CN114654962A - 一种电动汽车热管理系统、热管理方法及电动汽车 - Google Patents

Abstract

一种电动汽车热管理系统、热管理方法及电动汽车，其中，热管理系统包括电池热循环回路、空调热循环回路、以及能够储存热量的储热罐，储热罐分别与电池热循环回路及空调热循环回路热耦合；电动汽车冬季工况下，在充电阶段，储热罐储存动力电池充电过程中所散发的废热；在启动阶段，储热罐为电池热循环回路供热同时将储热罐为空调热循环回路供热；在稳定运行阶段，储热罐储存动力电池放电过程中散发的废热，同时将储存的热供给空调热循环回路，实现整车的热管理。本发明能够有效解决电动汽车冬季工况下、启动阶段无法同时满足动力电池组加热与客舱供暖需求的问题，且热管理调控集中、热能利用率高。

Description

一种电动汽车热管理系统、热管理方法及电动汽车

技术领域

本发明属于汽车热管理技术领域，具体涉及一种电动汽车热管理系统、热管理方法及电动汽车。

背景技术

随着国家双碳目标的提出，采用动力电池组的新能源汽车将逐步替代传统燃料汽车，成为我国汽车行业发展的主流方向之一。

现有电动汽车热管理系统大多数采用客舱空调系统与动力电池热管理系统分离管理，即客舱空调系统热管理系统与动力电池热管理系统分别独立运作，电动汽车在冬季工况下运行时，室外温度较低，电动汽车在启动过程中，由于动力电池组因其自身温度较低，其电池内阻较大而导致放电倍率低，动力电池对电动汽车的供电不足，致使电动汽车在启动阶段无法同时满足对动力电池组的加热与客舱供暖的需求，还影响电动汽车冬季工况下的续航能力与安全性，此外，客舱空调系统与动力电池热管理系统分离管理，还使电动汽车存在热管理不集中、调控分散、调控精度较小、部分热能未能良好利用等问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种电动汽车热管理系统、热管理方法及电动汽车，以解决电动汽车在冬季工况下、启动阶段无法同时满足动力电池组加热与客舱供暖需求的问题。

本发明为了达到上述目的所采用的技术方案是：

一种电动汽车热管理系统，包括：

电池热循环回路，其用于与动力电池组热交换；

空调热循环回路，其用于调节电动汽车车内温度；

储热罐，其内设有能够储存热量的储热单元，储热罐分别与电池热循环回路及空调热循环回路热耦合，以使储热单元能够与电池热循环回路和空调热循环回路进行热交换。

进一步地，所述储热罐包括作为所述储热单元的第一相变材料，第一相变材料内设有用于与空调循环回路连接的盘管、以及用于与电池热循环回路连接的毛细管和直管。

进一步地，所述第一相变材料内还设有用于加热第一相变材料的PTC加热器。

进一步地，动力电池组的电池之间、设有用于与电池换热的第二相变材料，第二相变材料、储热罐、以及连接第二相变材料与储热罐的回流管道构成两相流热虹吸的所述电池热循环回路。

进一步地，所述第一相变材料的相变点为20-30℃，第二相变材料的相变点为40-50℃，第一相变材料与第二相变材料的相变点温差大于20℃。

进一步地，所述空调热循环回路包括压缩机、舱内换热器以及舱外换热器，压缩机、舱内换热器以及舱外换热器依次管路连接。

一种电动汽车热管理方法，用于上述任一方案的电动汽车热管理系统，在冬季工况下、电动汽车启动阶段：储热罐作为热源释放储存的热量，同时供给电池热循环回路和空调热循环回路供热和供热以加热动力电池。

进一步地，在冬季工况下、电动汽车充电阶段：储热罐与电池热循环回路热交换，储存动力电池充电过程中所散发的废热；

在冬季工况下、电动汽车稳定运行阶段：储热罐储存电池热循环回路所回收动力电池放电过程中散发的废热，同时，将储存的热供给空调热循环回路。

进一步地，在冬季工况下、电动汽车稳定运行阶段：储热罐与空调热循环回路的蒸发器并联，为空调热循环回路供热。

进一步地，在夏季工况下，储热罐吸收电池热循环回路的热量给动力电池降温，同时空调热循环回路与储热罐热交换，将储热罐所吸收热量排入大气。

本发明的有益效果：

1.本发明所提供的电动汽车热管理系统采用两相流热虹吸部件耦合相变储热罐，在电动汽车冬季低温启动时，两相流热虹吸装置与相变储热罐中的换热装置共同作用，通过两相流热虹吸装置，制冷剂工质的蒸发吸热将相变储热罐中储存的热量用于加热动力电池组，使动力电池组在低温工况条件下能够正常工作，改善动力电池低温环境下的活性，提升动力电池低温环境下的放电倍率，同时通过相变储热罐为空调系统供热，使电动汽车能够同时有效兼顾客舱供暖和动力电池加热。

2.本发明所提供的电动汽车热管理系统通过客舱空调系统与动力电池热管理系统协同管理，其中，两相流热虹吸部件在无需泵的情况下实现对冬季电动汽车的动力电池组在温度超出工作控制范围后电池废热的回收，相变储热罐作为补充汽车空调系统冬季热量的新来源，使热能更好地充分利用。

3.本发明所提供的电动汽车热管理系统能够通过相变储热罐与舱内/外换热器串并联切换，实现汽车空调系统与电池热管理系统的精细热管理，热调控集中，冬季低温工况下可有效提高电动汽车冬季工况下的里程数，相变储热罐与舱内/外换热器串并联切换有效延长动力电池组的使用寿命、客舱舒适性，增加电动汽车冬季工况下的续航能力与安全性。

4.本发明所提供的电动汽车热管理方法，在冬季工况下，电动汽车稳定运行中，在蒸发器发生结霜情况下，因为空调热循环回路中的制冷剂无法蒸发而在蒸发器内部产生相对高压，产生高压的过程中会影响制冷剂的流量，将相变储热罐与空调热循环回路的蒸发器并联，可以利用这种高压自动调节制冷剂在两路的流量，在蒸发器结霜过程中，制冷剂就会在相变储热罐侧流量增大，从而自动调节制冷剂在两路的流量，可以增加汽车空调系统的运行稳定性。

5.本发明所提供的电动汽车热管理方法，在夏季工况下通过将电池散热由电池热循环回路交换给储热罐，并通过储热罐最终并入汽车空调系统中，实现动力电池的冷却，省去了现有液冷系统，减少电动汽车整车重量，同时也节省了能源消耗，提高电动汽车的续航里程。

附图说明：

图1为实施例所提供一种电动汽车热管理系统的系统结构示意图；

图2为相变材料、动力电池组以及两相流热虹吸回路的组合结构示意图；

图3为实施例所提供一种电动汽车热管理系统中相变储热罐的结构示意图；

图4为采用实施例所提供电动汽车热管理系统对电动车进行热管理的控制逻辑图。

图中标记：1、压缩机，2、舱内换热器，3、舱外换热器，4、储热罐，4a、盘管，4b、毛细管，4c、直管，4d、翅片，4e、PTC加热器，4f、第一相变材料，5、动力电池组，6、节流阀，7、回流管道，8、阀a，9、阀b，10、阀c，11、阀d，12、阀e，13、阀f，14、阀g，15、阀h，16、阀i，17、阀j，18、第二相变材料。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明，在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”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发明和简化描述，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发明的限制。

本发明提供一种电动汽车热管理系统的具体实施例，结合图1至图3所示，该电动汽车热管理系统包括电池热循环回路和空调热循环回路，在现有的电动汽车中，电池热循环回路和空调热循环回路都是公知的，其中，电池热循环回路用于与动力电池组5热交换，该热交换用于带走动力电池充电或放电所散发的废热，空调热循环回路用于调节电动汽车车内温度，可以理解地，空调热循环回路通常包括压缩机1、舱内换热器2以及舱外换热器3，压缩机1、舱内换热器2以及舱外换热器3依次管路连接形成用于加热或者制冷电动汽车车内环境的空调系统，其中，舱内换热器2以及舱外换热器3即为通常空调系统所用的蒸发器和冷凝器。

如前所述，为了解决现有电动汽车所存在的在冬季工况下、启动阶段无法同时满足动力电池组加热与客舱供暖需求的问题，本实施例中的电动汽车热管理系统还包括储热罐4，储热罐4内设有能够储存热量的储热单元，储热单元储存热量的过程即为储热罐4吸热过程，储热单元释放热量的过程即为储热罐4向外供热的过程，储热罐4分别与电池热循环回路及空调热循环回路热耦合，热耦合指的是电池热循环回路和空调热循环回路均能够与储热单元进行热交换，以使储热罐4在吸热过程中储存热量，在放热过程中向外释放热量，其中储热罐4分别与电池热循环回路及空调热循环回路热耦合，能够使储热罐4单独与电池热循环回路进行热交换，也能够单独与空调热循环回路热交换，还能够同时与电池热循环回路和空调热循环回路进行热交换。

结合图2所示，储热罐4内设有第一相变材料4f，第一相变材料4f用作所述储热单元，第一相变材料4f内盘管4a和直管4c，其中，盘管4a用于与空调循环回路连接，在连通空调循环回路后，可以使空调循环回路中的工质与第一相变材料4f进行热交换，直管4c用于与电池热循环回路连接，当连通电池热循环回路后，直管4c可以使电池热循环回路的工质与第一相变材料4f进行热交换。

可以理解地，储热罐4内还可设有用于加热第一相变材料4f的PTC加热器4e，在电动车充电阶段为，使整个热管理系统可以通过PTC加热器4e为储热罐4预存足够的热量。

在具体设置电池热循环回路时，结合图1、图2及图3所示，在动力电池组5的电池之间、设有用于与电池换热的第二相变材料18，连接第二相变材料18与储热罐4设有构成回路的回流管道7，在整个回路中设有制冷剂工质，第二相变材料18、储热罐4以及回流管道7共同构成电池热循环回路，即两相流热虹吸系统，通过利用两相流热虹吸原理来实现无泵情况下工质的自发循环，可以理解地，此时可在储热罐4的第一相变材料4f内设置毛细管4b以及配套的阀门与节流阀6，以便实现储热罐4能够单独与电池热循环回路进行热交换，也能够单独与空调热循环回路热交换，还能够同时与电池热循环回路和空调热循环回路进行热交换。

通过储热罐4与电池热循环回路及空调热循环回路热耦合，能够在电动汽车冬季低温启动时，两相流热虹吸系统与储热罐中的换热共同作用，制冷剂工质的蒸发吸热将相变储热罐中储存的热量用于加热动力电池组，使动力电池组在低温工况条件下能够正常工作，改善动力电池低温环境下的活性，提升动力电池低温环境下的放电倍率，同时通过相变储热罐为空调系统供热，使电动汽车能够同时有效兼顾客舱供暖和动力电池加热。

本实施例中，为了强化第一相变材料4f与盘管4a、毛细管4b和直管4c中各介质的换热过程，在盘管4a、毛细管4b和直管4c上套设有强化传热单元，强化传热单元可以是翅片4d，也可以是异形管道或添加高传热系数的材料。

本实施例中，第一相变材料4f可以是有机相变材料、无机相变材料或有机-无机复合的相变材料，其相变点为20-30℃，第二相变材料18的相变点为40-50℃，第一相变材料4f与第二相变材料18的相变点温差大于20℃。

本发明还提供一种热管理方法，结合图4所示，其利用本发明所提供的电动汽车热管理系统，以解决现有电动汽车所存在的在冬季工况下、启动阶段无法同时满足动力电池组加热与客舱供暖需求的问题。

具体地，在冬季工况下，热管理方法包括以下内容：

S1、在电动汽车充电阶段：储热罐4与电池热循环回路热交换，储存动力电池充电过程中所散发的废热。

以图1所示为例，开启阀a8、阀b9，电动汽车热管理系统启动电池热管理散热模式，因处于电动汽车充电阶段，通常空调系统处于关闭状态，即空调热循环回路不开启。

将动力电池组5充电过程中动力电池所散发的废热回收至储热罐4中，正常情况下，此阶段较难使储热罐4储存满热量，为此，可在充电结束前10分钟启动储热罐4内的PTC加热器4e，为储热罐4充热，即储热罐4的充热过程与电动汽车充电同时进行，可以理解地，为了保证充电过程中的安全性能，也可以在充电结束后启动PTC加热器4e，避免在动力电池充电过程中因PTC加热器工作带来额外的热。

S2、在电动汽车启动阶段：储热罐4释放热量，为电池热循环回路供热以加热动力电池，同时将储热罐4串联于空调热循环回路，为空调热循环回路供热、以便于满足电动汽车车内温度控制需求。

以图1所示为例，电动汽车热管理系统加热模式启动：具体地，在电动汽车启动前15分钟内，打开阀a8和阀b9，由于冬季启动阶段动力电池温度较低的原因，两相流热虹吸系统中储热罐4侧的制冷剂因低温环境下的液位差原因将被毛细管4b通过毛细作用吸入储热罐4的毛细管壁中，制冷剂与第一相变材料4f换热，制冷剂吸热汽化后流向动力电池组5侧后液化放热，从而加热动力电池组5，液化后的制冷剂经重力作用回流至储热罐4侧，液化后因重力原因滴落，使动力电池组5侧管道与相变储热罐4侧管道形成压力差，而液化的制冷剂又会回流回相变储热罐4侧，至此自发的循环将持续进行，加热动力电池组5直至其处于工作稳定区间内，使动力电池组5在低温条件下能够正常工作，改善动力电池低温环境下的活性，提升动力电池低温环境下的放电倍率。

在电动汽车启动阶段，将汽车空调舱外换热器3与相变储热罐4通过管道和阀门切换为串联模式，以图1所示为例，开启阀g14、阀d11、阀j17，关闭阀c10、阀e12、阀f13、阀h15、阀i16，空调热循环回路与储热罐4串联，通过储热罐4释放储存的热量，为空调热循环回路补充热量，从而在低温条件下解决低温改善电动汽车客舱供暖质量，减少动力电池的损耗。

S3、在电动汽车稳定运行阶段：储热罐4储存电池热循环回路所回收动力电池放电过程中散发的废热，同时，将储存的热供给空调热循环回路。

以图1所示为例，在此阶段，电动汽车热管理系统切换为散热模式：开启阀a8，阀b9，当动力电池组5温度升高至40℃以上时，第二相变材料18吸收动力电池组5的废热，两相流热虹吸系统位于动力电池组5侧管道内的制冷剂蒸发吸热为动力电池组5，为动力电池组5进行降温，制冷剂蒸汽通过管道流向储热罐4中与直管4c管壁接触，放热液化后流向动力电池组，继续为动力电池降温。

此在阶段，储热罐4可与启动阶段中一样，以串联于空调热循环回路的方式持续为空调热循环回路供热，在回收电池热循环回路中动力电池散发热量的同时，将热量提供给空调热循环回路，为电动车客舱供热，提高整车的热管理质量，减少电动汽车空调热循环回路所消耗动力电池的电量，提高电动汽车冬季工况下的里程数。

此外，在冬季低温运行过程中，空调系统中蒸发端的换热器易结霜，会导致空调系统性能骤降，从而无法满足电动汽车的客舱供暖需求，为此，在储热罐4向空调热循环回路供热时，可以将储热罐4切换为与空调热循环回路中的蒸发器并联设置，可以理解地，只需设置相应地管路和阀门即可，使储热罐4并联设置在空调热循环回路中，以图1所示为例，舱外换热器3与储热罐4切换为并联模式，开启阀c10、阀d11、阀g14、阀h15，关闭阀e12、阀f13、阀i16、阀j17，此时储热罐4切换为与空调热循环回路中的蒸发器并联，在冬季工况下，电动汽车稳定运行中，因空调系统中蒸发器会发生结霜情况，这种情况下，因为空调热循环回路中的制冷剂无法蒸发而在蒸发器内部产生相对高压，产生高压的过程中会影响制冷剂的流量，通过将储热罐与空调热循环回路的蒸发器并联，可以利用这种高压自动调节制冷剂在两路的流量，制冷剂就会在储热罐4侧流量增大，从而自动调节制冷剂在两路的流量，提高汽车空调系统的运行稳定性及客舱乘客舒适性。

本发明所提供的电动汽车热管理系统，除了能够有效解决前述电动汽车在冬季工况下的启动阶段所存在的问题以及冬季工况下电动汽车的热管理问题，还能够为电动汽车在夏季工况下的运行提供热管理方法。

本实施例中，结合图4所示，热管理方法还包括电动汽车夏季工况下的运行模式，以图4所示为例，非冬季模式指的是在需要汽车空调进行制冷的模式，在本实施例中，特指电动汽车夏季工况，此时，储热罐4吸收电池热循环回路的热量给动力电池降温，同时空调热循环回路与储热罐4热交换，将储热罐4所吸收热量排入大气，在如何实施时，具体包括：

（一）在电动汽车充电阶段：

电动汽车热管理系统开启散热模式，以图1所示为例，开启阀a8、阀b9，舱内换热器2与储热罐4切换为并联模式：充电过程中，客舱无人时开启阀f13、阀i16，关闭阀c10、阀d11、阀e12、阀g14、阀h15、阀j17，此时动力电池组5需要冷却，储热罐4充冷，同时打开阀a8，阀b9，动力电池组5充电一段时间后，动力电池组5温度升高至40℃以上时，第二相变材料18吸收动力电池组5的废热，两相流热虹吸系统中动力电池组5侧管道内的制冷剂蒸发吸热为动力电池组5降温，制冷剂蒸汽通过管道流向储热罐4中与直管4c管壁接触，放热液化后流向动力电池组继续为动力电池降温。

舱外换热器3通过切换与储热罐4形成并联模式，汽车空调制冷剂通过盘管4a将储热罐4中的热量带走，其热量经汽车空调系统的舱外换热器3排入大气中。

电动汽车充电过程中，若客舱有乘客且有制冷需求时，开启阀c10、阀e12、阀f13、阀i16，关闭阀d11、阀g14、阀h15、阀j17，使舱内换热器2与储热罐4并联，汽车空调系统为动力电池辅助降温的同时也将为客舱制冷。

（二）在电动汽车启动阶段：

电动汽车热管理系统开启散热模式，以图1所示为例，开启阀a8，关闭阀b9，舱内换热器2与相变储热罐4切换为串联，开启阀f13、阀e12、阀j17，关闭阀c10、阀d11、阀g14、阀h15、阀i16，此时，动力电池组需5要冷却，电动汽车客舱需要制冷，为保证二者兼得，采取串联模式，同时打开阀a8，关闭阀b9，在电动汽车启动阶段，动力电池组5温度将缓慢升高，此时由第二相变材料18吸收动力电池组5的废热，并将废热由舱外换热器3最终排出大气。

（三）在电动汽车稳定运行阶段：

电动汽车热管理系统保持散热模式，以图1所示为例，开启阀a8、阀b9，舱内换热器2与储热罐4保持串联模式，开启阀f13、阀e12、阀j17，关闭阀c10、阀d11、阀g14、阀h15、阀i16，此时动力电池组5需要冷却，客舱需要制冷，为保证二者兼得，采取串联模式，同时打开阀a8，阀b9，当电动汽车运行一段时间后，动力电池组5温度升高至40℃以上时，第二相变材料18吸收动力电池组5的废热，两相流热虹吸系统中动力电池组5侧管道内的制冷剂蒸发吸热为动力电池组5降温，制冷剂蒸汽通过管道流向储热罐4中与直管4c管壁接触，放热液化后流向动力电池组继续为动力电池降温。

汽车空调系统通过切换与储热罐4为串联模式，汽车空调制冷剂通过盘管4a将储热罐4中的热量带走，其热量经汽车空调系统的舱外换热器3排入大气中。

夏季工况下，通过将电池散热由电池热循环回路交换给储热罐4，并通过储热罐4最终并入汽车空调系统中，实现动力电池的冷却，省去了现有液冷系统，减少电动汽车整车重量，同时也节省了能源消耗，提高电动汽车的续航里程。

需要再次说明的是，本发明所提及的冬季模式或冬季工况指的是电动汽车所处的冬季低温运行环境，电动汽车内需要空调制暖模式下，可以理解地，在非冬季季节，只要电动汽车所处的外部环境为低温环境，电动汽车内需要空调制暖，也应理解为电动汽车处于冬季工况模式，与此相对应地，非冬季模式或夏季工况下，则指的是电动汽车所处的夏季高温运行环境，电动汽车内需要空调制冷模式下，在非夏季季节，只要电动汽车所处的外部环境为较高温度环境，电动汽车内需要空调制冷，也应理解为电动汽车处于夏季工况或非冬季模式。

本发明还提供一种电动汽车，其包括前述的电动汽车热管理系统，使用该电动汽车热管理系统进行热管理，其中，电动汽车在进行热管理时，可以采用前述所提供的热管理方法。

需要说明的是，上述实施例仅用来说明本发明，但本发明并不局限于上述实施例，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均落入本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种电动汽车热管理系统，包括：

电池热循环回路，其用于与动力电池组（5）热交换；

空调热循环回路，其用于调节电动汽车车内温度；

其特征在于，还包括：

储热罐（4），其内设有能够储存热量的储热单元，储热罐（4）分别与电池热循环回路及空调热循环回路热耦合，以使储热单元能够与电池热循环回路和空调热循环回路进行热交换。

2.如权利要求1所述的一种电动汽车热管理系统，其特征在于，所述储热罐（4）包括作为所述储热单元的第一相变材料（4f），第一相变材料（4f）内设有用于与空调循环回路连接的盘管（4a）、以及用于与电池热循环回路连接毛细管（4b）和直管（4c）。

3.如权利要求2所述的一种电动汽车热管理系统，其特征在于，所述第一相变材料（4f）内还设有用于加热第一相变材料（4f）的PTC加热器（4e）。

4.如权利要求2所述的一种电动汽车热管理系统，其特征在于，动力电池组（5）的电池之间、设有用于与电池换热的第二相变材料（18），第二相变材料（18）、储热罐（4）、以及连接第二相变材料（18）与储热罐（4）的回流管道（7）构成两相流热虹吸的所述电池热循环回路。

5.如权利要求4所述的一种电动汽车热管理系统，其特征在于，所述第一相变材料（4f）的相变点为20-30℃，第二相变材料（18）的相变点为40-50℃，第一相变材料（4f）与第二相变材料（18）的相变点温差大于20℃。

6.如权利要求1所述的一种电动汽车热管理系统，其特征在于，所述空调热循环回路包括压缩机（1）、舱内换热器（2）以及舱外换热器（3），压缩机（1）、舱内换热器（2）以及舱外换热器（3）依次管路连接。

7.一种电动汽车热管理方法，其特征在于，采用权利要求1至6任一项所述的电动汽车热管理系统，在冬季工况下、电动汽车启动阶段：储热罐（4）作为热源释放储存的热量，同时供给电池热循环回路和空调热循环回路供热和供热以加热动力电池。

8.如权利要求7所述的一种电动汽车热管理方法，其特征在于，

在冬季工况下、电动汽车充电阶段：储热罐（4）与电池热循环回路热交换，储存动力电池充电过程中所散发的废热；

在冬季工况下、电动汽车稳定运行阶段：储热罐（4）储存电池热循环回路所回收动力电池放电过程中散发的废热，同时，将储存的热供给空调热循环回路。

9.如权利要求8所述的一种电动汽车热管理方法，其特征在于，在冬季工况下、电动汽车稳定运行阶段：储热罐（4）与空调热循环回路的蒸发器并联，为空调热循环回路供热。

10.如权利要求7所述的一种电动汽车热管理方法，其特征在于，在夏季工况下，储热罐（4）吸收电池热循环回路的热量给动力电池降温，同时空调热循环回路与储热罐（4）热交换，将储热罐（4）所吸收热量排入大气。

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