CN114683803B - 一种基于热泵的纯电动汽车热管理系统及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于热泵的纯电动汽车热管理系统及其控制方法，控制模块通过控制压缩机控制制冷剂流量，通过控制第一水泵、第二水泵和第三水泵控制冷却液流量，通过控制风扇和鼓风机控制空气流量，通过控制座舱加热器和电池加热器控制加热功率，通过控制四通换向阀、第一电子膨胀阀、第二电子膨胀阀、单通阀、第一三通阀、第二三通阀和第三三通阀控制流体的连通、断开或者实现指定的流动状态；本发明通过控制模块控制不同元部件的工作状态，能够在低温下进行多层级余热回收，在中、高温下同时充分冷却电池和座舱，并且在全天候状况下以低能耗满足多种热管理需求。

Description

一种基于热泵的纯电动汽车热管理系统及其控制方法
技术领域
本发明属于新能源汽车热管理技术领域，具体涉及一种基于热泵的纯电动汽车热管理系统及其控制方法。
背景技术
随着电动汽车技术的发展和环保要求的提高，电动汽车的整车热管理和节能变得尤为重要。当下，电动汽车加热方式主要利用热泵或电加热的方式。但热泵在低温环境下工作效能受限，并且电加热效率、低能耗大。
此外，电池、电驱热管理系统相对孤立，没能够统筹各系统间的能量耦合和进一步集成管理，电池、电驱系统在车辆行驶或充电工况下产生一定数量的废热无法充分利用。若能将电池和电驱的废热引至热泵空调系统，将有利于大大增加热管理系统的整体制热效率。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种基于热泵的纯电动汽车热管理系统及其控制方法，能够在低温下进行多层级余热回收，在中、高温下同时充分冷却电池和座舱，并且在全天候状况下以低能耗满足多种热管理需求。
本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。
一种基于热泵的纯电动汽车热管理系统，包括：
热泵制冷剂循环单元，包括压缩机、四通换向阀、室内换热器、第一电子膨胀阀、水冷凝器、第二电子膨胀阀、气液分离器、冷水机、第一单向阀和第二单向阀；压缩机的排气口依次连通有四通换向阀、第一单向阀、第二单向阀、冷水机、第二电子膨胀阀和室内换热器，室内换热器还与四通换向阀连通；四通换向阀还与水冷凝器、第一电子膨胀阀连通；室内换热器、第一电子膨胀阀和第二电子膨胀阀通过管道节点A连通；压缩机的进气口与连通气液分离器连通，气液分离器、与第一单向阀和第二单向阀通过管道节点B连通；
电驱冷却液循环单元，包括第二水泵、逆变器、驱动电机、第二三通阀、单通阀、散热器和水冷凝器；第二水泵与逆变器、驱动电机和第二三通阀依次连通，第二三通阀通过水冷凝器分别与单通阀和散热器连通；
座舱加热循环单元，包括第一水泵、座舱加热器、加热器芯和第一三通阀；第一水泵、座舱加热器、加热器芯和第一三通阀依次连通，第一水泵还分别与单通阀、散热器连通；
电池冷却液循环单元，包括第三水泵、电池加热器、动力电池和第三三通阀；第三水泵、电池加热器、动力电池、第三三通阀和冷水机依次连通；
所述第一三通阀控制座舱加热循环单元与电驱冷却液循环单元的通断；
所述第三三通阀控制电驱冷却液循环单元与电池冷却液循环单元的通断。
上述技术方案，还包括：
风扇，为散热器冷却液与空气热交换提供所需要的空气流量；
鼓风机，为室内换热器制冷剂与空气热交换提供所需要的空气流量、为加热器芯冷却液与空气热交换提供所需要的空气流量。
一种基于热泵的纯电动汽车热管理系统的控制方法，具体为：
所述压缩机、四通换向阀、第一电子膨胀阀、第二电子膨胀阀、第一水泵、座舱加热器、第一三通阀、第二水泵、第二三通阀、单通阀、第三水泵、电池加热器、第三三通阀、风扇和鼓风机均与控制模块通讯连接；
所述控制模块通过控制压缩机控制制冷剂流量，通过控制第一水泵、第二水泵和第三水泵控制冷却液流量，通过控制风扇和鼓风机控制空气流量，通过控制座舱加热器和电池加热器控制加热功率，通过控制四通换向阀、第一电子膨胀阀、第二电子膨胀阀、单通阀、第一三通阀、第二三通阀和第三三通阀控制流体的连通、断开或者实现指定的流动状态。
进一步地，所述控制模块控制四通换向阀的第一端口和第二端口连通，当制冷剂从水冷凝器流出时，控制四通换向阀的第三端口和第四端口连通、第一电子膨胀阀打开、第二电子膨胀阀和单通阀关闭、第一三通阀和第三三通阀关闭、第二三通阀的第三端口和第一端口连通、压缩机的制冷剂流量、座舱加热器和电池加热器的加热功率、风扇和鼓风机的空气流量、第二水泵的冷却液流量，实现低温环境下热泵加热座舱模式。
进一步地，所述控制模块控制四通换向阀的第一端口和第二端口连通、第一电子膨胀阀关闭、第二电子膨胀阀和单通阀打开、第一三通阀关闭、第二三通阀的第一端口和第二端口连通、第三三通阀的第二端口和第三端口连通、压缩机的制冷剂流量、第二水泵的冷却液流量、座舱加热器和电池加热器的加热功率、风扇和鼓风机的空气流量，实现低温环境下热泵利用电机余热加热座舱模式。
进一步地，所述控制模块控制四通换向阀的第一端口和第二端口连通、第一电子膨胀阀关闭、第二电子膨胀阀打开、第一三通阀和单通阀关闭、第二三通阀关闭、第三三通阀的第一端口和第二端口连通、压缩机的制冷剂流量、第三水泵的冷却液流量、风扇和鼓风机的空气流量、座舱加热器和电池加热器的加热功率，实现低温环境下热泵利用电池余热加热座舱模式。
进一步地，所述控制模块控制四通换向阀、第一电子膨胀阀、第二电子膨胀阀和第三三通阀关闭，控制第一三通阀的第一端口和第二端口连通、单通阀打开、第二三通阀的第一端口和第二端口连通、第一水泵和第二水泵的冷却液流量、鼓风机的空气流量、座舱加热器的加热功率，实现电驱余热加热座舱模式。
进一步地，所述控制模块控制四通换向阀、第一电子膨胀阀和第二电子膨胀阀关闭，控制第一三通阀的第一端口和第二端口连通、第二三通阀的第一端口和第二端口连通、第三三通阀的第一端口和第三端口连通，控制第一水泵、第二水泵和第三水泵的冷却液流量，控制鼓风机的空气流量、座舱加热器和电池加热器的加热功率，实现电驱余热加热座舱和电池模式。
进一步地，所述控制模块控制四通换向阀、第一电子膨胀阀、第二电子膨胀阀、单通阀和第一三通阀关闭，控制第二三通阀的第一端口和第二端口连通、第三三通阀的第一端口和第三端口连通、第二水泵和第三水泵的冷却液流量、风扇的空气流量，实现中温环境下电驱和电池散热器冷却模式。
进一步地，所述控制模块控制四通换向阀的第一端口和第三端口连通，当制冷剂从室内换热器流出时，控制四通换向阀的第二端口和第四端口连通、第一电子膨胀阀打开、第二电子膨胀阀和单通阀关闭、第一三通阀关闭、第二三通阀的第一端口和第二端口连通、第三三通阀的第一端口和第三端口连通、压缩机的制冷剂流量、第二水泵和第三水泵的冷却液流量、风扇和鼓风机的空气流量，实现高温环境热泵空调冷却座舱、电驱和电池散热器冷却模式。
进一步地，所述控制模块控制四通换向阀的第一端口和第三端口连通，当制冷剂从室内换热器流出时，控制四通换向阀的第二端口和第四端口连通、第一电子膨胀阀和第二电子膨胀阀打开、单通阀和第一三通阀关闭、第二三通阀的第一端口和第二端口连通、第三三通阀的第一端口和第二端口连通、压缩机的制冷剂流量、第二水泵和第三水泵的冷却液流量、风扇和鼓风机的空气流量，实现高温环境热泵空调冷却座舱、电驱散热器冷却和电池冷水机冷却模式。
本发明的有益效果为：
(1)本发明的整车热管理系统包括热泵制冷剂循环单元、电驱冷却液循环单元、座舱加热循环单元和电池冷却液循环单元，热泵制冷剂循环单元包括压缩机、四通换向阀、室内换热器、第一电子膨胀阀、水冷凝器、第二电子膨胀阀、气液分离器、冷水机、第一单向阀和第二单向阀，电驱冷却液循环单元包括第二水泵、逆变器、驱动电机、第二三通阀、单通阀、散热器和水冷凝器，座舱加热循环单元包括第一水泵、座舱加热器、加热器芯和第一三通阀，电池冷却液循环单元包括第三水泵、电池加热器、动力电池和第三三通阀；本申请的整车热管理系统中各个部件的连接关系易于实施，并且控制逻辑简单明确；
(2)本发明的整车热管理系统能够实现热泵加热座舱模式、热泵利用电机余热加热座舱模式、热泵利用电池余热加热座舱模式、电驱余热加热座舱和电池模式、电驱和电池中温散热器散热模式、座舱冷却及电驱和电池高温散热器散热模式、座舱冷却及电驱散热器散热和电池冷水机散热模式在内的多种工作模式，涵盖了全天候状况下多种热管理需求，并通过合理的余热利用降低了能耗。
附图说明
图1为本发明所述基于热泵的纯电动汽车热管理系统结构示意图；
图2是图1中控制模块与整车热管理系统各执行器的通讯连接示意图；
图3是图2所示的控制模块示意性的内部结构图；
图4是图1所示整车热管理系统在低温环境下热泵加热座舱模式下的系统图；
图5是图1所示整车热管理系统在低温环境下热泵(电驱余热回收)加热座舱及电驱余热回收模式下的系统图；
图6是图1所示整车热管理系统在低温环境下热泵(电池余热回收)加热座舱及电池余热回收模式下的系统图；
图7是图1所示整车热管理系统在电驱余热加热座舱模式下的系统图；
图8是图1所示整车热管理系统在电驱余热加热座舱和电池模式下的系统图；
图9是图1所示整车热管理系统在中温环境下电驱和电池散热器冷却模式下的系统图；
图10是图1所示整车热管理系统在高温环境下热泵空调冷却座舱、电驱和电池散热器冷却模式下的系统图；
图11是图1所示整车热管理系统在高温环境下热泵空调冷却座舱、电驱散热器冷却及电池冷水机冷却模式下的系统图；
图中：100-整车热管理系统，101-压缩机，102-四通换向阀，103-室内换热器，104-第一电子膨胀阀，105-水冷凝器，106-第二电子膨胀阀，107-气液分离器，201-第一水泵，202-座舱加热器，203-加热器芯，204-第一三通阀，301-第二水泵，302-逆变器，303-驱动电机，304-第二三通阀，305-单通阀，306-散热器，401-第三水泵，402-电池加热器，403-动力电池，404-第三三通阀，405-冷水机，501-第一单向阀，502-第二单向阀，601-风扇，602-鼓风机，1011-压缩机排气口，1012-压缩机吸气口，1021-四通换向阀第一端口，1022-四通换向阀第二端口，1023-四通换向阀第三端口，1024-四通换向阀第四端口，1031-室内换热器第一端口，1032-室内换热器第二端口，1041-第一电子膨胀阀第一端口，1042-第一电子膨胀阀第二端口，1051-水冷凝器第一端口，1052-水冷凝器第二端口，1053-水冷凝器第三端口，1054-水冷凝器第四端口，1061-第二电子膨胀阀第一端口，1062-第二电子膨胀阀第二端口，1071-气液分离器出口，1072-气液分离器入口，2011-第一水泵出水口，2012-第一水泵入水口，2021-座舱加热器第一端口，2022-座舱加热器第二端口，2031-座舱加热器第一端口，2032-加热器芯第二端口，2041-第一三通阀第一端口，2042-第一三通阀第二端口，2043-第一三通阀第三端口，3011-第二水泵出水口，3012-第二水泵入水口，3021-逆变器第一端口，3022-逆变器第二端口，3031-驱动电机第一端口，3032-驱动电机第二端口，3041-第二三通阀第一端口，3042-第二三通阀第二端口，3043-第二三通阀第三端口，3051-单通阀第一端口，3052-单通阀第二端口，3061-散热器第一端口，3062-散热器第二端口，4011-第三水泵出水口，4012-第三水泵入水口，4021-电池加热器第一端口，4022-电池加热器第二端口，4031-动力电池第一端口，4032-动力电池第二端口，4041-第三三通阀第一端口，4042-第三三通阀第二端口，4043-第三三通阀第三端口，4051-冷水机第一端口，4052-冷水机第二端口，4053-冷水机第三端口，4054-冷水机第四端口，5011-第一单向阀第一端口，5012-第一单向阀第二端口，5021-第二单向阀第一端口，5022-第二单向阀第二端口，6000-控制模块，6001-总线，6002-输入接口，6003-存储器，6004-处理器，6005-输出接口，6101-输出接口A，6102-输出接口B，6103-输出接口C，6104-输出接口D，6105-输出接口E，6106-输出接口F，6107-输出接口G，6108-输出接口H，6109-输出接口I，6110-输出接口J，6111-输出接口K，6112-输出接口L，6113-输出接口M，6114-输出接口N，6115-输出接口O，6200-输入信号。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文描述的实施例。例如电子膨胀阀、单通阀可以通过其他合理的阀门种类进行替换。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。下面将参考构成说明书一部分的附图对本发明的各种具体实施方案进行描述。应该理解的是，本申请中所使用的诸如“第一”、“第二”等序数词仅仅用于区分和标识，而不具有任何其他含义，如未特别指明则不表示特定的顺序，也不具备特定的关联性。例如，例如术语“第一水泵”本身并不暗示“第二水泵”的存在，术语“第二电子膨胀阀”本身也不暗示“第一电子膨胀阀”的存在。
图1是本发明整车热管理系统100的系统图，以示出整车热管理系统100中各部件及其连接关系。如图1所示，整车热管理系统100包括压缩机101、四通换向阀102、室内换热器103、第一电子膨胀阀104、水冷凝器105、第二电子膨胀阀106、气液分离器107、第一水泵201、座舱加热器202、加热器芯203、第一三通阀204、第二水泵301、逆变器302、驱动电机303、第二三通阀304、单通阀305、散热器306、第三水泵401、电池加热器402、动力电池403、第三三通阀404、冷水机405、第一单向阀501、第二单向阀502、风扇601和鼓风机602，以及用连线表示的各个部件之间的连接管路。其中压缩机101、四通换向阀102、室内换热器103、第一电子膨胀阀104、水冷凝器105、第二电子膨胀阀106、气液分离器107、冷水机405、第一单向阀501和第二单向阀502构成热泵制冷剂循环单元，第一水泵201、座舱加热器202、加热器芯203和第一三通阀204构成座舱加热循环单元，第二水泵301、逆变器302、驱动电机303、第二三通阀304、单通阀305、散热器306和水冷凝器105构成电驱冷却液循环单元，第三水泵401、电池加热器402、动力电池403和第三三通阀404构成电池冷却液循环单元。
整车热管理系统100各个部件的选型和作用描述如下。其中，压缩机101选用涡旋式或其他种类的电动压缩机，其作用是将制冷剂蒸发压缩成过热蒸汽，并推动其在制冷剂循环系统中流动。其中，第一水泵201、第二水泵301和第三水泵401中使用的水泵类型为电动水泵，推动冷却液在冷却液循环系统中流动。其中，冷水机405和水冷凝器105为水侧换热器，提供冷却液和制冷剂间的热量交换，具体来说，冷水机405对冷却液进行冷却。其中，室内换热器103为空气侧换热器，提供空气和制冷剂之间的热量交换，室内换热器103在空调制冷模式下为蒸发器，在热泵制热模式下为冷凝器。其中，散热器306为空气侧换热器，提供空气与冷却液之间的热量交换。其中，座舱加热器202和电池加热器402可以是正温度系数加热器或者其他类型的加热器。其中，单通阀305可以是电磁阀式单通阀或者电动式单通阀，控制阀门的开关。其中，第一电子膨胀阀104和第二电子膨胀阀106可以是电磁式膨胀阀或者电动式膨胀阀，通过控制阀孔开度达到过热度或过冷度的温度精度。其中，第一单向阀501和第二单向阀502可以是直通式或者其他类型的单向阀。其中，风扇601可以是不同类型的风扇，为散热器306冷却液与空气热量交换提供所需要的空气流量。其中，鼓风机602可以是不同类型的电动鼓风机，不仅为室内换热器103制冷剂与空气热量交换提供所需要的空气流量，还为加热器芯203冷却液与空气热交换提供所需要的空气流量。其中，气液分离器107使得制冷剂循环中的液态制冷剂和气态制冷剂分离。其中四通换向阀102、第一三通阀204、第二三通阀304和第三三通阀404可以是电磁阀，也可以设置为其他类型的阀，只要符合特定的连通方式就可以进行合理的替换。四通换向阀102需要能够仅仅连通四通换向阀第一端口1021和四通换向阀第二端口1022、仅仅连通四通换向阀第一端口1021和四通换向阀第三端口1023、仅仅连通四通换向阀第三端口1023和四通换向阀第四端口1024、仅仅连通四通换向阀第二端口1022和四通换向阀第四端口1024。第一三通阀204仅仅连通第一三通阀第一端口2041和第一三通阀第二端口2042、仅仅连通第一三通阀第一端口2041和第一三通阀第三端口2043。第二三通阀304仅仅连通第二三通阀第一端口3041和第二三通阀第三端口3043、仅仅连通第二三通阀第二端口3042和第二三通阀第一端口3041。第三三通阀404仅仅连通第三三通阀第一端口4041和第三三通阀第二端口4042、仅仅连通第三三通阀第一端口4041和第三三通阀第三端口4043。四通换向阀102、第一三通阀204、第二三通阀304和第三三通阀404的目的是为了控制其阀门端口相邻部件的连通和断开，达到在不同模式下运行的目的。
整车热管理系统100各个部件之间的连接管路描述如下。压缩机排气口1011与四通换向阀第一端口1021连通，压缩机吸气口1012与气液分离器出口1071连通；室内换热器第一端口1031与四通换向阀第二端口1022连通；管道节点A分别与室内换热器第二端口1032、第一电子膨胀阀第一端口1041和第二电子膨胀阀第一端口1061连通；第二电子膨胀阀第二端口1062与冷水机第一端口4051连通；冷水机第二端口4052与第二单向阀第一端口5021连通；水冷凝器第一端口1051与第一电子膨胀阀第二端口1042连通；四通换向阀第三端口1023与水冷凝器第二端口1052连通；四通换向阀第四端口1024与第一单向阀第二端口5012连通；管道节点B分别与第一单向阀第一端口5011、气液分离器入口1072和第二单向阀第二端口5022连通；第一水泵出水口2011与座舱加热器第二端口2022连通；加热器芯第二端口2032与座舱加热器第一端口2021连通；第一三通阀第一端口2041与座舱加热器第一端口2031连通；管道节点J分别与第一三通阀第三端口2043、第一水泵入水口2012和管道节点E连通；管道节点K分别与第二水泵出水口3011、逆变器第二端口3022和第二三通阀第三端口3043连通；驱动电机第二端口3032与逆变器第一端口3021连通；第二三通阀第二端口3042与驱动电机第一端口3031连通；水冷凝器第三端口1053与第二三通阀第一端口3041连通；管道节点C分别与散热器第一端口3061、单通阀第一端口3051和水冷凝器第四端口1054连通；管道节点D分别与散热器第二端口3062、单通阀第二端口3052和管道节点E连通；管道节点E分别与管道节点D、管道节点F和管道节点J连通；管道节点F分别与管道节点E、管道节点G和第一三通阀第二端口2042连通；管道节点G分别与管道节点F、管道节点H和管道节点I连通；管道节点H分别与管道节点G、第二水泵入水口3012和第三三通阀第三端口4043连通；管道节点I分别与冷水机第四端口4054、管道节点G和第三水泵入水口4012连通；冷水机第三端口4053与第三三通阀第二端口4042连通；第三水泵出水口4011与电池加热器第二端口4022连通；动力电池第二端口4032与电池加热器第一端口4021连通；第三三通阀第一端口4041与动力电池第一端口4031连通。风扇601为散热器306冷却液与空气热交换提供所需要的空气流量；鼓风机602为室内换热器103制冷剂与空气热交换提供所需要的空气流量；鼓风机602为加热器芯203冷却液与空气热交换提供所需要的空气流量。本申请的整车热管理系统100通过简明的拓扑结构提供多个工作模式的可能，从而满足不同的热管理需求。
图2是图1中控制模块与整车热管理系统各个执行器的通讯连接示意图。如图2所示，控制模块6000决定整车热管理系统100各个执行器的工作状态。控制模块6000输出接口A6101、输出接口B6102、输出接口C6103、输出接口D6104、输出接口E6105、输出接口F6106、输出接口G6107、输出接口H6108、输出接口I6109、输出接口J6110、输出接口K6111、输出接口L6112、输出接口M6113、输出接口N6114和输出接口O6115分别与压缩机101、四通换向阀102、第一电子膨胀阀104、第二电子膨胀阀106、第一水泵201、座舱加热器202、第一三通阀204、第二水泵301、第二三通阀304、单通阀305、第三水泵401、电池加热器402、第三三通阀404、风扇601和鼓风机602实现通讯连接。控制模块6000控制压缩机101控制制冷剂流量；控制模块6000通过控制第一水泵201、第二水泵301和第三水泵401控制冷却液流量；控制模块6000通过控制风扇601和鼓风机602控制空气流量；控制模块6000通过控制座舱加热器202和电池加热器402控制加热功率；控制模块6000通过控制四通换向阀102、第一电子膨胀阀104、第二电子膨胀阀106、单通阀305、第一三通阀204、第二三通阀304和第三三通阀404控制流体的连通、断开或者实现指定的流动状态。
图3是图2所示的控制模块示意性的内部结构图。如图3所示，整车热管理系统100的控制模块6000包括总线6001、输入接口6002、存储器6003、处理器6004以及输出接口6005。具体来说，存储器6003用于存储程序、指令和数据，而处理器6004从存储器6003读取程序、指令和数据，并且能向存储器6003写入数据。通过执行存储器6003读取程序和指令，处理器6004通过输入接口6002和输出接口6005实现信号交换。如图3所示，控制模块6000的输入接口6002通过接受包括整车热管理系统100的运行请求与其他运行参数在内的输入信号6200，通过存储器6003中的程序和指令，处理器6004控制整车热管理系统100的运行。具体来说，控制模块6000可以通过输入接口6002接受控制整车热管理系统100的运行请求或者其他部件的信号，并通过输出接口6005向各被控部件发出控制信号，从而使得整车热管理系统100能够在指定的工作模式运行并可以在不同模式之间进行切换。
图4-11是图1所示的整车热管理系统100的系统图，以示出整车热管理系统100在不同工作模式下运行的流体流动状态，其中，中空线箭头表示制冷剂的流向和流动路径，加粗实线箭头表示冷却液的流向和流动路径，其他实线表示无流体流动。下面详述图4-11所示的各个工作模式。
图4是图1所示整车热管理系统100在低温环境下热泵加热座舱模式下的系统图。在低温环境下，整车热管理系统100在收到座舱加热指令(或控制模块6000自动产生座舱加热指令)后可以通过热泵加热模式将热量转移到座舱。如图4所示，从压缩机排气口1011流出的高温高压制冷剂经过四通换向阀第一端口1021和四通换向阀第二端口1022，之后经过室内换热器103制冷剂通道，此时，室内换热器103作冷凝器，在其冷凝作用下制冷剂由气态冷凝成液态。高温高压的制冷剂经过管道节点A到第一电子膨胀阀104会减压并增大体积，形成低温低压的液雾状混合物再流向水冷凝器105，此时，由第二水泵出口3011泵出的冷却液流经第二三通阀第三端口3043和第二三通阀第一端口3041后到达水冷凝器第三端口1053，制冷剂在水冷凝器105中吸收冷却液热量，再经过四通换向阀第三端口1023和四通换向阀第四端口1024，然后通过第一单向阀501和管道节点B后，到达气液分离器入口1072，经过气液分离器107将液态制冷剂和气态制冷剂进行分离。压缩机进气口1012从气液分离器出口1071吸入气态制冷剂，开始下一个制冷剂循环的工作。第一单向阀501能有效防止制冷剂回流到水冷凝器105而导致制冷剂中的润滑油无法正常回流到气液分离器107。冷却液会从水冷凝器第四端口1054流向散热器306并从环境中吸热，依次经过管道节点D、管道节点E、管道节点F、管道节点G和管道节点H后流回第二水泵入水口3012完成冷却液循环。
图5是图1所示整车热管理系统100在低温环境下热泵(电驱余热回收)加热座舱及电驱余热回收模式下的系统图。当逆变器302和驱动电机303出口冷却液温度较高时，可以利用电驱余热对座舱进行加热。如图5所示，从压缩机排气口1011流出的高温高压制冷剂经过四通换向阀第一端口1021和四通换向阀第二端口1022，之后经过室内换热器103制冷剂通道，此时，室内换热器103作冷凝器，在其冷凝作用下制冷剂由气态冷凝成液态。此时，第一电子膨胀阀104关闭，第二电子膨胀阀106打开。高温高压的制冷剂通过管道节点A后流向第二电子膨胀阀106并在其减压增大体积的作用下，形成低温低压的液雾状混合物，进入冷水机第一端口4051并从冷却液中吸收热量，制冷剂从冷水机第二端口4052流出，再经过第二单向阀502和管道节点B到达气液分离器入口1072，经过气液分离器107将液态制冷剂和气态制冷剂进行分离。压缩机进气口1012从气液分离器出口1071吸入气态制冷剂，开始下一个制冷剂循环的工作。另一方面，从第二水泵出水口3011排出的冷却液依次经过管道节点K、逆变器302、驱动电机303、第二三通阀第二端口3042和第二三通阀第一端口3041、水冷凝器105、管道节点C、单通阀305、管道节点D、管道节点E、管道节点F、管道节点G和管道节点I后流向冷水机第四端口4054，高温冷却液释放的热量被制冷剂吸收，并依次通过第二三通阀第二端口4042、第二三通阀404第三端口4043和管道节点H后流回第二水泵入水口3012，形成电驱余热回收的冷却液循环。
图6是图1所示整车热管理系统100在低温环境下热泵(电池余热回收)加热座舱及电池余热回收模式下的系统图。当动力电池第一端口4031的冷却液温度比电驱系统出水口冷却液温度高时，该工作模式可以将电驱余热利用替换为电池余热利用。由于制冷剂循环和图5完全相同，因此这里不再赘述。不同的是，第三水泵出水口4011泵出的冷却液流经电池加热器402和动力电池403，并在动力电池第一端口4031形成高温冷却液，然后经过第三三通阀第一端口4041和第三三通阀第二端口4042后进入冷水机第三端口4053。高温冷却液释放的热量被制冷剂吸收，并从冷水机第四端口4054流出，经过管道节点I，最后流回第三水泵入水口4012，形成电池余热回收冷却液循环。
图7是图1所示整车热管理系统100在电驱余热加热座舱模式下的系统图。在整车热管理系统100识别到热泵效率较低并且逆变器第一端口3021和驱动电机第一端口3031的冷却液温度较高时，可以直接利用电驱余热来加热座舱。此时，制冷剂循环和电池冷却液循环不工作。第二水泵出水口3011泵出的低温冷却液经逆变器302和驱动电机303后形成高温冷却液，然后依次经过第二三通阀第二端口3042和第二三通阀第一端口3041、水冷凝器105、管道节点C、单通阀305、管道节点D、管道节点E、管道节点J、第一水泵201和座舱加热器202后进入加热器芯第二端口2032。加热器芯203向鼓风机602吹出的空气释放热量加热座舱，并在加热器芯第一端口2031变回低温冷却液，再依次通过第一三通阀第一端口2041和第一三通阀第二端口2042、管道节点F、管道节点G和管道节点H后，流回第二水泵入水口3012，形成电驱余热加热座舱的冷却液循环。
图8是图1所示整车热管理系统100在电驱余热加热座舱和电池模式下的系统图。在整车热管理系统100识别到热泵效率较低、电池系统需要加热并且逆变器第一端口3021和驱动电机第一端口3031的冷却液温度较高时，可以利用电驱余热对座舱和电池进行加热。此时，制冷剂循环不工作。第二水泵出水口3011泵出的冷却液经管道节点K、逆变器302、驱动电机303后，在驱动电机第一端口3031形成高温冷却液，然后依次经过水冷凝器105、管道节点C、单通阀305、管道节点D、管道节点E后流入第一水泵入水口2012，再由第一水泵出水口2011流出经座舱加热器202后进入加热器芯第二端口2032。加热器芯203向鼓风机602吹出的空气释放热量加热座舱，并在加热器芯第一端口2031降低温度，再依次通过第一三通阀第一端口2041和第一三通阀第二端口2042、管道节点F、管道节点G、管道节点I、第三水泵401和电池加热器402，进入动力电池403入口4032，并对电池进行加热，加热后的冷却液会在动力电池第一端口4031会形成低温冷却液，再依次经过第三三通阀第一端口4041、第三三通阀第三端口4043和管道节点H后，流入第二水泵入水口3012，形成电驱余热加热座舱和电池的冷却液循环。
图9是图1所示整车热管理系统100在中温环境下电驱和电池散热器冷却模式下的系统图。在中温环境下，座舱无加热和冷却需求时要对电驱和电池进行冷却，一般此环境温度适合并且电池、电驱产热量不大，电池和电驱能同时利用散热器散热，从而减低压缩机载荷，起到了降低压缩机能耗的作用。在该模式下，从第三水泵出水口4011泵出的冷却液依次经过电池加热器402、动力电池403、第三三通阀第一端口4041、第二三通阀第三端口4043和管道节点H后流入第二水泵入水口3012，经第二水泵出水口3011流出的冷却液再依次经过管道节点K、逆变器302、驱动电机303、第二三通阀第二端口3042、第二三通阀第一端口3041、水冷凝器105和管道节点C后流入散热器第一端口3061。在风扇601的风速控制下，散热器第一端口3061的高温冷却液与空气发生热交换和降温，在散热器第二端口3062形成低温冷却液，再经散热器第二端口3062流经管道节点D、管道节点E、管道节点F、管道节点G和管道节点I后流回第三水泵入水口4012，从而形成中温环境下电驱和电池散热器冷却循环。
图10是图1所示整车热管理系统100在高温环境下热泵空调冷却座舱、电驱和电池散热器冷却模式下的系统图。当整车热管理系统100收到座舱空调制冷指令(或者控制模块6000自动产生座舱制冷指令)制冷剂循环对座舱制冷。从压缩机排气口1011流出的高温高压制冷剂通过四通换向阀第一端口1021和四通换向阀第三端口1023，之后通过水冷凝器第二端口1052，水冷凝器105会将气态制冷剂变成液态制冷剂，并通过冷却液流经散热器306向环境中散热。制冷剂从水冷凝器第一端口1051流出经过第一电子膨胀阀104，在其减压并增大体积的作用下，形成低温低压的液雾状混合物，然后通过管道节点A流入是室内换热器第二端口1032，此时室内换热器103用作蒸发器，制冷剂此时从鼓风机602吹出的空气吸收热量，并且通过空气制冷降低湿度。然后，制冷剂从室内换热器第一端口1031流出依次经过四通换向阀第二端口1022和四通换向阀第四端口1024、第一单向阀501和管道节点B后流向气液分离器入口1072，气液分离器107将液态制冷剂和气态制冷剂进行分离。压缩机进气口1012从气液分离器出口1071中吸入气态制冷剂，开始下一个制冷剂循环的工作。这种工作模式下的电驱和电池散热器冷却与图10所示的工作模式相同，因此这里不再赘述。
图11是图1所示整车热管理系统100在高温环境下热泵空调冷却座舱、电驱散热器冷却及电池冷水机冷却模式下的系统图。当空气温度较高时，电池高温冷却液无法通过散热器与环境空气发生热量交换，因此需要通过冷水机进行冷却。该模式下的制冷剂循环与图10所示不同的是，制冷剂在到达管道节点A时有一路流经第二电子膨胀阀106、冷水机405、第二单通阀502和管道节点B后，再流向气液分离器入口1072，气液分离器107将液态制冷剂和气态制冷剂进行分离。压缩机进气口1012从气液分离器出口1071中吸入气态制冷剂，开始下一个制冷剂循环的工作。与图10所示不同的是，在电驱冷却液散热器循环中，高温冷却液经散热器306热交换和降温作用下，依次经管道节点D、管道节点E、管道节点F、管道节点G和管道节点H，再流回第二水泵入水口3012，形成高温环境下电驱冷却液散热器循环。第三水泵出水口4011泵出的冷却液经电池加热器402、动力电池403、第三三通阀第一端口4041和第三三通阀第二端口4042后，流入冷水机第三端口4053，高温冷却液在冷水机405释放大量的热，然后在冷水机第四端口4054形成低温冷却液，再经管道节点I，流回第三水泵入水口4012，形成电池冷水机冷却循环。
本领域的技术人员可以对本发明实例进行各种修改和变型，倘若这些修改和变型在本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则这些修改和变型也在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种基于热泵的纯电动汽车热管理系统，其特征在于，包括：
热泵制冷剂循环单元，包括压缩机(101)、四通换向阀(102)、室内换热器(103)、第一电子膨胀阀(104)、水冷凝器(105)、第二电子膨胀阀(106)、气液分离器(107)、冷水机(405)、第一单向阀(501)和第二单向阀(502)；压缩机(101)的排气口依次连通有四通换向阀(102)、第一单向阀(501)、第二单向阀(502)、冷水机(405)、第二电子膨胀阀(106)和室内换热器(103)，室内换热器(103)还与四通换向阀(102)连通；四通换向阀(102)还与水冷凝器(105)、第一电子膨胀阀(104)连通；室内换热器(103)、第一电子膨胀阀(104)和第二电子膨胀阀(106)通过管道节点A连通；压缩机(101)的进气口与连通气液分离器(107)连通，气液分离器(107)、与第一单向阀(501)和第二单向阀(502)通过管道节点B连通；
电驱冷却液循环单元，包括第二水泵(301)、逆变器(302)、驱动电机(303)、第二三通阀(304)、单通阀(305)、散热器(306)和水冷凝器(105)；第二水泵(301)与逆变器(302)、驱动电机(303)和第二三通阀(304)依次连通，第二三通阀(304)通过水冷凝器(105)分别与单通阀(305)和散热器(306)连通；
座舱加热循环单元，包括第一水泵(201)、座舱加热器(202)、加热器芯(203)和第一三通阀(204)；第一水泵(201)、座舱加热器(202)、加热器芯(203)和第一三通阀(204)依次连通；
电池冷却液循环单元，包括第三水泵(401)、电池加热器(402)、动力电池(403)和第三三通阀(404)；第三水泵(401)、电池加热器(402)、动力电池(403)、第三三通阀(404)和冷水机(405)依次连通；
风扇(601)，为散热器(306)冷却液与空气热交换提供所需要的空气流量；
鼓风机(602)，为室内换热器(103)制冷剂与空气热交换提供所需要的空气流量、为加热器芯(203)冷却液与空气热交换提供所需要的空气流量；
所述第一三通阀(204)控制座舱加热循环单元与电驱冷却液循环单元的通断；
所述第三三通阀(404)控制电驱冷却液循环单元与电池冷却液循环单元的通断；
所述压缩机(101)、四通换向阀(102)、第一电子膨胀阀(104)、第二电子膨胀阀(106)、第一水泵(201)、座舱加热器(202)、第一三通阀(204)、第二水泵(301)、第二三通阀(304)、单通阀(305)、第三水泵(401)、电池加热器(402)、第三三通阀(404)、风扇(601)和鼓风机(602)均与控制模块(6000)通讯连接；
所述控制模块(6000)通过控制压缩机(101)控制制冷剂流量，通过控制第一水泵(201)、第二水泵(301)和第三水泵(401)控制冷却液流量，通过控制风扇(601)和鼓风机(602)控制空气流量，通过控制座舱加热器(202)和电池加热器(402)控制加热功率，通过控制四通换向阀(102)、第一电子膨胀阀(104)、第二电子膨胀阀(106)、单通阀(305)、第一三通阀(204)、第二三通阀(304)和第三三通阀(404)控制流体的连通、断开或者实现指定的流动状态；
所述控制模块(6000)控制四通换向阀(102)的第一端口和第三端口连通，当制冷剂从室内换热器(103)流出时，控制四通换向阀(102)的第二端口和第四端口连通、第一电子膨胀阀(104)和第二电子膨胀阀(106)打开、单通阀(305)和第一三通阀(204)关闭、第二三通阀(304)的第一端口和第二端口连通、第三三通阀(404)的第一端口和第二端口连通、压缩机(101)的制冷剂流量、第二水泵(301)和第三水泵(401)的冷却液流量、风扇(601)和鼓风机(602)的空气流量，实现高温环境热泵空调冷却座舱、电驱散热器冷却和电池冷水机冷却模式；
所述控制模块(6000)控制四通换向阀(102)的第一端口和第二端口连通，当制冷剂从水冷凝器(105)流出时，控制四通换向阀(102)的第三端口和第四端口连通、第一电子膨胀阀(104)打开、第二电子膨胀阀(106)和单通阀(305)关闭、第一三通阀(204)和第三三通阀(404)关闭、第二三通阀(304)的第三端口和第一端口连通、压缩机(101)的制冷剂流量、座舱加热器(202)和电池加热器(402)的加热功率、风扇(601)和鼓风机(602)的空气流量、第二水泵(301)的冷却液流量，实现低温环境下热泵加热座舱模式；
所述控制模块(6000)控制四通换向阀(102)的第一端口和第二端口连通、第一电子膨胀阀(104)关闭、第二电子膨胀阀(106)和单通阀(305)打开、第一三通阀(204)关闭、第二三通阀(304)的第一端口和第二端口连通、第三三通阀(404)的第二端口和第三端口连通、压缩机(101)的制冷剂流量、第二水泵(301)的冷却液流量、座舱加热器(202)和电池加热器(402)的加热功率、风扇(601)和鼓风机(602)的空气流量，实现低温环境下热泵利用电机余热加热座舱模式；
所述控制模块(6000)控制四通换向阀(102)的第一端口和第二端口连通、第一电子膨胀阀(104)关闭、第二电子膨胀阀(106)打开、第一三通阀(204)和单通阀(305)关闭、第二三通阀(304)关闭、第三三通阀(404)的第一端口和第二端口连通、压缩机(101)的制冷剂流量、第三水泵(401)的冷却液流量、风扇(601)和鼓风机(602)的空气流量、座舱加热器(202)和电池加热器(402)的加热功率，实现低温环境下热泵利用电池余热加热座舱模式；
所述控制模块(6000)控制四通换向阀(102)、第一电子膨胀阀(104)、第二电子膨胀阀(106)和第三三通阀(404)关闭，控制第一三通阀(204)的第一端口和第二端口连通、单通阀(305)打开、第二三通阀(304)的第一端口和第二端口连通、第一水泵(201)和第二水泵(301)的冷却液流量、鼓风机(602)的空气流量、座舱加热器(202)的加热功率，实现电驱余热加热座舱模式；
所述控制模块(6000)控制四通换向阀(102)、第一电子膨胀阀(104)和第二电子膨胀阀(106)关闭，控制第一三通阀(204)的第一端口和第二端口连通、第二三通阀(304)的第一端口和第二端口连通、第三三通阀(404)的第一端口和第三端口连通，控制第一水泵(201)、第二水泵(301)和第三水泵(401)的冷却液流量，控制鼓风机(602)的空气流量、座舱加热器(202)和电池加热器(402)的加热功率，实现电驱余热加热座舱和电池模式；
所述控制模块(6000)控制四通换向阀(102)、第一电子膨胀阀(104)、第二电子膨胀阀(106)、单通阀(305)和第一三通阀(204)关闭，控制第二三通阀(304)的第一端口和第二端口连通、第三三通阀(404)的第一端口和第三端口连通、第二水泵(301)和第三水泵(401)的冷却液流量、风扇(601)的空气流量，实现中温环境下电驱和电池散热器冷却模式；
所述控制模块(6000)控制四通换向阀(102)的第一端口和第三端口连通，当制冷剂从室内换热器(103)流出时，控制四通换向阀(102)的第二端口和第四端口连通、第一电子膨胀阀(104)打开、第二电子膨胀阀(106)和单通阀(305)关闭、第一三通阀(204)关闭、第二三通阀(304)的第一端口和第二端口连通、第三三通阀(404)的第一端口和第三端口连通、压缩机(101)的制冷剂流量、第二水泵(301)和第三水泵(401)的冷却液流量、风扇(601)和鼓风机(602)的空气流量，实现高温环境热泵空调冷却座舱、电驱和电池散热器冷却模式。
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