CN113978203B - 一种集成电池热管理功能的车辆热泵空调系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种集成电池热管理功能的车辆热泵空调系统。属于汽车空气调节技术领域。其特征在于，包括第一循环回路，所述第一循环回路上设置有：冷却板，设置在靠近车辆的电池组的位置处，用于对所述电池包进行冷却或加热；第一节流阀，设置在所述冷却板的入口端侧，所述第一节流阀设置成根据所述电池包的温度来调控所述第一循环回路的制冷剂的温度与压力，从而控制所述电池包与所述制冷剂之间的温差在预设温差范围内。本发明中，通过设置第一节流阀有效控制了冷却板中的制冷剂的温度和压力，保证制冷剂与电池包之间的温度差一直处于预设范围，防止电池组内部空气出现冷凝水，引起电池单元短路。

Description

一种集成电池热管理功能的车辆热泵空调系统

技术领域

本发明涉及汽车空气调节技术领域，特别是涉及一种集成电池热管理功能的车辆热泵空调系统。

背景技术

电动车进入红海时代，超级快充技术是解决用户“续航焦虑”的最佳选择。2020保时捷Taycan率先在全球推出800V高压电气架构，采用800V直流快充并支持350kw大功率超级快充。随后，国内外车企陆续发布800V架构规划，将超级快充作为差异化体验，以提升消费者对电动汽车未来发展的信心。

超级快充将会产生大量的热量，对电池热管理要求极高。制冷剂直接冷却技术是具有成本低，换热效率高，安全性高、重量轻等优点，是解决大功率超级快充电池热管理的最佳选择之一。但是，低温环境下电动车续航缩水严重，同时，为满足乘员舱的舒适性及电池的动力性，加热采暖系统将会也将会消耗大量能量，更加加大电池电量的损耗，热泵空调系统具有较高的COP，是解决乘员舱采暖高功耗问题的有效手段，被广泛应用，目前采用电池直冷冷却的热泵空调系统的量产车型，主要存在以下问题：第一，容易造成电池冷却过冷、温度稳定性差；第二，采用电加热丝加热电池，大功率PTC加热乘员舱，效率低，能耗高；第三，乘员舱加热采用高压PTC水暖加热系统及热泵系统制热并存方案，或利用制冷剂与水暖系统换热为乘员舱供暖，系统复杂，换热效率低；第四，热泵系统功能实施例单一，可塑性差。因此，目前电池直冷冷却的热泵空调亟需改进，才能更好的适应电动车的发展。

发明内容

本发明的一个目的是要提供一种新型电池冷却循环，使其与电池组包之间在降温的同时不会产生较大的温差，避免了因电池包内部出现冷凝水而引起电池单元短路的问题。

本发明一个进一步的目的是要使得电池直冷节流支路与其他节流支路并联时，不会受到系统中其他支路负荷的变化而产生波动，造成电池冷却的温度稳定性变差。

本发明另一个进一步的目的是回收利用电机和电池的余热，提高热泵系统的能源效率。

特别地，本发明提供了一种集成电池热管理功能的车辆热泵空调系统，其特征在于，包括第一循环回路，所述第一循环回路上设置有：

冷却板，设置在靠近车辆的电池组的位置处，用于对所述电池包进行冷却或加热；

第一节流阀，设置在所述冷却板的入口端侧，所述第一节流阀设置成根据所述电池包的温度来调控所述第一循环回路的制冷剂的压力与温度，从而控制所述电池包与所述制冷剂之间的温差在预设温差范围内。

进一步地，所述系统还包括：空调冷却支路，其两端并联在所述第一节流阀的入口端侧和所述车辆的油液分离器的入口端侧，用于对乘员舱进行冷却或加热。

进一步地，所述第一循环回路上还设置有：第二节流阀，其入口端与所述冷却板的出口端连接，其出口端与所述油液分离器的入口端连接，所述第二节流阀设置成根据所述空调冷却支路的管路压力来调节所述第一循环回路的管路压力，保证所述空调冷却支路和所述第一循环回路的管路压差在预设压差范围内，并与所述第一节流阀协同调节所述第一循环回路的制冷剂流量，保证所述第一循环回路的流量需求。

进一步地，所述系统还包括：加热支路，其入口端与所述车辆的压缩机的出口端连接，其出口端与所述第一节流阀的入口端连接，所述压缩机的入口端与所述油液分离器的出口端连接；

所述加热支路上设置有第一换热器，所述第一换热器用于对流经所述加热支路外侧的流体进行加热。

进一步地，所述加热支路上还设置有辅助空气加热器，所述辅助空气加热器设置成在所述加热支路外侧的流体低于预设温度时打开，以对所述加热支路外侧的流体进行加热。

进一步地，所述系统还包括第二循环回路，所述第二循环回路设置有：膨胀水箱、水泵、板式换热器和第二换热器，所述工件依次进行连接，用以对电机进行换热，使其处于预设温度的工作环境中。

进一步地，所述第一循环与所述第二循环通过所述板式换热器进行热交换，用以对所述第二循环的热量进行回收利用。

进一步地，所述第一循环还设有若干开关阀，用以控制循环支路中的通断。

本发明还公开了一种车辆，包括如上述所述的车辆集成电池热管理功能的车辆热泵空调系统。

本发明中，通过设置第一节流阀有效控制了冷却板中的制冷剂的温度和压力，保证制冷剂与电池包之间的温度差一直处于预设范围，防止电池组内部空气出现冷凝水，引起电池单元短路。

进一步地，本发明通过设置第二节流阀，用以调整本支路与其他并联节流支路的压力平衡，一方面可以保证电池冷却温度的稳定性，另一方面可以避免因其他节流支路负荷变化时，引起的电池直冷节流支路的波动，保证电池冷却温度的稳定性。

更进一步地，本发明通过板式交换器连接第一循环和第二循环，使得第二循环中的电机的余热能够通过板式换热器进入到第一循环中，用以对电池组或者乘员舱进行加热，有效地提高了热泵空调的能量效率。

根据下文结合附图对本发明具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本发明的上述以及其他目的、优点和特征。

附图说明

后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本发明的一些具体实施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人员应该理解，这些附图未必是按比例绘制的。附图中：

图1是根据本发明一个实施例的整体循环回路的示意图；

图2是根据本发明一个实施例的热泵空调系统的制冷模式原理示意图；

图3是根据本发明一个实施例的热泵空调系统的制热模式除霜/除雾功能原理示意图；

图4是根据本发明一个实施例的热泵空调系统的制热模式电池加热功能原理示意图；

图5是根据本发明一个实施例的热泵空调系统的制热模式极限工况下，电池加热功能原理示意图；

图6是根据本发明一个实施例的热泵空调系统的制热模式原理示意图；

图7是根据本发明一个实施例的热泵空调系统的加热/制冷混合模式功能原理示意图；

图8是根据本发明一个实施例的热泵空调系统的加热/制冷混合模式功能原理另一示意图；

图中：1-第一循环回路，10-冷却板，11-第一节流阀，12-第二节流阀，13-油液分离器，14-压缩机，15-第三节流阀，16-第三换热器，17-第四节流阀，18-蒸发器，19-第一换热器，191-辅助空气加热器，2-第二循环回路，20-膨胀水箱，21-水泵，22-电机总成，23-板式换热器，24-第二换热器，30-开关阀a，31-开关阀b，32-开关阀c，33-开关阀d，34-开关阀e，35-开关阀f，36-三通阀。

具体实施方式

在一个实施例中，如图1所示，一种集成电池热管理功能的车辆热泵空调系统，主要包括第一循环回路1和第二循环回路2，第一循环回路1上设置有冷却板10和第一节流阀11，其中冷却板10设置在靠近车辆的电池组的位置处，用于对电池包进行冷却或加热，第一节流阀11设置在冷却板10的入口端侧，第一节流阀11根据电池包的温度来调控第一循环回路1的温度和压力，从而控制电池包与制冷剂之间的温差在预设温差范围内，进而避免了电池组和制冷剂之间存在过大的温差而导致电池组内部空气出现冷凝水，引起电池单元短路。

本实施例中，通过设置第一节流阀11和第二节流阀12有效地控制流入冷却支路的制冷剂的流量，保证循环回路的制冷剂流量；同时第二节流阀设置成根据所述空调冷却支路的管路压力来调节所述第一循环回路的管路压力，保证所述空调冷却支路和所述第一循环回路的管路压差在预设压差范围内。

进一步地，本发明还能通过冷却板获取电池组的余热，使其交换到其他地方，可用于乘员舱的加热，这样就能有效地提升了热泵空调的能源效率，还能进一步的延长电池组的使用寿命。

在进一步的一个实施例中，如图1所示，第一循环回路1还包括空调冷却支路，空调冷却支路的两端并联在第一节流阀11的入口端侧和车辆的油液分离器13的入口端侧，用于对乘员舱进行冷却或加热。

更进一步的一个实施例中，如图1所示，第一循环回路上还设有第二节流阀12，第二节流阀的入口端与冷却板10的出口端连接，其出口端与油液分离器13的入口端连接，第二节流阀12根据空调冷却支路的管路压力来调节第一循环回路的管路压力，保证空调冷却支路和第一循环回路1的管路压差在预设压差范围内。

在一个实施例中，如图1所示，第一循环回路可选用制冷循环或制热循环，其中，在制热循环中，循环回路中设置有第一换热器19和辅助空气加热器191，用于对流经加热支路外侧的流体进行加热，使得制冷剂能够对电池或乘员舱进行制热处理。

进一步地，在制冷循环中，循环回路中设置有第三节流阀15和第三换热器16，用以对流经支路的制冷剂进行制冷，使得制冷剂能够对电池或乘员舱进行降温处理。

更进一步的，第一循环回路1中还设有若干的开关阀，通过各开关阀来控制循环回路中的通断。

在一个实施例中，如图1所示，本系统的第二循环回路主要包括：膨胀水箱20、水泵21、电动机22、板式换热、23和第二换热器24，工件依次进行连接，用以对电机进行换热，使电机一直处于预设温度的工作环境中。

进一步地，第一循环回路1与第二循环回路2通过板式换热器23进行热交换，用以对第二循环回路2的热量进行回收利用。

在制冷模式下，如图2所示，详见图中实线部分。制冷时，高温高压的气态制冷剂从压缩机14排出，进入第三换热器16冷凝为液态制冷剂，此时开关阀a30打开，开关阀f35关闭，第四节流阀15作为开关阀处于打开状态，第三换热器16与电池冷却支路和空调冷却支路连通，开关阀b31、开关阀c32和开关阀e34关闭，开关阀d33打开，第一节流阀11、第二节流阀12和第三节流阀17打开，并且第一节流阀11与第二节流阀12同步调整，制冷剂在冷却板10和蒸发器18中吸热蒸发为气态，然后在油液分离器13入口端汇合后，然后经油液分离器13进入压缩机14，形成制冷闭环回路。

其中，电池冷却支路中，第一节流阀11可通过调整开度，使得电进入冷却板10的制冷剂温度在合理的温度范围，避免与电池温度产生较大的温差，然后调整第二节流阀12的开度，进行二次节流，使得电池冷却支路和空调冷却支路的出口压力保持平衡，从而保证电池冷却支路的温度在合理的范围内，不致电池温度出现过冷；同时，在蒸发器18的负荷出现波动时，可保持第一节流阀11的开度，同时调整第二节流阀12的开度，以保证冷却板温度的稳定性。此为在电和乘员舱同时存在制冷需求的情况。

当电池制冷或乘员舱制冷的单需求时，可通过关闭第一节流阀11及第二节流阀12和第三节流阀15实现。如同时关闭第一节流阀11和第二节流阀12，打开第三节流阀17，则仅为乘员舱制冷，反之，关闭第三节流阀17，打开第一节流阀11和第二节流阀12，则仅为电池制冷。此外，在制冷模式，开关阀31b关闭，第一循环回路1与第二循环回路2不进行换热。

在制热模式下，第一循环回路1与第二循环回路2进行换热。实现余热回收利用。由于该模式下，功能实施例较多，下面将对制热模式的功能进行说明。

如图3所示，该模式为乘员舱热泵制热和除霜/除霜模式，详见图三中实线部分。在该模式下，高温高压的制冷剂从压缩机14排出，经开关阀f35进入第一换热器19，然后分别进入第三换热器16串联板式换热器23的节流支路和空调冷却支路；打开开关阀b31，开关阀d33关闭，第三换热器16与板式换热器23串联，通过板式换热器23吸收第二循环回路2或间接通过第二换热器24吸收环境空气的热量，使得进入压缩机14的制冷剂温度升高，进而提升热泵系统在低温下的性能和下限温度范围，尤其是在第二循环回路2的余热负荷大的情况下，可通过三通阀36使得制冷剂进入旁通回路，充分利用电机余热为乘员舱制热，同时也满足电机的冷却需求，提升热泵系统的能效，由于整个热量吸收都在电机回路的闭环中，可以避免因第三换热器16结霜造成的乘员舱温度的波动；在空调冷却支路中，通过第三节流阀17的节流作用，实现除霜/除雾功能。另外，在严寒环境条件下，可通过辅助空气加热器191，对乘员舱进行加热。

如图4所示，该模式为电池加热，详见图中实线部分。在该模式下，高温高压的制冷剂气体从压缩机14排出，经开关阀f35进入第一换热器19，然后通过第一节流阀11进入冷却板10，此时第一节流阀11为开关阀处于全开状态，第二节流阀12作为开关阀处于关闭状态，制冷剂在冷却板10中冷凝后，通过开关阀c32进入第三换热器16，制冷剂经过第四节流阀15的节流变为低温低压气态，在第三换热器16中吸收环境空气热量，然后从开关阀b31进入板式换热器23，在板式换热器23中吸收电机冷却的热量，最后经油液分离器13回到压缩机14。在该模式下，第一换热器19与电池冷却板10串联，可以有效降低系统的高压压力，增大过冷度，提升热泵系统的工作效率。另外，第一换热器19可选地为乘员舱提供热量。

如图5所示，该模式为极限工况下电池加热模式，详见图中实线部分。该模式下，高温高压的气态制冷剂从压缩机14排出，经开关阀f35进入第一换热器19，然后从第一节流阀11进入冷却板10，此时第一节流阀11作为开关阀处于全开状态，制冷剂在冷却板10冷凝后，通过第二节流阀12的节流成为低温低压的气体，进入油液分离器13，最后回到压缩机14。该模式下，压缩机14作为热源直接为电池加热提供热量，类似于PTC，需要第二节流阀12与压缩机14进行充分配合，以保证压缩机14入口制冷剂的过热度和干度，同时其热力学过程仅包括非等熵压缩过程、冷凝过程和节流膨胀过程。

如图6所示，该模式为极限工况下乘员舱加热，原理基本与极限工况下电池加热模式相同，详见图中实线部分。该模式下，高温高压的气态制冷剂从压缩机14排出，经开关阀f35进入第一换热器19进行冷凝，将热量释放给HVAC的空气来加热乘员舱，冷凝后的制冷剂经开关阀e34和开关阀c32进入第二节流阀12，此时开关阀e34和开关阀c32处于全开状态，然后经过第二节流阀12的节流成为低温低压的气体，回到油液分离器13，最后会到压缩机14。该模式下，压缩机14作为热源为电池加热提供热量，类似于PTC，需要第二节流阀12与压缩机14进行充分配合，以保证压缩机14入口制冷剂的过热度和干度，同时其热力学过程包括非等熵压缩过程、冷凝过程和节流膨胀过程。

如图7所示，该模式为加热/制冷混合模式，详见图中实线部分。该模式下，高温高压的气态制冷剂从压缩机14排出后，经开关阀a30后进入第一换热器19，与第三换热器16串联板式换热器23的节流支路、电池冷却板10节流支路和空调冷却支路等三个节流支路连通，在油液分离器13入口端混合后，经油液分离器13回到压缩机14。通过控制和开关阀e34、第一节流阀11、第二节流阀12和第三节流阀17的组合，上述三个节流支路可实现三个并联、任意两个并联或单个节流支路开启，以实现乘员舱制热和电池冷却、除霜/除雾和电池冷却及任意单一功能。在该模式，可充分利用外环境的热量、电机冷却系统环的余热和电池冷却的余热，有效地提升热泵系统的能效。

如图8所示，该模式同为加热/制冷混合模式，与图7所示的功能区别在于，冷却负荷相对较大的情况，如低温下电池超级快充，详见图中实线部分。该模式下，高温高压的气态制冷剂由压缩机14排出后，经开关阀a30和开关阀f35分别进入第三换热器16和第一换热器19，此时第三换热器16和第一换热器19并联且在出口端汇合，开关阀d33处于全开状态，然后与电池冷却支路和空调冷却支路连通且在出口端汇合，最后经由油液分离器13回到压缩机14，形成闭环回路。通过调控第三节流阀17，将电池冷却的热量一部分通过第三换热器16释放到环境中，一部分通过第一换热器19加热HVAC中的空气，为乘员舱提供热量。因此，该模式可以实现超低温条件下，既满足电池超级快充的冷却需求，又充分利用电池的余热为乘员舱采暖供热，提升系统的能量利用效率。

本发明还公开了一种车辆，包括如上述所述的车辆集成电池热管理功能的车辆热泵空调系统。

至此，本领域技术人员应认识到，虽然本文已详尽示出和描述了本发明的多个示例性实施例，但是，在不脱离本发明精神和范围的情况下，仍可根据本发明公开的内容直接确定或推导出符合本发明原理的许多其他变型或修改。因此，本发明的范围应被理解和认定为覆盖了所有这些其他变型或修改。

Claims (7)

1.一种集成电池热管理功能的车辆热泵空调系统，其特征在于，包括第一循环回路，所述第一循环回路上设置有：

冷却板，设置在靠近车辆的电池组的位置处，用于对电池包进行冷却或加热；

第一节流阀，设置在所述冷却板的入口端侧，所述第一节流阀设置成根据所述电池包的温度来调控所述第一循环回路的制冷剂的温度与压力，从而控制所述电池包与所述制冷剂之间的温差在预设温差范围内；

还包括：

空调冷却支路，其两端并联在所述第一节流阀的入口端侧和所述车辆的油液分离器的入口端侧，用于对乘员舱进行冷却或加热；

所述第一循环回路上还设置有：

第二节流阀，其入口端与所述冷却板的出口端连接，其出口端与所述油液分离器的入口端连接，所述第二节流阀设置成根据所述空调冷却支路的管路压力来调节所述第一循环回路的管路压力，保证所述空调冷却支路和所述第一循环回路的管路压差在预设压差范围内；并与所述第一节流阀协同调节所述第一循环回路的制冷剂流量，保证所述循环回路的流量需求。

2.根据权利要求1所述的车辆热泵空调系统，其特征在于，还包括：

加热支路，其入口端与所述车辆的压缩机的出口端连接，其出口端与所述第一节流阀的入口端并联连接，所述压缩机的入口端与所述油液分离器的出口端连接；

所述加热支路上设置有第一换热器，所述第一换热器用于对流经所述加热支路外侧的流体进行加热。

3.根据权利要求2所述的车辆热泵空调系统，其特征在于，所述加热支路上还设置有辅助空气加热器，所述辅助空气加热器设置成在所述加热支路外侧的流体低于预设温度时打开，以对所述加热支路外侧的流体进行加热。

4.根据权利要求3所述的车辆热泵空调系统，其特征在于，还包括第二循环回路，所述第二循环回路设置有：膨胀水箱、水泵、板式换热器和第二换热器，工件依次进行连接，用以对电机进行换热，使其处于预设温度的工作环境中。

5.根据权利要求4所述的车辆热泵空调系统，其特征在于，所述第一循环与所述第二循环通过所述板式换热器进行热交换，用以对所述第二循环的热量进行回收利用。

6.根据权利要求5所述的车辆热泵空调系统，其特征在于，所述第一循环还设有若干开关阀，用以控制循环支路中的通断。

7.一种车辆，包括如上述权利要求1-6中任一项所述的集成电池热管理功能的车辆热泵空调系统。