罩水套或发动机本体水套出口或发动机排气管水套出口都可直接流向换热器，更加灵活地调配，可以优化循环效率。
一种可能的设计中，还包括供热通风与空气调节的空调系统，所述空调系统包括串联连接的暖风芯体和PTC加热器；所述发动机冷却系统出口连接空调系统入口。寒冷条件下供热通风与空气调节的空调系统可以利用发动机冷却系统的热量，给乘员舱供热，提高能量利用效率。
一种可能的设计中，所述热管理系统还包括与暖风芯体并联连接的电池管路。寒冷条件下可以利用发动机冷却系统或PTC加热器的热量，给电池加热保温，提高能量利用效率。
第二方面，本发明实施例提供一种车辆，包括如第一方面所述的任一热管理系统。应当理解的是，本发明实施例的第二方面与本发明实施例的第一方面的技术方案一致，各方面及对应的可行实施方式所取得的有益效果相似，不再赘述。
【附图说明】
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单的介绍，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。
图1为本发明实施例的一种热管理系统示意图；
图2为本发明实施例的两种高温、低温部件布置示意图；
图3为本发明实施例的两种冷却风扇布置示意图；
图4为本发明实施例的一种热管理系统示意图；
图5为本发明实施例的一种热管理系统示意图；
图6为本发明实施例的一种热管理系统示意图；
图7为本发明实施例的一种热管理系统示意图；
图8为本发明实施例的一种热管理系统示意图；
图9为本发明实施例的一种车辆示意图。
【具体实施方式】
为了更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明实施例进行详细描述。应当明确，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。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它实施例，都属于本发明保护的范围。
增程式电动汽车或混合动力汽车的电驱动系统、发动机，是需要重点热管理的部件。运行过程中，温度升高，为保障部件正常工作，通常使用冷却液冷却。冷却液可以为水，在高温下冷却管路中的介质会膨胀，使用膨胀水箱缓解管路压力。电驱动系统、发动机温度不同，可分别由低温散热器、高温散热器散热。
如图1，本发明实施例提供一种热管理系统，包括电驱动冷却系统、发动机冷却系统、水泵、膨胀水箱、换热器、高温散热器、低温散热器、冷却风扇组、三通阀、接头，所述水泵、电驱动冷却系统、发动机冷却系统、膨胀水箱串联连接，所述电驱动冷却系统连接所述换热器低温侧入口，所述发动机冷却系统出口连接所述换热器高温侧入口；所述换热器低温侧出口连接低温散热器入口，所述换热器高温侧出口连接高温散热器入口；所述低温散热器出口和高温散热器出口和膨胀水箱通过三通阀或接头连接，所述高温散热器出口通过一个三通阀分出一条支路连接到发动机冷却系统。
在换热器中，低温侧与高温侧热量交换，从而使两侧温度差减小，使得后续低温散热器和高温散热器温差得到一定降低，也提前冷却高温散热器，同时便于由冷却风扇同时冷却低温散热器和高温散热器。
进一步地，一种实施例中，所述低温散热器与所述高温散热器并联布置在所述冷却风扇组前。并联布置时，冷却风扇组的风同时送达所述低温散热器与所述高温散热器，这种并排布置相比于低温散热器和高温散热器先后串联布置在冷却风扇前，减小了风阻。串联布置时，风需要先通过一个散热器再通过另一个散热器，阻力是二者叠加R总串＝R1+R2，并联布置的阻力类似电阻并联，R总并＝1/(1/R1+1/R2)。根据经验，高温散热器为低温散热器的阻力的1.2～1.4倍，设低温散热器风阻为R1，高温散热器风阻为1.3R1，R总串＝2.3R1，R总并≈0.57R1.
由此可见，并联大大减小了串联的风阻。因此冷却风扇也不需要较高的风压和排风量了，有利于减小风扇型号、节省空间。
另一方面实现了高低温散热器出风温度的调节。同样的散热量Q，根据公式Q＝c·m·Δt，c、m、Q一定的情况下，设经过低温散热器后温度增加10℃，经过高温散热器温度增加20℃，若低温散热器与高温散热器串联，最终温度增加温度为30℃。本设计中低温散热器与高温散热器并联布置，经过低温散热器后温度增加10℃，经过高温散热器温度增加20℃，有效降低了出风温度。低温散热器出风温度较低，高温散热器出风温度较高，在机舱布置方面，可以将耐温性能较低的零部件布置在低温散热器附近，将耐温性能较高的零部件布置高温散热器附近，间接调控机舱流场，减小机舱零部件热害，实现降温增效。耐温性能较低的零部件如线束，耐温性能较高的零部件如发动机等金属件，利用低温散热器出风温度较低、高温散热器出风温度较高的特性，对零部件合理布局，可使空间高效利用。
一种实施例中，所述低温散热器附近布置低温区零部件，所述高温散热器附近布置高温区零部件，所述高温区零部件比低温区零部件更耐高温。由于一些车型较小，增程式汽车的零部件多而空间紧张，机舱布置紧凑，而不同零部件的耐温性能不同；若散热器的温度高或出于温度范围不确定的状态，难以设计出保护耐温性能不同的零部件的布置。本设计实现了高、低温散热器两种出风温度，低温散热器出风温度较低，高温散热器出风温度较高，在机舱布置方面，如图2，设计将耐温性能较低的零部件布置在低温散热器附近，将耐温性能较高的零部件布置高温散热器附近，根据需要冷却风扇可以为一个或多个，整体布置调控机舱流场，减小机舱零部件热害，实现降温增效，进一步节省空间。
一种可能的实施方式中，所述换热器为板式换热器。根据经验或模拟，设计换热器的换热面积，以达到所需要的高温散热器和低温散热器的温度差。
一种可能的实施方式中，低温散热器和高温散热器需要达到的温度不同，低温散热器需要达到更低的温度，例如发动机本体的冷却水温不应过低，在由换热器使低温侧与高温侧热量交换后，高温侧的冷却需求较少，不需要很大的风量，可以调节所述冷却风扇组的位置至低温散热器较近的地方，以使低温冷却水温得到更高效率的冷却。于是一种实施例中，所述冷却风扇组在所述低温散热器的出风量比所述高温散热器的出风量较大，或所述冷却风扇组的位置距离所述低温散热器比所述高温散热器近，如图3。通过合理利用散热器的布局，冷却风扇的位置或风量的分配，提高了热管理系统工作效率。另一种情况中，高温散热能力不够充足，则所述冷却风扇组在所述低温散热器的出风量比所述高温散热器的出风量较小，或所述冷却风扇组的位置距离所述低温散热器比所述高温散热器远。
根据经验或模拟，设计换热器的结构和尺寸，以达到所需要的高温散热器和低温散热器的温度差，进一步设计散热器尺寸，进一步设计冷却风扇组，从而控制出风温度和出风量，优化机舱流场，使各个位置的零部件承受合理温度：冷却风扇组可以为一个风扇或多个风扇，设计合理的出风量，将风同时送向并联的高温散热器和低温散热器。设计换热器的结构和尺寸可以达到不同的换热面积。散热器也可以有不同的宽度、厚度、长度，从而对出风量和出风温度产生相应影响。散热器面向冷却风扇的宽度较宽时，阻挡冷却风扇排风，出风量较小；反之，散热器面向冷却风扇的宽度较窄时，出风量较大。高、低温散热器在冷却风扇轴向上的长度可能不同，根据其周围的空间布置情况而设计。一种可能的实施方式中，所述换热器为板式换热器。板式换热器作为一种结构易于设计、布置的换热器，适用于这种场景。
由于一些情况下发动机冷却系统水温较高，需要直接连通膨胀水箱，以减小管路的压力。一种实施例中，所述发动机冷却系统包括排气管，所述排气管连接所述膨胀水箱，如图4。连通膨胀水箱的位置可以缓解局部管路压力。
由于一些情况下经过发动机冷却系统的水呈蒸汽状态，可用于发电，于是一种实施例中，还包括蒸汽发电机，所述蒸汽发电机入口与所述发动机冷却系统出口连接,所述蒸汽发电机出口与所述膨胀水箱连接或所述换热器高温侧入口连接，如图5。蒸汽的能量可以通过蒸汽发电机进行利用，减少了整车能耗。
对于电驱动系统，可能包括需要冷却的DC及OBC、驱动电机及控制器、发电机及发电机控制器，于是一种实施例中，所述电驱动冷却系统包括DC及OBC管路、驱动电机及控制器管路、发电机及发电机控制器管路，所述DC及OBC管路、驱动电机及控制器管路、发电机及发电机控制器管路串联连接。可以同时对DC及OBC、驱动电机及控制器、发电机及发电机控制器进行热管理。
对于发动机，可能包括需要冷却的发动机隔热罩、发动机本体、发动机排气管。一种实施例如图6，所述发动机冷却系统包括发动机隔热罩水套、发动机本体水套、发动机排气管水套，所述发动机隔热罩水套入口与所述电驱动冷却系统出口连接，所述发动机隔热罩水套出口与所述发动机本体水套入口连接，所述发动机本体水套出口与所述发动机排气管水套入口连接，所述发动机排气管水套入口与所述换热器高温侧串联连接。由于发动机本体需要较高温度的冷却液，隔热罩可以预热冷却液。另外串联连接的管路还可以同时对发动机本体、排气管进行热管理。
简单串联连接的管路在流量控制方面不够灵活，一种实施例中，所述发动机隔热罩水套出口或所述发动机本体水套出口或所述发动机排气管水套出口连接三通阀，通过三通阀分出一条支路连接所述换热器高温侧入口。相当于多了一条与发动机本体水套或发动机排气管水套并联的支路，发动机隔热罩水套或发动机本体水套出口或发动机排气管水套出口都可直接流向换热器，更加灵活地调配，可以优化循环效率。
一种实施例如图7，此时，也多了一条可分配流量的与蒸汽发电机并联的管路，直接流向散热器。在夏季或高温运行时，对于与蒸汽发电机并联的管路分配的流量是0，使用串联方案，冷却液温度逐渐增加，在排气管隔热罩出口蒸发汽化后，通过蒸汽轮机发电，然后回到散热器，待冷却液温度降低后，重新开始循环。春秋季或较低温度时，可以根据各部件水温变化，调整比例三通阀，控制系统进入蒸汽轮机和直接进入散热器的水流量，满足系统水温及汽轮机温度压力的要求。
发动机等产生的热量可以被空调系统利用，一种实施例中，还包括供热通风与空气调节的空调系统，所述空调系统包括串联连接的暖风芯体和PTC加热器；所述发动机冷却系统出口连接空调系统入口。寒冷条件下供热通风与空气调节的空调系统可以利用发动机冷却系统的热量，给乘员舱供热，提高能量利用效率。
除被空调系统利用外，发动机等产生的热量可以寒冷情况下用于预热电池，于是一种实施例中，如图8，所述热管理系统还包括与暖风芯体并联连接的电池管路。寒冷条件下可以利用发动机冷却系统或PTC加热器的热量，给电池加热保温，提高能量利用效率。
本发明还提供一种车辆的实施例，如图9，所述车辆包括如第一方面所述的任一热管理系统。应当理解的是，本发明实施例的第二方面与本发明实施例的第一方面的技术方案一致，各方面及对应的可行实施方式所取得的有益效果相似，不再赘述。
在本说明书所提供的几个实施例中，所揭露的系统、设备，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的设备实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如，多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所讨论的相互之间的连接，可以是设备或单元的直接连接或通过一些接口其他设备或单元间接连接或其它的形式。
以上所述，以上实施例仅用以说明本发明实施例的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (11)

1.一种热管理系统，应用于增程式电动汽车或混合动力汽车，包括电驱动冷却系统、发动机冷却系统、水泵、膨胀水箱、换热器、高温散热器、低温散热器、冷却风扇组、三通阀、接头，其特征在于，所述水泵、电驱动冷却系统、发动机冷却系统、膨胀水箱串联连接，所述电驱动冷却系统连接所述换热器低温侧入口，所述发动机冷却系统出口连接所述换热器高温侧入口；所述换热器低温侧出口连接低温散热器入口，所述换热器高温侧出口连接高温散热器入口；所述低温散热器出口和高温散热器出口和膨胀水箱通过三通阀或接头连接，所述高温散热器出口通过一个三通阀分出一条支路连接到发动机冷却系统；其中，还包括：根据所述低温散热器和高温散热器的冷却需求，调节所述冷却风扇组的位置或风量的分配；所述低温散热器和高温散热器的冷却需求分别表示所述低温散热器和所述高温散热器需要达到的温度。
2.如权利要求1所述热管理系统，其特征在于，所述低温散热器与所述高温散热器并联布置在所述冷却风扇组前。
3.如权利要求1所述热管理系统，其特征在于，所述低温散热器附近布置低温区零部件，所述高温散热器附近布置高温区零部件，所述高温区零部件比低温区零部件更耐高温。
4.如权利要求1所述热管理系统，其特征在于，所述发动机冷却系统包括排气管，所述排气管连接所述膨胀水箱。
5.如权利要求1所述热管理系统，其特征在于，还包括蒸汽发电机，所述蒸汽发电机入口与所述发动机冷却系统出口连接,所述蒸汽发电机出口与所述膨胀水箱连接或所述换热器高温侧入口连接。
6.如权利要求1所述热管理系统，其特征在于，所述电驱动冷却系统包括DC及OBC管路、驱动电机及控制器管路、发电机及发电机控制器管路，所述DC及OBC管路、驱动电机及控制器管路、发电机及发电机控制器管路串联连接。
7.如权利要求1所述热管理系统，其特征在于，所述发动机冷却系统包括发动机隔热罩水套、发动机本体水套、发动机排气管水套，所述发动机隔热罩水套入口与所述电驱动冷却系统出口连接，所述发动机隔热罩水套出口与所述发动机本体水套入口连接，所述发动机本体水套出口与所述发动机排气管水套入口连接，所述发动机排气管水套入口与所述换热器高温侧串联连接。
8.如权利要求7所述热管理系统，其特征在于，所述发动机隔热罩水套出口或所述发动机本体水套出口或所述发动机排气管水套出口连接三通阀，通过三通阀分出一条支路连接所述换热器高温侧入口。
9.如权利要求1所述热管理系统，其特征在于，还包括供热通风与空气调节的空调系统，所述空调系统包括串联连接的暖风芯体和PTC加热器；所述发动机冷却系统出口连接空调系统入口。
10.如权利要求9所述热管理系统，其特征在于，所述热管理系统还包括与暖风芯体并联连接的电池管路。
11.一种车辆，其特征在于：包括如权利要求1-10任一项所述的热管理系统。
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