CN114475147A - 一种混合动力汽车热管理系统及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种混合动力汽车热管理系统，包括发动机、排气热交换器、采暖水泵、水暖PTC、第一温度传感器、三通控制阀、集成换热器、电池水泵、第二温度传感器、电池、第三温度传感器和空调暖风芯体，所述发动机包括发动机水泵和节温器；所述排气热交换器包括电子三通控制阀、排气加热器和排气旁通管路。本系统将发动机燃烧废气的热能回收利用，在环境温度较低时，以冷却液为热能搬运载体，利用发动机燃烧废气的热能给电池和空调暖风加热，提升客户对空调暖风的使用体验感，保证电池性能稳定；同时水暖PTC只通过冷却液，无需电加热，节省电池电量，增加电池续航里程，节省用车成本。
Description
技术领域
本发明涉及热能管理技术领域，具体涉及一种混合动力汽车热管理系统及其控制方法。
背景技术
当汽车在冬季或者寒冷地区，由于混合动力车型（包含增程式）通常采用发动机冷却液的余热给空调取暖，而发动机冷启动阶段，暖机过程较长，空调暖风升温较慢，不足以满足客户对空调快速取暖的需要。并且，混合动力车型（包含增程式）在低温环境下存在续航里程严重缩水的问题，目前混合动力汽车采用的电池主要分三元锂电池和磷酸铁锂电池两类，低温时，锂离子的化学活性比较低，导致电池的性能下降；电池电解液在低温下会变粘稠，导致电阻变大；电池的容量也会随着温度的下降而迅速下降。为了保证电池性能稳定和电池容量的高利用率，当电池的温度较低时，需要对电池进行加热。
现有技术主要利用PTC加热电池及空调暖风，但存在以下缺点：1）为了保证加热的效果，一般需要增加一个或多个PTC加热片，成本增加较高；2）PTC加热器的原理是利用车辆电池供电给PTC总成，PTC总成产生的热量传递给水套内的冷却液，使冷却液的温度升高，输送给电池或空调暖风加热，此过程会消耗电池的电量，影响电池的续航里程；3）当电池电量较低，环境温度低于-20℃时，混动车型冷启动阶段，电池的电量主要用于启动发动机或供电给驱动电机来驱动车辆，输出给PTC的功率有限，此工况下PTC加热时间比较长，而且电热效率比较低。
发明内容
本发明主要是为了解决现有技术中PTC加热电池及空调暖风消耗电池电量、成本高、效率低的问题，提供了一种混合动力汽车热管理系统及其控制方法，在环境温度较低时，利用发动机燃烧废气的热能给电池和空调暖风加热，提升客户对空调暖风的使用体验感，保证电池性能的稳定性，同时增加电池续航里程，节省用车成本。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种混合动力汽车热管理系统，包括发动机、排气热交换器、采暖水泵、水暖PTC、第一温度传感器、三通控制阀、集成换热器、电池水泵、第二温度传感器、电池、第三温度传感器和空调暖风芯体，所述发动机包括发动机水泵和节温器；所述排气热交换器包括电子三通控制阀、排气加热器和排气旁通管路。为了解决现有技术PTC加热电池及空调暖风消耗电池电量，影响电池续航里程；成本增加较高；加热时间长，客户使用体验感较差的问题，本发明提供了一种混合动力汽车热管理系统，包括发动机、排气热交换器、采暖水泵、水暖PTC、第一温度传感器、三通控制阀、集成换热器、电池水泵、第二温度传感器、电池、第三温度传感器和空调暖风芯体，发动机包括发动机水泵和节温器；排气热交换器包括电子三通控制阀、排气加热器和排气旁通管路。三通控制阀包括V1端、V2端和V3端，发动机出水口、排气热交换器、采暖水泵、水暖PTC、第一温度传感器和三通控制阀的V1端依次串联，构成主路；三通控制阀的V2端串联空调暖风芯体后与发动机的进水口相连，构成空调暖风加热支路；三通控制阀的V3端连接集成换热器的第一进水口，集成换热器的第一出水口依次串联电池水泵、第二温度传感器、电池、第三温度传感器后与集成换热器的第二进水口连接，集成换热器的第二出水口与发动机的进水口相连，构成电池加热支路。发动机的冷却液通过节温器流到排气热交换器，排气热交换器的电子三通控制阀将发动机的燃烧废气热气流切换到排气加热器对冷却液进行加热，即以冷却液作为运输发动机燃烧废气热能的载体。当三通控制阀的V1端、V2端打开，V3端关闭时，发动机的冷却液通过节温器依次经过排气热交换器、采暖水泵、水暖PTC到三通控制阀的V1端，然后从三通控制阀的V2端流出，到达空调暖风芯体，给空调暖风加热，供热后的冷却液从空调暖风芯体的出水口流出，到达发动机水泵，完成空调暖风加热。当三通控制阀的V1端、V3端打开，V2端关闭时，发动机的冷却液通过节温器依次经过排气热交换器、采暖水泵、水暖PTC到三通控制阀的V1端，然后从三通控制阀的V3端流出，到达集成换热器，从集成换热器的第一出水口流出，通过电池水泵到达电池，给电池加热，供热后的冷却液从电池的出水口流出，通过集成换热器的第二进水口进入集成换热器，然后从集成换热器的第二出水口流出，到达发动机水泵，完成电池加热。当三通控制阀的V1端、V2端、V3端均打开时，实现电池和空调暖风双加热功能。本系统将发动机燃烧废气的热能回收利用，在环境温度较低时，以冷却液为热能搬运载体，利用发动机燃烧废气的热能给电池和空调暖风加热，提升客户对空调暖风的使用体验感，保证电池性能稳定；同时，由于水暖PTC只通过冷却液，无需电加热，节省电池电量，增加电池续航里程，节省用车成本。另外，当环境温度较高，不需要给电池和空调暖风加热时，发动机的冷却液通过节温器流到排气热交换器，排气热交换器的电子三通控制阀将发动机的燃烧废气热气流切换到排气旁通管路，同时冷却液通过排气加热器进行水循环，此过程热气流不经过排气加热器不对冷却液进行加热，故不会给发动机冷却系统带来额外的负担。当环境温度较低，且混合动力汽车（包含增程式）燃油耗尽，发动机无法启动时，可以通过水暖PTC给电池或空调暖风加热。
作为优选，所述发动机、排气热交换器、采暖水泵、水暖PTC、第一温度传感器依次串联后与所述三通控制阀的V1端连接。本系统发动机出水口、排气热交换器、采暖水泵、水暖PTC、第一温度传感器和三通控制阀的V1端依次串联，构成主路。发动机的冷却液通过节温器流到排气热交换器，需要给电池或空调暖风加热时，排气热交换器的电子三通控制阀将发动机的燃烧废气热气流切换到排气加热器对冷却液进行加热；不需要给电池和空调暖风加热时，排气热交换器的电子三通控制阀将发动机的燃烧废气热气流切换到排气旁通管路，同时冷却液通过排气加热器进行水循环。
作为优选，所述三通控制阀的V2端连接所述空调暖风芯体后与所述发动机的进水口相连。三通控制阀的V2端串联空调暖风芯体后与发动机的进水口相连，即与发动机水泵相连，构成空调暖风加热支路。
作为优选，所述三通控制阀的V3端与所述集成换热器的第一进水口连接，集成换热器的第一出水口依次串联电池水泵、第二温度传感器、电池、第三温度传感器后与集成换热器的第二进水口连接，集成换热器的第二出水口与所述发动机的进水口相连。三通控制阀的V3端连接集成换热器的第一进水口，集成换热器的第一出水口依次串联电池水泵、第二温度传感器、电池、第三温度传感器后与集成换热器的第二进水口连接，集成换热器的第二出水口与发动机的进水口相连，即与发动机水泵相连，构成电池加热支路。
一种混合动力汽车热管理系统控制方法，适用于上述的一种混合动力汽车热管理系统，包括电池独立加热策略、空调暖风独立加热策略和双加热策略。环境温度较低时，为了保证电池性能稳定及提升客户对空调暖风的使用体验感，需要给电池、空调暖风加热，采用上述的一种混合动力汽车热管理系统，以发动机冷却液为热能运输载体，回收利用发动机燃烧废气的热能，将三通控制阀的V2端关闭，V1端、V3端打开，实现电池独立加热策略，保证电池性能的稳定；将三通控制阀的V3端关闭，V1端、V2端打开，实现空调暖风独立加热策略，提升客户对空调暖风的使用体验感；将三通控制阀的V1端、V2端、V3端打开，实现双加热策略，同时给电池和空调暖风加热。上述加热过程中，水暖PTC只通过冷却液，无需电加热，节省电池电量，增加电池续航里程，节省用车成本。环境温度较高时，不需要给电池、空调暖风加热，采用不加热策略，发动机的冷却液通过节温器流到排气热交换器，排气热交换器的电子三通控制阀将发动机的燃烧废气热气流切换到排气旁通管路，同时冷却液通过排气加热器进行水循环，此过程热气流不经过排气加热器不对冷却液进行加热，故不会给发动机冷却系统带来额外的负担。当环境温度较低，且混合动力汽车（包含增程式）燃油耗尽，发动机无法启动时，可以通过水暖PTC给电池或空调暖风加热。
作为优选，所述电池独立加热策略的具体过程为：发动机的冷却液通过节温器流到排气热交换器，排气热交换器的电子三通控制阀将发动机的燃烧废气热气流切换到排气加热器对冷却液进行加热，加热后的冷却液通过采暖水泵流到水暖PTC，第一温度传感器监测经过水暖PTC的冷却液温度；三通控制阀的V2端关闭，V1端、V3端打开，冷却液通过三通控制阀的V3端流到集成换热器，集成换热器根据第二温度传感器监测的温度，调节冷却液温度，然后冷却液通过电池水泵进入电池，为电池加热；电池出水口流出的散热后的冷却液进入集成换热器，集成换热器根据第三温度传感器监测的温度，调节冷却液温度，最后冷却液流入发动机水泵。当三通控制阀的V1端、V3端打开，V2端关闭时，发动机的冷却液通过节温器依次经过排气热交换器、采暖水泵、水暖PTC到三通控制阀的V1端，然后从三通控制阀的V3端流出，到达集成换热器，从集成换热器的第一出水口流出，通过电池水泵到达电池，给电池加热，供热后的冷却液从电池的出水口流出，通过集成换热器的第二进水口进入集成换热器，然后从集成换热器的第二出水口流出，到达发动机水泵，完成电池加热。
作为优选，所述空调暖风独立加热策略的具体过程为：发动机的冷却液通过节温器流到排气热交换器，排气热交换器的电子三通控制阀将发动机的燃烧废气热气流切换到排气加热器对冷却液进行加热，加热后的冷却液通过采暖水泵流到水暖PTC，第一温度传感器监测经过水暖PTC的冷却液温度；三通控制阀的V3端关闭，V1端、V2端打开，冷却液通过三通控制阀的V2端流到空调暖风芯体，为空调暖风加热；最后空调暖风芯体出水口流出的散热后的冷却液进入发动机水泵。当三通控制阀的V1端、V2端打开，V3端关闭时，发动机的冷却液通过节温器依次经过排气热交换器、采暖水泵、水暖PTC到三通控制阀的V1端，然后从三通控制阀的V2端流出，到达空调暖风芯体，给空调暖风加热，供热后的冷却液从空调暖风芯体的出水口流出，到达发动机水泵，完成空调暖风加热。
作为优选，所述双加热策略的具体过程为：发动机的冷却液通过节温器流到排气热交换器，排气热交换器的电子三通控制阀将发动机的燃烧废气热气流切换到排气加热器对冷却液进行加热，加热后的冷却液通过采暖水泵流到水暖PTC，第一温度传感器监测经过水暖PTC的冷却液温度；三通控制阀的V1端、V2端、V3端打开，冷却液通过三通控制阀的V3端流到集成换热器，集成换热器根据第二温度传感器监测的温度，调节冷却液温度，然后冷却液通过电池水泵进入电池，为电池加热，电池出水口流出的散热后的冷却液进入集成换热器，集成换热器根据第三温度传感器监测的温度，调节冷却液温度，最后冷却液流入发动机水泵；同时，冷却液通过三通控制阀的V2端流到空调暖风芯体，为空调暖风加热，最后空调暖风芯体出水口流出的散热后的冷却液进入发动机水泵。当三通控制阀的V1端、V2端、V3端均打开时，同时给电池和空调暖风加热。
作为优选，还包括不加热策略，所述不加热策略的具体过程为：发动机的冷却液通过节温器流到排气热交换器，排气热交换器的电子三通控制阀将发动机的燃烧废气热气流切换到排气旁通管路，同时冷却液通过排气加热器进行水循环。此过程热气流不经过排气加热器不对冷却液进行加热，故不会给发动机冷却系统带来额外的负担。
因此，本发明的优点是：
（1）将发动机燃烧废气的热能回收并加以利用，在冬天环境温度较低时，通过排气热交换器给电池和空调暖风加热，加热速度快，并且大多数工况下无需PTC加热，节省电池电量，增加电池续航里程，节省用车成本；
（2）解决冬天空调暖风升温慢、电池电量消耗快的问题，提升客户对空调暖风的使用体验感；
（3）当电池和空调暖风无需加热时，不会给发动机冷却系统带来额外的负担。
附图说明
图1是本发明实施例中一种混合动力汽车热管理系统的结构示意图。
1、发动机 2、排气热交换器 3、采暖水泵 4、水暖PTC 5、第一温度传感器 6、三通控制阀 7、集成换热器 8、电池水泵 9、第二温度传感器 10、电池 11、第三温度传感器 12、空调暖风芯体 13、发动机水泵 14、节温器。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明做进一步的描述。
实施例一：
如图1所示，一种混合动力汽车热管理系统，包括发动机1、排气热交换器2、采暖水泵3、水暖PTC4、第一温度传感器5、三通控制阀6、集成换热器7、电池水泵8、第二温度传感器9、电池10、第三温度传感器11和空调暖风芯体12，发动机1包括发动机水泵13和节温器14；排气热交换器2包括电子三通控制阀、排气加热器和排气旁通管路。发动机1的冷却液通过节温器14流到排气热交换器2，需要给电池或空调暖风加热时，排气热交换器2的电子三通控制阀将发动机1的燃烧废气热气流切换到排气加热器对冷却液进行加热；不需要给电池和空调暖风加热时，排气热交换器2的电子三通控制阀将发动机1的燃烧废气热气流切换到排气旁通管路，同时冷却液通过排气加热器进行水循环。三通控制阀6包括V1端、V2端和V3端，发动机1出水口、排气热交换器2、采暖水泵3、水暖PTC4、第一温度传感器5和三通控制阀6的V1端依次串联，构成主路；三通控制阀6的V2端串联空调暖风芯体12后与发动机1的进水口相连，构成空调暖风加热支路；三通控制阀6的V3端连接集成换热器7的第一进水口，集成换热器7的第一出水口依次串联电池水泵8、第二温度传感器9、电池10、第三温度传感器11后与集成换热器7的第二进水口连接，集成换热器7的第二出水口与发动机1的进水口相连，构成电池加热支路。当三通控制阀6的V1端、V2端打开，V3端关闭时，发动机1的冷却液通过节温器14依次经过排气热交换器2、采暖水泵3、水暖PTC4到三通控制阀6的V1端，然后从三通控制阀6的V2端流出，到达空调暖风芯体12，给空调暖风加热，供热后的冷却液从空调暖风芯体12的出水口流出，到达发动机水泵13，完成空调暖风加热。当三通控制阀6的V1端、V3端打开，V2端关闭时，发动机1的冷却液通过节温器14依次经过排气热交换器2、采暖水泵3、水暖PTC4到三通控制阀6的V1端，然后从三通控制阀6的V3端流出，到达集成换热器7，从集成换热器7的第一出水口流出，通过电池水泵8到达电池10，给电池加热，供热后的冷却液从电池10的出水口流出，通过集成换热器7的第二进水口进入集成换热器7，然后从集成换热器7的第二出水口流出，到达发动机水泵13，完成电池加热。当三通控制阀6的V1端、V2端、V3端均打开时，发动机1的冷却液通过节温器14依次经过排气热交换器2、采暖水泵3、水暖PTC4到三通控制阀6的V1端，然后从三通控制阀6的V2端和V3端流出，分别给空调暖风和电池加热，供热后的冷却液分别从空调暖风芯体12的出水口和集成换热器7的第二出水口流出，到达发动机水泵13，完成电池和空调暖风同时加热。上述加热过程，水暖PTC4只通过冷却液，无需电加热。当环境温度较低，且混合动力汽车（包含增程式）燃油耗尽，发动机1无法启动时，通过水暖PTC4给电池或空调暖风加热。
实施例二;
一种混合动力汽车热管理系统控制方法，适用于上述的一种混合动力汽车热管理系统，包括电池独立加热策略、空调暖风独立加热策略和双加热策略。环境温度较低时，为了保证电池性能稳定及提升客户对空调暖风的使用体验感，需要给电池、空调暖风加热，采用上述的一种混合动力汽车热管理系统，以发动机1冷却液为热能运输载体，回收利用发动机1燃烧废气的热能，将三通控制阀6的V2端关闭，V1端、V3端打开，实现电池独立加热策略；将三通控制阀6的V3端关闭，V1端、V2端打开，实现空调暖风独立加热策略；将三通控制阀6的V1端、V2端、V3端打开，实现双加热策略，同时给电池和空调暖风加热。上述加热过程中，水暖PTC4只通过冷却液，无需电加热。环境温度较高时，不需要给电池、空调暖风加热，采用不加热策略，发动机1的冷却液通过节温器14流到排气热交换器2，排气热交换器2的电子三通控制阀将发动机1的燃烧废气热气流切换到排气旁通管路，同时冷却液通过排气加热器进行水循环。当环境温度较低，且混合动力汽车（包含增程式）燃油耗尽，发动机1无法启动时，通过水暖PTC4给电池或空调暖风加热。
电池独立加热策略的具体过程为：发动机1的冷却液通过节温器14流到排气热交换器2，排气热交换器2的电子三通控制阀将发动机1的燃烧废气热气流切换到排气加热器对冷却液进行加热，加热后的冷却液通过采暖水泵3流到水暖PTC4，第一温度传感器5监测经过水暖PTC4的冷却液温度；三通控制阀6的V2端关闭，V1端、V3端打开，冷却液通过三通控制阀6的V3端流到集成换热器7，集成换热器7根据第二温度传感器9监测的温度，调节冷却液温度，然后冷却液通过电池水泵8进入电池10，为电池加热；电池10出水口流出的散热后的冷却液进入集成换热器7，集成换热器7根据第三温度传感器11监测的温度，调节冷却液温度，最后冷却液流入发动机水泵13。
空调暖风独立加热策略的具体过程为：发动机1的冷却液通过节温器14流到排气热交换器2，排气热交换器2的电子三通控制阀将发动机1的燃烧废气热气流切换到排气加热器对冷却液进行加热，加热后的冷却液通过采暖水泵3流到水暖PTC4，第一温度传感器5监测经过水暖PTC4的冷却液温度；三通控制阀6的V3端关闭，V1端、V2端打开，冷却液通过三通控制阀6的V2端流到空调暖风芯体12，为空调暖风加热；最后空调暖风芯体12出水口流出的散热后的冷却液进入发动机水泵13。
双加热策略的具体过程为：发动机1的冷却液通过节温器14流到排气热交换器2，排气热交换器2的电子三通控制阀将发动机1的燃烧废气热气流切换到排气加热器对冷却液进行加热，加热后的冷却液通过采暖水泵3流到水暖PTC4，第一温度传感器5监测经过水暖PTC4的冷却液温度；三通控制阀6的V1端、V2端、V3端打开，冷却液通过三通控制阀6的V3端流到集成换热器7，集成换热器7根据第二温度传感器9监测的温度，调节冷却液温度，然后冷却液通过电池水泵8进入电池10，为电池加热，电池10出水口流出的散热后的冷却液进入集成换热器7，集成换热器7根据第三温度传感器11监测的温度，调节冷却液温度，最后冷却液流入发动机水泵13；同时，冷却液通过三通控制阀6的V2端流到空调暖风芯体12，为空调暖风加热，最后空调暖风芯体12出水口流出的散热后的冷却液进入发动机水泵13。
Claims (9)
1.一种混合动力汽车热管理系统，其特征在于，包括发动机、排气热交换器、采暖水泵、水暖PTC、第一温度传感器、三通控制阀、集成换热器、电池水泵、第二温度传感器、电池、第三温度传感器和空调暖风芯体，所述发动机包括发动机水泵和节温器；所述排气热交换器包括电子三通控制阀、排气加热器和排气旁通管路。
2.根据权利要求1所述的一种混合动力汽车热管理系统，其特征在于，所述发动机、排气热交换器、采暖水泵、水暖PTC、第一温度传感器依次串联后与所述三通控制阀的V1端连接。
3.根据权利要求1所述的一种混合动力汽车热管理系统，其特征在于，所述三通控制阀的V2端连接所述空调暖风芯体后与所述发动机的进水口相连。
4.根据权利要求1所述的一种混合动力汽车热管理系统，其特征在于，所述三通控制阀的V3端与所述集成换热器的第一进水口连接，集成换热器的第一出水口依次串联电池水泵、第二温度传感器、电池、第三温度传感器后与集成换热器的第二进水口连接，集成换热器的第二出水口与所述发动机的进水口相连。
5.一种混合动力汽车热管理系统控制方法，适用于如权利要求1-4任一项所述的一种混合动力汽车热管理系统，其特征在于，包括电池独立加热策略、空调暖风独立加热策略和双加热策略。
6.根据权利要求5所述的一种混合动力汽车热管理系统控制方法，其特征在于，所述电池独立加热策略的具体过程为：发动机的冷却液通过节温器流到排气热交换器，排气热交换器的电子三通控制阀将发动机的燃烧废气热气流切换到排气加热器对冷却液进行加热，加热后的冷却液通过采暖水泵流到水暖PTC，第一温度传感器监测经过水暖PTC的冷却液温度；三通控制阀的V2端关闭，V1端、V3端打开，冷却液通过三通控制阀的V3端流到集成换热器，集成换热器根据第二温度传感器监测的温度，调节冷却液温度，然后冷却液通过电池水泵进入电池，为电池加热；电池出水口流出的散热后的冷却液进入集成换热器，集成换热器根据第三温度传感器监测的温度，调节冷却液温度，最后冷却液流入发动机水泵。
7.根据权利要求5所述的一种混合动力汽车热管理系统控制方法，其特征在于，所述空调暖风独立加热策略的具体过程为：发动机的冷却液通过节温器流到排气热交换器，排气热交换器的电子三通控制阀将发动机的燃烧废气热气流切换到排气加热器对冷却液进行加热，加热后的冷却液通过采暖水泵流到水暖PTC，第一温度传感器监测经过水暖PTC的冷却液温度；三通控制阀的V3端关闭，V1端、V2端打开，冷却液通过三通控制阀的V2端流到空调暖风芯体，为空调暖风加热；最后空调暖风芯体出水口流出的散热后的冷却液进入发动机水泵。
8.根据权利要求5所述的一种混合动力汽车热管理系统控制方法，其特征在于，所述双加热策略的具体过程为：发动机的冷却液通过节温器流到排气热交换器，排气热交换器的电子三通控制阀将发动机的燃烧废气热气流切换到排气加热器对冷却液进行加热，加热后的冷却液通过采暖水泵流到水暖PTC，第一温度传感器监测经过水暖PTC的冷却液温度；三通控制阀的V1端、V2端、V3端打开，冷却液通过三通控制阀的V3端流到集成换热器，集成换热器根据第二温度传感器监测的温度，调节冷却液温度，然后冷却液通过电池水泵进入电池，为电池加热，电池出水口流出的散热后的冷却液进入集成换热器，集成换热器根据第三温度传感器监测的温度，调节冷却液温度，最后冷却液流入发动机水泵；同时，冷却液通过三通控制阀的V2端流到空调暖风芯体，为空调暖风加热，最后空调暖风芯体出水口流出的散热后的冷却液进入发动机水泵。
9.根据权利要求5所述的一种混合动力汽车热管理系统控制方法，其特征在于，还包括不加热策略，所述不加热策略的具体过程为：发动机的冷却液通过节温器流到排气热交换器，排气热交换器的电子三通控制阀将发动机的燃烧废气热气流切换到排气旁通管路，同时冷却液通过排气加热器进行水循环。
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