CN114683808A - 一种含相变储热的纯电动汽车耦合热管理系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种含相变储热的纯电动汽车耦合热管理系统，属于纯电动汽车耦合热管理技术领域，本系统包括制冷剂回路和冷却液回路两个回路；制冷剂回路和冷却液回路通过板式换热器实现热量交换；制冷剂回路，包括电动压缩机、车内换热器、车外换热器、双向电子膨胀阀、四通换向阀、气液分离器、第一三通阀、第一闸阀、第二闸阀、板式换热器和制冷剂管路；冷却液回路，包括电池组、相变材料、储热换热器、水泵、第二三通阀、第三三通阀、第四三通阀和冷却液管路，板式换热器同时也包含在冷却液回路中。本发明能够对动力电池进行热管理，在热泵空调的除霜工况下为车外换热器和车内换热器同时提供热量，解决除霜过程能耗过大且车内温度波动的问题。

Description

一种含相变储热的纯电动汽车耦合热管理系统
技术领域
本发明属于纯电动汽车耦合热管理技术领域，具体涉及一种含相变储热的纯电动汽车耦合热管理系统。
背景技术
纯电动汽车的动力电池的性能和寿命会受到温度的影响：温度过高，电池组的寿命会缩短，甚至发生爆炸等安全事故；过低的温度则会减慢电池内部的电化学反应，从而降低电池组的充放电效率，缩短纯电动汽车的续航里程。因此，纯电动汽车需要电池热管理系统来保证电池组处于合适的工作温度范围之内。另一方面，由于没有发动机的余热可供利用，纯电动汽车在冬季对车厢内的供暖也是一大难题。由于热泵空调系统的制热效率高、零部件少等优势，是纯电动汽车发展的趋势。但是热泵空调系统面临着低温时车外换热器外侧结霜的问题，结霜后的换热器换热效果急剧下降，严重影响热泵空调的制热效果，甚至会造成损坏压缩机的后果，因此需要对结霜的换热器进行除霜。目前常用的除霜方法是逆向除霜法，即利用四通阀改变制冷剂的流动方向，使得制冷剂吸收车内的热量，转而向车外换热器供热，从而实现化霜的效果。但是在逆向除霜时，压缩机需要消耗额外的电能，会缩短纯电动汽车的续航里程，另外由于热泵空调吸收了车内的热量，会使得车厢内的温度降低，严重影响到车厢内的热舒适性。因此，亟需对逆向除霜法进行优化设计。
2020年10月16日公开了一项申请号CN111780465A，名为“无需停车的电动汽车热泵除霜系统及其运行方法”的发明专利：该技术将电池和电机工作过程中产生的热量利用于热泵空调的正常制热和除霜过程中；但是电池和电机的热量要在二者工作的同时供给车厢内和车厢外换热器，可能造成热量不足的问题，从而影响车内的供热和车外的除霜，另一方面，除霜过程还需提高压缩机转速，会造成一定的电能损失。2018年10月12日公开了一项申请号为201810339756.7，名为“基于相变储能除霜的新型电动汽车热泵空调系统及其控制方法”的发明专利：该技术利用了相变材料的储热，为除霜工况下的车外换热器提供热量；但是相变材料储存的热量来源于制热模式下的热泵空调，因此需要耗费额外的电量，对纯电动汽车的续航里程不利。
发明内容
针对现有技术中存在的上述技术问题，本发明提出了一种含相变储热的纯电动汽车耦合热管理系统，设计合理，克服了现有技术的不足，具有良好的效果。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种含相变储热的纯电动汽车耦合热管理系统，包括制冷剂回路和冷却液回路两个回路；制冷剂回路和冷却液回路通过板式换热器实现热量交换；
制冷剂回路，包括电动压缩机、车内换热器、车外换热器、双向电子膨胀阀、四通换向阀、气液分离器、第一三通阀、第一闸阀、第二闸阀、板式换热器和制冷剂管路；
其中，四通换向阀设置有4个端口，分别是A端口、B端口、C端口和D端口；四通换向阀的A端口通过气液分离器与电动压缩机的入口相连；四通换向阀的B端口与板式换热器的一端通过制冷剂管路相连，四通换向阀的B端口通过第二闸阀与车内换热器的一端相连；四通换向阀的C端口与电动压缩机的出口通过制冷剂管路相连，四通换向阀的C端口通过第一闸阀与车内换热器的一端相连；四通换向阀的D端口通过制冷剂管路与车外换热器的一端相连；
第一三通阀设置有3个端口，分别是E端口、F端口和G端口；第一三通阀的E端口与车内换热器的另一端通过制冷剂管路相连，第一三通阀的F端口与板式换热器的另一端通过制冷剂管路相连，第一三通阀的G端口通过双向电子膨胀阀与车外换热器的另一端相连；
冷却液回路，包括电池组、相变材料、储热换热器、水泵、第二三通阀、第三三通阀、第四三通阀和冷却液管路，板式换热器同时也包含在冷却液回路中；
第二三通阀设置有3个端口，分别是H端口、I端口和J端口；第二三通阀的H端口与电池组的一端通过冷却液管路相连，第二三通阀的I端口与水泵的出口通过冷却液管路相连，第二三通阀的J端口与板式换热器的一端以及第三三通阀的L端口通过冷却液管路相连；
第三三通阀设置有3个端口，分别是K端口、L端口和M端口；第三三通阀的K端口与储热换热器的一端通过冷却液管路相连，第三三通阀的L端口与板式换热器的一端以及第二三通阀的J端口通过冷却液管路相连，第三三通阀的M端口与水泵的入口通过冷却液管路相连；
第四三通阀有3个端口，分别是N端口、O端口和P端口；第四三通阀的N端口与储热换热器的另一端通过冷却液管路相连，第四三通阀的O端口与电池组的另一端通过冷却液管路相连，第四三通阀的P端口与板式换热器的另一端通过冷却液管路相连。
优选地，四通换向阀能够切换两种位置，分别是AB联通且CD联通位置或者AD联通且BC联通位置；第一闸阀能够开启或关闭；第二闸阀能够开启或关闭。
优选地，第一三通阀能够切换五种位置，分别是EF单独联通位置、FG单独联通位置、EG单独联通位置、EG联通且FG联通位置、EF联通且FG联通位置。
优选地，第二三通阀能够切换两种位置，分别是HI单独联通或IJ单独联通位置；
第三三通阀能够切换两种位置，分别是KM单独联通或LM单独联通位置；
第四三通阀能够切换三种位置，分别是NO单独联通位置、NP单独联通位置、OP单独联通位置。
优选地，车外换热器和车内换热器的外部分别设置有风扇；车外换热器的外部布置有压差传感器，配置为用以判断是否结霜。
优选地，电池组的内部设置有温度传感器，配置为用以检测电池组温度。
优选地，板式换热器能够供制冷剂和冷却液两种流体流经，这两种流体并不直接接触，仅通过板式换热进行热量交换。
优选地，储热换热器的内部设置有供冷却液流动的内部流道，在内部流道的外面设置有翅片，以增强换热，储热换热器的外面包裹有相变材料，相变材料的外面包裹有保温材料。相变材料为相变温度为30°C左右的有机或无机相变材料。
优选地，制冷剂回路中介质为R134a；冷却液回路中介质为水。
优选地，热管理系统有六种工作模式：电池预热模式、电池蓄热模式、电池冷却模式、车厢制冷模式、车厢制热模式和除霜模式。
本发明所带来的有益技术效果：
1）本发明利用相变材料为除霜工况下热泵空调的车外换热器提供热量，利用了相变材料潜热量大的优势，解决了已有技术中除霜工况供热量不足的问题；同时这部分热量是将电池的余热回收后通过储热换热器储存在相变材料中的，所蓄热量不需要热泵空调系统额外供给，因此总体的热效率更高，能为纯电动汽车节约电能。
2）本发明中相变材料可以在除霜工况下为车厢内提供热量，因此在除霜时车厢内的温度不受影响，保证驾乘人员的热舒适性。
3）本发明为动力电池提供了多种热管理方式，可根据动力电池不同的使用状态切换最为合适的热管理方式，不仅可以对电池进行散热，还可以对冷启动状态下的电池进行加热，保证电池组在适合的温度范围内工作。
附图说明
图1为本发明管理系统结构示意图；
图2为电池预热模式示意图；
图3为电池蓄热模式示意图；
图4为电池冷却模式示意图；
图5为车厢制冷模式示意图；
图6为车厢制热模式示意图；
图7为除霜模式示意图；
其中，1-电动压缩机；2-四通换向阀；3-车外换热器；4-双向电子膨胀阀；5-第一三通阀；6-车内换热器；7-第二闸阀；8-气液分离器；9-第一闸阀；10-板式换热器；11-第二三通阀；12-水泵；13-第三三通阀；14-储热换热器；15-相变材料；16-第四三通阀；17-电池组。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施方式对本发明作进一步详细说明：
如图1所示，一种含相变储热的纯电动汽车耦合热管理系统，包括制冷剂回路和冷却液回路两个回路；制冷剂回路和冷却液回路通过板式换热器实现热量交换；
制冷剂回路，包括电动压缩机1、车内换热器6、车外换热器3、双向电子膨胀阀4、四通换向阀2、气液分离器8、第一三通阀5、第一闸阀9、第二闸阀7、板式换热器10和制冷剂管路；
其中，四通换向阀2设置有4个端口，分别是A端口、B端口、C端口和D端口；四通换向阀2的A端口通过气液分离器8与电动压缩机1的入口相连；四通换向阀2的B端口与板式换热器10的一端通过制冷剂管路相连，四通换向阀2的B端口通过第二闸阀7与车内换热器6的一端相连；四通换向阀2的C端口与电动压缩机1的出口通过制冷剂管路相连，四通换向阀2的C端口通过第一闸阀9与车内换热器6的一端相连；四通换向阀2的D端口通过制冷剂管路与车外换热器3的一端相连。
四通换向阀2能够切换两种位置，分别是AB联通且CD联通位置或者AD联通且BC联通位置；第一闸阀9能够开启或关闭；第二闸阀7能够开启或关闭。
第一三通阀5设置有3个端口，分别是E端口、F端口和G端口；第一三通阀5的E端口与车内换热器6的另一端通过制冷剂管路相连，第一三通阀5的F端口与板式换热器10的另一端通过制冷剂管路相连，第一三通阀5的G端口通过双向电子膨胀阀4与车外换热器3的另一端相连。
第一三通阀5能够切换五种位置，分别是EF单独联通位置、FG单独联通位置、EG单独联通位置、EG联通且FG联通位置、EF联通且FG联通位置。
冷却液回路，包括电池组17、相变材料15、储热换热器14、水泵12、第二三通阀11、第三三通阀13、第四三通阀16和冷却液管路，板式换热器10同时也包含在冷却液回路中。
第二三通阀11设置有3个端口，分别是H端口、I端口和J端口；第二三通阀11的H端口与电池组17的一端通过冷却液管路相连，第二三通阀11的I端口与水泵12的出口通过冷却液管路相连，第二三通阀11的J端口与板式换热器10的一端以及第三三通阀13的L端口通过冷却液管路相连。
第二三通阀11能够切换两种位置，分别是HI单独联通或IJ单独联通位置。
第三三通阀13设置有3个端口，分别是K端口、L端口和M端口；第三三通阀13的K端口与储热换热器14的一端通过冷却液管路相连，第三三通阀13的L端口与板式换热器10的一端以及第二三通阀11的J端口通过冷却液管路相连，第三三通阀13的M端口与水泵12的入口通过冷却液管路相连。
第三三通阀13能够切换两种位置，分别是KM单独联通或LM单独联通位置。
第四三通阀16有3个端口，分别是N端口、O端口和P端口；第四三通阀16的N端口与储热换热器14的另一端通过冷却液管路相连，第四三通阀16的O端口与电池组17的另一端通过冷却液管路相连，第四三通阀16的P端口与板式换热器10的另一端通过冷却液管路相连。
第四三通阀16能够切换三种位置，分别是NO单独联通位置、NP单独联通位置、OP单独联通位置。
车外换热器3和车内换热器6的外部分别设置有风扇；车外换热器3的外部布置有压差传感器，配置为用以判断是否结霜。
电池组17的内部设置有温度传感器，配置为用以检测电池组温度。
板式换热器10能够供制冷剂和冷却液两种流体流经，这两种流体并不直接接触，仅通过板式换热进行热量交换。
储热换热器14的内部设置有供冷却液流动的内部流道，在内部流道的外面设置有翅片，以增强换热，储热换热器14的外面包裹有相变材料15，相变材料15的外面包裹有保温材料；相变材料为相变温度为30°C左右的有机或无机相变材料。
制冷剂回路中介质为R134a；冷却液回路中介质为水。
汽车的电控系统连接电池组17内温度传感器和车外换热器3的压差传感器，电控系统还可以控制电动压缩机1、车外换热器风扇、车内换热器风扇和水泵12的启停，以及四通换向阀2、第一三通阀5、第二三通阀11、第三三通阀13、第四三通阀16的联通位置，以及第一闸阀9和第二闸阀7的开启和关闭状态。
热管理系统有六种工作模式：电池预热模式、电池蓄热模式、电池冷却模式、车厢制冷模式、车厢制热模式和除霜模式。
如图2所示，当电池组17冷启动时，电池组温度传感器检测电池温度，如果电池温度低于电池适宜温度的最低值，则热管理系统启动电池预热模式。电控系统命令电动压缩机1开机、车外换热器风扇开机、第一闸阀9关闭、第二闸阀7关闭、四通换向阀2切换至AD联通且BC联通位置、第一三通阀5切换至FG联通位置、第二三通阀11切换至IH联通位置、第三三通阀13切换至LM联通位置，第四三通阀16切换至OP联通位置、水泵12开启。从电动压缩机1出口流出的高温高压制冷剂经四通换向阀2流入板式换热器10放热，再经第一三通阀5和双向电子膨胀阀4流入车外换热器3吸热，之后再经四通换向阀2流入气液分离器8后回到电动压缩机1，以此往复。冷却液在水泵12的带动下在电池组17和板式换热器10之间流动，从板式换热器10吸热后，将热量传递给电池组17。当电池组17温度高于适宜温度的最低值后，电动压缩机1、车外换热器风扇、水泵12关机。在电池预热模式下，热泵空调系统实现了对电池组17的加热，可以避免电池在过低的温度下工作所造成的性能衰减和寿命缩短问题。
如图3 所示，在电动汽车行驶过程中，即在电池工作状态下，热管理系统启动电池蓄热模式，同时温度传感器持续检测电池温度，若温度低于电池适宜温度范围的最低值，则蓄热模式立即停止。在蓄热模式下，水泵12启动，第二三通阀11切换至HI联通位置，第三三通阀13切换到KM 联通位置，第四三通阀16切换至NO联通位置。冷却液在水泵12的带动下在电池组17和储热换热器14之间流动，流动过程中吸收电池组17的热量，再将这些热量传递至储热换热器14，再通过储热换热器14将这些热量储存在相变材料15中。电池蓄热模式一方面实现了对电池的降温，另一方面完成了电池的余热回收，这些热量被储存在相变材料之中。
如图4所示，当电池温度高于电池组适宜温度范围的最高值时，热管理系统启动电池制冷模式。电控系统先开启水泵12，同时切换第二三通阀11至HI联通位置，切换第三三通阀13至LM 联通位置，切换第四三通阀16至OP联通位置，使得冷却液在水泵12的带动下在电池组17和板式换热器10之间流动，将电池组17的热量传递给板式换热器10。随后开启电动压缩机1和车外换热器风扇，关闭第一闸阀9和第二闸阀7，切换四通换向阀2至AB联通且CD联通位置，切换第一三通阀5至FG联通位置。从电动压缩机1出口流出的高温高压的制冷剂流入车外换热器3，在车外换热器3中向车外放出热量，之后流经双向电子膨胀阀4和第一三通阀5进入板式换热器10，在板式换热器10中吸收冷却液的热量，之后经过四通换向阀2和气液分离器8回到电动压缩机1，以此往复。电池冷却模式利用了空调系统的制冷，可以实现电池组17的快速降温，保证电池组17在长时间工作或高负荷工作等高产热量状态下仍能保持适宜的温度。
如图5所示，当车厢内的驾乘人员开启空调制冷时，热管理系统启动车厢制冷模式。电控系统开启电动压缩机1、车外换热器风扇、车内换热器风扇，关闭第一闸阀9，开启第二闸阀7，切换四通换向阀2至AB联通且CD联通位置，切换第一三通阀5至EG联通位置。从电动压缩机1出口流出的高温高压的制冷剂流入车外换热器3，在车外换热器3中向车外放出热量，之后流经双向电子膨胀阀4和第一三通阀5进入车内换热器6吸收车内热量，之后经过四通换向阀2和气液分离器8回到电动压缩机1，以此往复。如果在车厢制冷模式下需要同时开启电池制冷模式的话，则只需在电池制冷模式和车厢制冷模式的基础上将第一三通阀5切换至EG联通且FG联通位置。
如图6所示，当车厢内的驾乘人员开启制热功能时，热管理系统启动车厢制热模式。电控系统开启电动压缩机1、车外换热器风扇、车内换热器风扇，关闭第一闸阀9，开启第二闸阀7，切换四通换向阀2至AD且BC联通位置，切换第一三通阀5至EG联通位置。从电动压缩机1出口流出的高温高压的制冷剂流入车内换热器6，在车内换热器6中向车厢内放出热量，之后流经第一三通阀5和双向电子膨胀阀4进入车外换热器3吸收车外热量，之后经过四通换向阀2和气液分离器8回到电动压缩机1，以此往复。如果在车厢制热模式下需要同时开启电池预热模式的话，则只需在电池预热模式和车厢制热模式的基础上将第一三通阀5切换至EG联通且FG联通位置。
如图7所示，在冬季使用车厢制冷模式过程中，当车外换热器的压差传感器检测到车外换热器空气测的进出口压差过高时，热管理系统启动除霜模式。先开启水泵12，切换第二三通阀11至IJ联通位置，切换第三三通阀13到KM 联通位置，切换第四三通阀16至NP联通位置。冷却液管路中的冷却液在储热换热器14和板式换热器10之间流动，从而将相变材料15中的热量传递到板式换热器10中。随后开启电动压缩机1、车外换热器风扇、车内换热器风扇，开启第一闸阀9，关闭第二闸阀7，切换四通换向阀2至AB且CD联通位置，切换第一三通阀5至EF联通且FG联通位置。制冷剂在板式换热器中吸收冷却液的热量后，经过四通换向阀2被电动压缩机1压缩成高温高压状态，之后分别进入车外换热器3和车内换热器6后通过第一三通阀5回到板式换热器10，再次吸热后流出，如此反复。经过除霜模式，相变材料15中储存的电池的余热被冷却液带到板式换热器10中，再通过制冷剂和冷却液在板式换热器10中的热量交换，同时供给车外换热器除霜和车内供热所使用。
当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种含相变储热的纯电动汽车耦合热管理系统，其特征在于：包括制冷剂回路和冷却液回路两个回路；制冷剂回路和冷却液回路通过板式换热器实现热量交换；
制冷剂回路，包括电动压缩机、车内换热器、车外换热器、双向电子膨胀阀、四通换向阀、气液分离器、第一三通阀、第一闸阀、第二闸阀、板式换热器和制冷剂管路；
其中，四通换向阀设置有4个端口，分别是A端口、B端口、C端口和D端口；四通换向阀的A端口通过气液分离器与电动压缩机的入口相连；四通换向阀的B端口与板式换热器的一端通过制冷剂管路相连，四通换向阀的B端口通过第二闸阀与车内换热器的一端相连；四通换向阀的C端口与电动压缩机的出口通过制冷剂管路相连，四通换向阀的C端口通过第一闸阀与车内换热器的一端相连；四通换向阀的D端口通过制冷剂管路与车外换热器的一端相连；
第一三通阀设置有3个端口，分别是E端口、F端口和G端口；第一三通阀的E端口与车内换热器的另一端通过制冷剂管路相连，第一三通阀的F端口与板式换热器的另一端通过制冷剂管路相连，第一三通阀的G端口通过双向电子膨胀阀与车外换热器的另一端相连；
冷却液回路，包括电池组、相变材料、储热换热器、水泵、第二三通阀、第三三通阀、第四三通阀和冷却液管路，板式换热器同时也包含在冷却液回路中；
第二三通阀设置有3个端口，分别是H端口、I端口和J端口；第二三通阀的H端口与电池组的一端通过冷却液管路相连，第二三通阀的I端口与水泵的出口通过冷却液管路相连，第二三通阀的J端口与板式换热器的一端以及第三三通阀的L端口通过冷却液管路相连；
第三三通阀设置有3个端口，分别是K端口、L端口和M端口；第三三通阀的K端口与储热换热器的一端通过冷却液管路相连，第三三通阀的L端口与板式换热器的一端以及第二三通阀的J端口通过冷却液管路相连，第三三通阀的M端口与水泵的入口通过冷却液管路相连；
第四三通阀有3个端口，分别是N端口、O端口和P端口；第四三通阀的N端口与储热换热器的另一端通过冷却液管路相连，第四三通阀的O端口与电池组的另一端通过冷却液管路相连，第四三通阀的P端口与板式换热器的另一端通过冷却液管路相连。
2.根据权利要求1所述的含相变储热的纯电动汽车耦合热管理系统，其特征在于：四通换向阀能够切换两种位置，分别是AB联通且CD联通位置或者AD联通且BC联通位置；第一闸阀能够开启或关闭；第二闸阀能够开启或关闭。
3.根据权利要求1所述的含相变储热的纯电动汽车耦合热管理系统，其特征在于：第一三通阀能够切换五种位置，分别是EF单独联通位置、FG单独联通位置、EG单独联通位置、EG联通且FG联通位置、EF联通且FG联通位置。
4.根据权利要求1所述的含相变储热的纯电动汽车耦合热管理系统，其特征在于：第二三通阀能够切换两种位置，分别是HI单独联通或IJ单独联通位置；
第三三通阀能够切换两种位置，分别是KM单独联通或LM单独联通位置；
第四三通阀能够切换三种位置，分别是NO单独联通位置、NP单独联通位置、OP单独联通位置。
5.根据权利要求1所述的含相变储热的纯电动汽车耦合热管理系统，其特征在于：车外换热器和车内换热器的外部分别设置有风扇；车外换热器的外部布置有压差传感器，配置为用以判断是否结霜。
6.根据权利要求1所述的含相变储热的纯电动汽车耦合热管理系统，其特征在于：电池组的内部设置有温度传感器，配置为用以检测电池组温度。
7.根据权利要求1所述的含相变储热的纯电动汽车耦合热管理系统，其特征在于：板式换热器能够供制冷剂和冷却液两种流体流经，这两种流体并不直接接触，仅通过板式换热进行热量交换。
8.根据权利要求1所述的含相变储热的纯电动汽车耦合热管理系统，其特征在于：储热换热器的内部设置有供冷却液流动的内部流道，在内部流道的外面设置有翅片，以增强换热，储热换热器的外面包裹有相变材料，相变材料的外面包裹有保温材料。
9.根据权利要求1所述的含相变储热的纯电动汽车耦合热管理系统，其特征在于：制冷剂回路中介质为R134a；冷却液回路中介质为水。
10.根据权利要求1所述的含相变储热的纯电动汽车耦合热管理系统，其特征在于：热管理系统有六种工作模式：电池预热模式、电池蓄热模式、电池冷却模式、车厢制冷模式、车厢制热模式和除霜模式。
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