CN113997748A - 基于多通道换热器的氢能汽车热泵系统和氢能汽车 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于多通道换热器的氢能汽车热泵系统和氢能汽车，冷媒循环回路包括依次首尾连通的压缩机、内置冷凝器的第一通路、第一膨胀阀、多通道换热器的第一通路，冷媒的流动方向为从压缩机向内置冷凝器；暖风制热系统与PTC加热器、内置冷凝器的第二通路连通形成暖风制热回路；燃料电池循环系统与多通道换热器的第二通路连通形成燃料电池冷却回路；电机循环系统与多通道换热器的第三通路连通形成电机冷却回路。本发明提出的技术方案的有益效果是：运用多通道换热器可确保热泵系统在较低环温度下也能正常工作，满足乘员舱采暖需求，有效利用燃料电池系统和电机系统产生的废热，有利于降低PTC使用频率及能耗，增加整车的续航里程。
Description
技术领域
本发明涉及氢能汽车技术领域，尤其涉及一种基于多通道换热器的氢能汽车热泵系统和氢能汽车。
背景技术
燃料电池是一种将化学能转化为电能的发电装置，在不使用化石燃料的情况下，以氢气为燃料、空气/氧气为氧化剂，能够连续稳定地输出电能，产生水和热。伴随着燃料电池技术的发展，燃料电池汽车也得到了越来越广泛的关注，燃料电池汽车能够实现零污染、零排放，解决了纯电动汽车续航里程短等问题。
随着氢能源汽车的发展，如何最大程度的降低能耗，提高整车的续航里程，成为一种新的研究方向，一般纯电或氢能汽车在乘员舱需要取暖时采用PTC制热，不仅舒适度不好，而且消耗大量电能，影响整车的续航里程。
发明内容
有鉴于此，为解决上述问题，本发明的实施例提供了一种基于多通道换热器的氢能汽车热泵系统和氢能汽车。
本发明的实施例提供一种基于多通道换热器的氢能汽车热泵系统，包括：
冷媒循环回路，包括依次首尾连通的压缩机、内置冷凝器的第一通路、第一膨胀阀、多通道换热器的第一通路，在所述冷媒循环回路中，冷媒的流动方向为从所述压缩机向所述内置冷凝器；
暖风制热系统，与PTC加热器、所述内置冷凝器的第二通路连通形成暖风制热回路；
燃料电池循环系统，与所述多通道换热器的第二通路连通形成燃料电池冷却回路；以及，
电机循环系统，与所述多通道换热器的第三通路连通形成电机冷却回路。
进一步地，还包括外置冷凝器，所述外置冷凝器两端分别与所述内置冷凝器第一通路的出口端、所述压缩机的进口端连接，形成外界供热回路。
进一步地，所述压缩机、多通道换热器、外置冷凝器之间通过第一换向装置连接，所述第一换向装置用于控制所述压缩机与所述多通道换热器、所述外置冷凝器中的至少一个连通。
进一步地，还包括蒸发器和第二膨胀阀，所述外置冷凝器一端依次与第二膨胀阀、蒸发器连接后，通过所述第一换向装置与所述压缩机的进口端连接，所述第一换向装置控制所述压缩机与所述蒸发器连通或断开；
所述外置冷凝器另一端与所述压缩机的出口端、所述内置冷凝器第一通路的进口端通过第二换向装置连接，所述第二换向装置用于控制所述压缩机与所述内置冷凝器连接或与所述外置冷凝器连通。
进一步地，所述外置冷凝器设置有电子风扇。
进一步地，还包括电机散热器，所述电机散热器与电机循环系统连通形成电机散热回路。
进一步地，所述电机循环系统通过第三换向装置与电机散热器、多通道换热器连接，所述第三换向装置用于控制所述电机循环系统与所述电机散热器、所述多通道换热器中的至少一个连通。
进一步地，还包括燃料电池散热器，所述燃料电池散热器与燃料电池循环系统连通形成燃料电池散热回路。
进一步地，所述燃料电池循环系统通过第四换向装置与燃料电池散热器、多通道换热器连接，所述第四换向装置用于控制所述燃料电池循环系统与所述燃料电池散热器、所述多通道换热器中的至少一个连通。
本发明的实施例还提供一种氢能汽车，包括如上所述的基于多通道换热器的氢能汽车热泵系统。
本发明的实施例提供的技术方案带来的有益效果是：在低温环境下，车辆内温度较低，车辆在启动过程中燃料电池系统和电机的运转会产生热量，氢能汽车燃料电池系统工作时冷却液温度能达到80℃，电机工作时冷却液温度能达到70℃，燃料电池冷却回路、电机冷却回路可与冷媒循环回路通过多通道换热器进行热交换，冷媒循环回路中的冷媒从燃料电池冷却回路、电机冷却回路中获取热量，通过内置冷凝器，可将冷媒的热量传递至乘员舱。通过运用多通道换热器，可确保热泵系统在较低环温度下也能正常工作，满足乘员舱采暖需求，同时有效利用燃料电池系统和电机系统产生的废热，有利于降低PTC使用频率及能耗，增加整车的续航里程。
附图说明
图1是本发明提供的基于多通道换热器的氢能汽车热泵系统一实施例的结构示意图。
图中：压缩机1、内置冷凝器2、第一膨胀阀3、多通道换热器4、PTC加热器5、外置冷凝器6、第一换向装置7、蒸发器8、第二膨胀阀9、电子风扇10、电机散热器11、第三换向装置12、燃料电池散热器13、第四换向装置14、暖风芯体15、第一电子水泵16、燃料电池系统17、第二电子水泵18、液气分离器19、暖风风扇20、电机系统21、第三电子水泵22、第二换向装置23。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地描述。
本发明的实施例提供一种基于多通道换热器的氢能汽车热泵系统和氢能汽车，只要包括基于多通道换热器的氢能汽车热泵系统的氢能汽车都属于本发明保护的范围，其创新点在于基于多通道换热器的氢能汽车热泵系统，以下对基于多通道换热器的氢能汽车热泵系统进行具体说明。
请参见图1，基于多通道换热器的氢能汽车热泵系统包括冷媒循环回路、暖风制热系统、燃料电池循环系统和电机循环系统。
冷媒循环回路包括依次首尾连通的压缩机1、内置冷凝器2的第一通路、第一膨胀阀3、多通道换热器4的第一通路，压缩机1与多通道换热器4连接形成回路，所述压缩机1的进口端连接有液气分离器19，在所述冷媒循环回路中，冷媒的流动方向为从所述压缩机1向所述内置冷凝器2，内置冷凝器2内置于乘员舱内。
暖风制热系统与PTC加热器5、所述内置冷凝器2的第二通路连通形成暖风制热回路，暖风制热系统包括依次连接的暖风芯体15和第一电子水泵16，暖风芯体15设置有暖风风扇16。
燃料电池循环系统与所述多通道换热器4的第二通路连通形成燃料电池冷却回路，燃料电池循环系统包括依次连接的燃料电池系统17、第二电子水泵18。电机循环系统与所述多通道换热器4的第三通路连通形成电机冷却回路，电机循环系统包括电机系统、第三电子水泵22，电机系统为电机/电控/DC等高压设备。本实施例中，多通道换热器4为三通道板式换热器。
在低温环境下，车辆内温度较低，车辆在启动过程中燃料电池系统17和电机系统21的运转会产生热量，氢能汽车燃料电池系统17工作时冷却液温度能达到80℃，电机系统21工作时冷却液温度能达到70℃，燃料电池冷却回路、电机冷却回路可与冷媒循环回路通过多通道换热器4进行热交换，冷媒循环回路中的冷媒从燃料电池冷却回路、电机冷却回路中获取热量，通过内置冷凝器2，可将冷媒的热量传递至乘员舱。通过利用多通道换热器4，可确保热泵系统在较低环温度下也能正常工作，满足乘员舱采暖需求，同时有效利用燃料电池系统17和电机系统21产生的废热，有利于降低PTC使用频率及能耗，增加整车的续航里程。
进一步地，基于多通道换热器的氢能汽车热泵系统还包括外置冷凝器6，所述外置冷凝器6两端分别与所述内置冷凝器2第一通路的出口端、所述压缩机1的进口端连接，形成外界供热回路。
当外界温度较高时，将外界环境作为热源，通过外置冷凝器6蒸发吸热的传统热泵模式，外界供热回路中冷媒的流向为压缩机1-内置冷凝器2-外置冷凝器6-液气分离器19-压缩机1，外置冷凝器6从外界环境吸热，内置冷凝器2将热量传递给暖风制热回路。
具体地，所述压缩机1、多通道换热器4、外置冷凝器6之间通过第一换向装置7连接，所述第一换向装置7用于控制所述压缩机1与所述多通道换热器4、所述外置冷凝器6中的至少一个连通。
控制压缩机1与多通道换热器4连通时，利用燃料电池系统17、电机系统21向乘员舱供热，控制压缩机1与外置冷凝器6连通时，利用外界环境中温度向乘员舱供热，或同时利用燃料电池系统17、电机系统21和外界环境向乘员舱供热。通过设置有第一换向装置7，可根据燃料电池系统17、电机系统21是否有冷却需求，是否需要外界环境供热等实际情况，控制供热方式。
进一步地，基于多通道换热器的氢能汽车热泵系统还包括蒸发器8和第二膨胀阀9，所述外置冷凝器6一端依次与第二膨胀阀9、蒸发器8连接后，通过所述第一换向装置7与所述压缩机1的进口端连接，所述第一换向装置7控制所述压缩机1与所述蒸发器8连通或断开。本实施例中，第一换向装置7为四通阀，通过控制四通阀四个接口的开启，即可实现各回路的连通。在其他实施例中，第一换向装置7可以为两个三通阀或多个截止阀。
外置冷凝器6另一端与所述压缩机1的出口端、所述内置冷凝器2第一通路的进口端通过第二换向装置23连接，所述第二换向装置23用于控制所述压缩机1与所述内置冷凝器2连接或与所述外置冷凝器6连通。本实施例中，第二换向装置23为三通阀，通过控制三通阀三个接口的开启，即可实现压缩机1与内置冷凝器2连接或与外置冷凝器6连通。在其他实施例中，第二换向装置23可以为多个截止阀。
压缩机1的出口端与外置冷凝器6连通，压缩机1的进口端与蒸发器8连通时，汽车可开启空调制冷模式，通过调节第二换向装置23，将冷媒流向调整为：压缩机1-第二换向装置23-外置冷凝器6-第二膨胀阀9-蒸发器8-液气分离器19-压缩机1，即可恢复到传统的制冷模式。所述外置冷凝器6设置有电子风扇10，加速外置冷凝器6的散热。
进一步地，基于多通道换热器的氢能汽车热泵系统还包括电机散热器11和燃料电池散热器13，所述电机散热器11与电机循环系统连通形成电机散热回路，所述燃料电池散热器13与燃料电池循环系统连通形成燃料电池散热回路。
具体地，所述电机循环系统通过第三换向装置12与电机散热器11、多通道换热器4连接，所述第三换向装置12用于控制所述电机循环系统与所述电机散热器11、所述多通道换热器4中的至少一个连通。所述燃料电池循环系统通过第四换向装置14与燃料电池散热器13、多通道换热器4连接，所述第四换向装置14用于控制所述燃料电池循环系统与所述燃料电池散热器13、所述多通道换热器4中的至少一个连通。本实施例中，第三换向装置12和第四换向装置14为三通阀，其他实施例中，第三换向装置12和第四换向装置14可以为多个截止阀。
当燃料电池系统17、电机系统21产生的热量超过了乘员舱所需的热量，通过设置有电机散热器11和燃料电池散热器13，可将多余的热量通过电机散热器11和燃料电池散热器13进行散热，实现电机系统21和燃料电池系统17的冷却过程，确保电机循环系统和燃料电池循环系统中的水温满足需求。通过第三换向装置12和第四换向装置14的设置，可以根据电机系统21和燃料电池系统17产生的热量对电机系统21散热和燃料电池系统17散热进行选择。
本发明提供的基于多通道换热器的氢能汽车热泵系统具有热泵制热模式、PTC加热器制热模式和制冷模式。
热泵制热模式包括三种工作模式：
1、当环境温度较低，乘员舱有制热需求，同时电机系统21和燃料电池系统17无冷却需求的情况下，将外界环境作为热源，冷媒的流向为：压缩机1-第二换向装置23-内置冷凝器2(传递热量给暖风制热回路)-外置冷凝器6(外置蒸发吸热)-第一换向装置7-液气分离器19-压缩机1。
热泵系统通过外置冷凝器6进行蒸发吸热，内置冷凝器2将外界环境的热量传递给暖风制热回路为乘员舱进行加热，完成乘员舱加热过程。
2、当环境温度较低、乘员舱有制热需求，同时电机系统21或者燃料电池系统17有冷却需求的情况下，冷媒的流向为：压缩机1-第二换向装置23-内置冷凝器2(传递热量给暖风制热回路)-多通道换热器4(与燃料电池冷却回路/电机冷却回路之间热交换)-第一换向装置7-液气分离器19-压缩机1。
通过多通道换热器4，把电机系统21/燃料电池系统17的热量作为热泵热源，把热量传递给暖风制热回路为乘员舱进行加热，完成乘员舱加热过程，实现电机系统21/燃料电池系统17废热回收。
在该模式下，如果电机系统21/燃料电池系统17散热量较大，超出热泵取热能力，则通过控制第三换向装置12和第四换向装置14，对流经多通道换热器4的电机冷却回路和燃料电池冷却回路的冷却液流量进行调节，电机冷却回路中多余的热量经由电机散热器11进行散热，燃料电池冷却回路中多余的热量经由燃料电池散热器13进行散热，实现电机系统21和燃料电池系统17的冷却过程，确保上述两个冷却回路水温满足需求。
3、当环境温度较低，乘员舱有制热需求，同时电机系统21/燃料电池系统17都有冷却需求，如果热泵系统从电机冷却回路和燃料电池冷却回路的取热功率，不能满足乘员舱制热需求的情况下，冷媒的流向为：压缩机1-第二换向装置23-内置冷凝器2(传递热量给暖风制热回路)-多通道换热器4+外置冷凝器6-第一换向装置7-液气分离器19-压缩机1。
多通道换热器4和外界环境同时作为热源，热泵系统同时从电机冷却回路、燃料电池冷却回路和外界环境取热，经内置冷凝器2，把热量传递给暖风制热回路为乘员舱进行加热。
PTC加热器制热模式
1、在停车充电工况下，乘员舱有加热需求，为了实现乘员舱内温度快速响应，直接采用暖风制热回路中的高压PTC加热器5进行加热。
2、在行驶工况下，当环境温度非常低，极寒(-40℃)条件下，热泵系统无法正常工作，采用暖风制热回路的高压PTC加热器5进行加热。
制冷模式
当汽车开启空调制冷模式时，通过调整第二换向装置23，冷媒的流向为：压缩机1-第二换向装置23-外置冷凝器6-第二膨胀阀9-蒸发器8-液气分离器19-压缩机1，恢复到传统的制冷模式即可。
在本文中，所涉及的前、后、上、下等方位词是以附图中零部件位于图中以及零部件相互之间的位置来定义的，只是为了表达技术方案的清楚及方便。应当理解，所述方位词的使用不应限制本申请请求保护的范围。
在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于多通道换热器的氢能汽车热泵系统，其特征在于，包括：
冷媒循环回路，包括依次首尾连通的压缩机、内置冷凝器的第一通路、第一膨胀阀、多通道换热器的第一通路，在所述冷媒循环回路中，冷媒的流动方向为从所述压缩机向所述内置冷凝器；
暖风制热系统，与PTC加热器、所述内置冷凝器的第二通路连通形成暖风制热回路；
燃料电池循环系统，与所述多通道换热器的第二通路连通形成燃料电池冷却回路；以及，
电机循环系统，与所述多通道换热器的第三通路连通形成电机冷却回路。
2.如权利要求1所述的基于多通道换热器的氢能汽车热泵系统，其特征在于，还包括外置冷凝器，所述外置冷凝器两端分别与所述内置冷凝器第一通路的出口端、所述压缩机的进口端连接，形成外界供热回路。
3.如权利要求2所述的基于多通道换热器的氢能汽车热泵系统，其特征在于，所述压缩机、多通道换热器、外置冷凝器之间通过第一换向装置连接，所述第一换向装置用于控制所述压缩机与所述多通道换热器、所述外置冷凝器中的至少一个连通。
4.如权利要求3所述的基于多通道换热器的氢能汽车热泵系统，其特征在于，还包括蒸发器和第二膨胀阀，所述外置冷凝器一端依次与第二膨胀阀、蒸发器连接后，通过所述第一换向装置与所述压缩机的进口端连接，所述第一换向装置控制所述压缩机与所述蒸发器连通或断开；
所述外置冷凝器另一端与所述压缩机的出口端、所述内置冷凝器第一通路的进口端通过第二换向装置连接，所述第二换向装置用于控制所述压缩机与所述内置冷凝器连接或与所述外置冷凝器连通。
5.如权利要求4所述的基于多通道换热器的氢能汽车热泵系统，其特征在于，所述外置冷凝器设置有电子风扇。
6.如权利要求1所述的基于多通道换热器的氢能汽车热泵系统，其特征在于，还包括电机散热器，所述电机散热器与电机循环系统连通形成电机散热回路。
7.如权利要求6所述的基于多通道换热器的氢能汽车热泵系统，其特征在于，所述电机循环系统通过第三换向装置与电机散热器、多通道换热器连接，所述第三换向装置用于控制所述电机循环系统与所述电机散热器、所述多通道换热器中的至少一个连通。
8.如权利要求1所述的基于多通道换热器的氢能汽车热泵系统，其特征在于，还包括燃料电池散热器，所述燃料电池散热器与燃料电池循环系统连通形成燃料电池散热回路。
9.如权利要求8所述的基于多通道换热器的氢能汽车热泵系统，其特征在于，所述燃料电池循环系统通过第四换向装置与燃料电池散热器、多通道换热器连接，所述第四换向装置用于控制所述燃料电池循环系统与所述燃料电池散热器、所述多通道换热器中的至少一个连通。
10.一种氢能汽车，其特征在于，包括如权利要求1至9任意一项所述的基于多通道换热器的氢能汽车热泵系统。
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