CN116890630A - 一种通过外部补充储能介质的电动汽车热管理系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开涉及一种通过外部补充储能介质的电动汽车热管理系统，主要使用外部补充的储能介质对电动汽车各系统进行热管理，包括外部充能站、储能介质储存系统、乘员舱温控系统、电池温控系统、电控冷却系统、电机冷却系统、外部散热系统、储能介质循环控制系统等。该电动汽车热管理系统根据电动汽车使用环境温度不同，可以在不同的工作模式下运行。本发明通过外部充能站补充的储能介质对行驶中的电动汽车各系统进行热管理，可以有效节省电动汽车动力电池能量，提高续航里程。
Description
技术领域
本发明涉及电动汽车热管理技术领域，具体涉及一种通过外部补充储能介质的电动汽车热管理系统。
背景技术
随着电池能量密度不断增加，纯电动汽车的续航里程得到一定提升。同时伴随着使用环境和使用区域的不断扩大，这对电动车驱动单元、动力单元的性能提出了更高要求。在这样的背景下，电机、电控、电池以及乘员舱的热管理变得非常重要。
先进的汽车热管理技术，不仅能够使电池工作在良好的温度状态，提升电动汽车的电池利用率和寿命，也能够充分考虑整车层面的能量再利用，提升整车的续航里程。一个好的热管理系统是多个系统耦合的复杂系统，是一个包含了电机/电控、电池温控、乘员舱温控的整体系统，不同工况下采用不同的热管理模式，采用不同的控制策略。而现有的电动汽车热管理系统，大多以热泵、压缩机等部件进行温控，需要消耗大量动力电池能源，减少了电动汽车的续航里程。同时由于各子系统相互独立，彼此能量不能相互利用，造成能耗损失。所以为了提高能量利用率，减少对动力电池能量的依赖，需要选用更加优化的集成系统。
相变材料(Phase Change Materials,PCM)是一种蓄热材料。通常，热能传递发生在物质不同相之间的转换过程中。高性能相变材料应具有储能容量大、导热系数高、化学稳定性好、相变温度适宜、成本低等特点。微胶囊是一种微包装技术，它将微小的固体、液体或气体材料包裹在天然或合成聚合物基质的外壳中，以保护不稳定或敏感的功能材料。因此，将相变材料进行微胶囊化能有效地发挥相变材料的蓄能特性。微胶囊相变材料(Microencapsulated Phase Chang Materials,MPCM)相对于PCM的主要优点是：①传热面积更大；②降低PCM对外界环境的反应性，便于控制相变材料体积的变化。
现有的电动汽车热管理方案存在的缺陷是：
1、专利文件CN 113561731 B公开了一种整车热管理系统和电动车，“本发明属于电动车技术领域,公开了一种整车热管理系统和车辆；所述整车热管理系统包括：制冷剂循环系统、暖风水循环系统、电池水循环系统、电机水循环系统、第一换热元件、第二换热元件、第三换热元件以及四通阀；所述制冷剂循环系统通过所述第一换热元件与所述暖风水循环系统耦合；所述制冷剂循环系统通过所述第二换热元件与所述电池水循环系统耦合；所述暖风水循环系统通过所述第三换热元件与所述电池水循环系统耦合；所述电池水循环系统通过所述四通阀与所述电机水循环系统相连。本发明提供的整车热管理系统能够优化电动车热量管理结构,保证续航能力的同时优化车辆制冷制热效果,提升电能利用率。”然而上述公开文献的一种整车热管理系统和电动车，没有考虑对电动汽车运行时各子系统产生的热量进行回收利用，同时没有详细阐述热管理系统在不同环境下的运行模式。因此有必要提出一种方案，将电动汽车各子系统有效串联，实现热量的回收利用。
2、专利文件CN218661259U公开了一种电动车热管理架构及电动车辆，“本实用新型提供了一种电动车热管理架构及电动车辆,属于车辆热管理技术领域,包括电池循环回路、电驱循环回路、空调循环通路、第一换热器和第二换热器；空调循环通路包括顺次串联循环的压缩机和室内换热器；第一换热器的其中一个热交换侧并联于室内换热器,另一热交换侧连接于电池循环回路；第二换热器的其中一个热交换侧串联于室内换热器的出口与压缩机的入口之间,另一热交换侧连接于电驱循环回路。本实用新型通过设置第一换热器和第二换热器实现电驱余热的充分利用,在达到同样加热效果的前提下,能减少电加热所需的功率,有效改善能耗过高,影响整车动力性的问题,避免电池均温或电池加热时与热泵回收余热冲突,无法吸收电驱废热的问题。”然而上述公开文献的一种电动车热管理架构及电动车辆，其加热制冷功能的实现依旧需要消耗大量动力电池能量。因此，有必要提出一种措施，使用外部提供的热量/冷量对电动汽车各部件进行热管理。
3、专利文件CN111886156A公开了一种交通工具充能方法,“公开了交通工具充能站(1),其包括：第一储存器(5),其被布置成包含第一充能流体；以及充能流体传送系统(3),其被布置成传送第一充能流体(5)的至少部分以与选择性地连接至交通工具充能站(1)的交通工具(100)的交通工具热能存储材料(108)形成热交换关系,从而通过改变交通工具热能存储材料(108)的温度和/或状态和/或化学成分来对交通工具热能存储材料(108)进行充能。”然而上述公开文献的一种交通工具充能方法只描述了对交通工具充能的充能站的系统结构以及充能逻辑，没有叙述使用充能的交通工具的热管理系统架构和工作模式。
发明内容
本发明的目的是为解决电动汽车热管理系统占用过多动力电池能源，影响电动汽车续航里程问题，提出一种通过外部补充储能介质的电动汽车热管理系统，通过外部补充的储能介质对电动汽车各系统进行热管理，到达节约动力电池，提高电动汽车续航里程的效果。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种通过外部补充储能介质的电动汽车热管理系统，包括：外部充能站、储能介质储存系统、乘员舱温控系统、电池温控系统、电控冷却系统、电机冷却系统、外部散热系统和储能介质循环控制系统；
所述外部充能站与储能介质储存系统通过管道连接，所述储能介质储存系统通过储能介质循环控制系统分别与乘员舱温控系统、电池温控系统、电控冷却系统和外部散热系统连接，所述电控冷却系统设于电机冷却系统的一侧并与电池温控系统及电机冷却系统连接；
其中，所述外部充能站与电动汽车的充电站集成设置，储存有储热或蓄冷介质，用于给电动汽车补充蓄冷/储热介质；在电动汽车进入外部充能站后，对车内的储能介质进行更换补充，达到重新充能的效果。
所述储能介质储存系统、乘员舱温控系统、电池温控系统、电控冷却系统、电机冷却系统、外部散热系统和储能介质循环控制系统均安装于电动汽车内部，当电动汽车在充电的同时完成车内的储能介质更换与补充。
优选的，所述储能介质储存系统包括第一存储器、第二存储器和第三存储器；所述第一存储器和第二存储器之间通过安装有一二存储器间动力阀的管道连接，所述第一存储器和第二存储器用于储存由外部充能站补充的储能介质，并由一二存储器间动力阀控制第一存储器和第二存储器的连通与否；所述第三存储器通过管道与外部散热系统连接，所述第一存储器、第二存储器和第三存储器分别连接有第一循环泵、第二循环泵和第三循环泵，所述第一循环泵、第二循环泵和第三循环泵均为储能介质在热管理系统中的循环提供动力；
所述乘员舱温控系统包括乘员舱热交换器、安装有乘员舱热交换器的乘员舱、以及设于乘员舱热交换器一侧的循环风扇；所述乘员舱温控系统用于实现乘员舱温度调控的目的；所述乘员舱温控系统的工作原理为：当储热介质或蓄冷介质流经乘员舱热交换器时，在循环风扇的作用下，乘员舱内的空气经过乘员舱热交换器外表面后对储能介质吸收或释放热量，空气温度升高或降低，从而实现乘员舱的温度调控目的；
所述电控冷却系统包括电控组件、电控系统冷却液循环泵、电控系统热交换器和电控温度传感器，所述电控组件、电控系统冷却液循环泵、电控系统热交换器和电控温度传感器之间通过电控液冷循环管路连接；所述电控冷却系统采用液冷方式进行热交换，用于实现释放热量、降低温度。具体为：电控冷却系统采用液冷方式，吸收电控组件中电子元器件运行时产生的热量。电控系统冷却液在电控系统冷却液循环泵的作用下进入电控系统热交换器，与流经电控系统热交换器的蓄冷介质进行热交换，释放热量，降低温度。
所述电机冷却系统包括电机、电机冷却液循环泵、电机系统次级热交换器、电机温度传感器、电机冷却系统三向接头、电机系统初级热交换器、电机散热风扇和电机冷却系统选择性三向阀门；所述电机、电机冷却液循环泵、电机系统次级热交换器、电机温度传感器、电机冷却系统三向接头、电机系统初级热交换器和电机冷却系统选择性三向阀门之间通过电机液冷循环管路连接，所述电机散热风扇设于电机系统初级热交换器的一侧，所述电机冷却系统三向接头与电机冷却系统选择性三向阀门连接；
所述外部散热系统包括外部换热器、以及设于外部换热器一侧的散热风扇，所述外部散热系统用于为流经的储能介质进行降温冷却；
所述储能介质循环控制系统包括三向接头、动力阀门、流量控制阀门、单向阀门、选择性三向阀门、温度传感器和压力传感器；所述三向接头、动力阀门、流量控制阀门、单向阀门、选择性三向阀门、温度传感器和压力传感器之间通过循环管路连接。其中，动力阀门的作用是控制管路的通断；流量控制阀门的作用是控制储能介质的流量；单向阀门的作用是防止储能介质逆流；选择性三向阀门的作用是控制储能介质流向目标管路；压力传感器用于监测循环管路内的压力；温度传感器用于监测储能介质的温度。
所述储能介质为含有相变微胶囊的相变乳浊液；通过喷雾干燥法、原位聚合法、溶胶-凝胶法等方法制得不同相变温度的相变微胶囊，加入去离子水或其他成分的基液，可以获得不同工作温度的相变乳浊液；使用不同组分比例的相变乳浊液，构成相应的储热介质或蓄冷介质。
优选的，在环境温度小于5℃(冬季)时，其工作模式如下：
当电动汽车在充能站外启动时，第一循环泵先启动，将储热介质输送至乘员舱热交换器和电池温控系统内，为乘员舱与动力电池预热。经过乘员舱热交换器和电池温控系统的储热介质从循环管路再流经外部换热器，进入第三存储器备用。
车辆行驶途中，第一存储器与第二存储器相连通，两者的储热介质在第一循环泵作用下进入乘员舱热交换器，为客舱加热提供能量。第三存储器内已冷却的储热介质在第三循环泵的作用下分别经过电池温控系统、电控冷却系统、电机冷却系统，吸收三个系统所产生的热量。其中电机冷却系统运行在余热回收模式。吸热后的储热介质与流经乘员舱温控系统的储热介质汇合，直接进入第二存储器。当已冷却的储热介质的量不足时，在选择性三向阀门的作用下，部分储热介质将流经外部换热器，进一步降温，然后进入第三存储器。
优选的，在环境温度大于5℃且小于25℃(春秋季)时，其工作模式如下：
车辆行驶途中，第一存储器中的蓄冷介质在第一循环泵的作用下进入电池温控系统，为电池降温后再进入电控冷却系统，为电控组件冷却。第二存储器中的蓄冷介质在第二循环泵的作用下进入电机冷却系统，为电机冷却。此环境温度下电机冷却系统在高效冷却模式下运行。吸收热量升温后的蓄冷介质经过外部换热器降温后，进入第三存储器。
当车辆行驶途中乘员舱需要制冷时，乘员舱温控系统进口管路前的动力阀打开，第一存储器中的蓄冷介质一部分进入乘员舱热交换器，为乘员舱降温。当车辆行驶途中乘员舱需要升温时，经过电池温控系统、电控冷却系统、电机冷却系统，吸热后的一部分蓄冷介质，通过循环管路进入乘员舱热交换器，为乘员舱提供热量，然后通过循环管路，与第一循环泵泵出的蓄冷介质汇合，进入电池温控系统。
优选的，在环境温度大于25℃(夏季)时，其工作模式如下：
第一存储器中的蓄冷介质在第一循环泵的作用下进入乘员舱温控系统，为乘员舱降温，然后经过外部换热器降温后，进入第三存储器。第二存储器中的蓄冷介质在第二循环泵的作用下，通过电池温控系统与电机冷却系统前的流量阀门调节，分别进入电池温控系统与电机冷却系统。经过电池温控系统的蓄冷介质再进入电控冷却系统，然后与经过电机冷却系统的蓄冷介质汇合，经过外部换热器降温后，进入第三存储器。此环境温度下电机冷却系统在高效冷却模式下运行。
优选的，电机冷却系统主要采用液冷方式，吸收电机运行时产生的热量，在整车热管理系统不同工作模式下，电机冷却系统也具有两种不同工作模式，分别如下：
高效冷却模式：电机冷却液在电机冷却液循环泵作用下经过运行的电机，吸收热量。通过电机冷却系统选择性三向阀门，进入电机系统初级热交换器，进行初步降温。再经过电机系统次级热交换器，与流经电机系统次级热交换器的蓄冷介质进行热量交换，降低温度后再为电机冷却。
余热回收模式：电机冷却液在电机冷却液循环泵作用下经过运行的电机，吸收热量。通过电机冷却系统选择性三向阀门，直接进入电机系统次级热交换器，与流经电机系统次级热交换器的蓄冷介质进行热量交换，降低温度后再为电机冷却。此模式下电机冷却液不经过电机系统初级热交换器，可以有效回收电机运行所产生的热量。
优选的，该电动汽车热管理系统的充能方式，其主要流程为：
电动汽车接入外部充能站后，主出口动力阀与副出口动力阀打开，外部充能站将三个存储器内的储能介质全部抽出，然后主出口动力阀与副出口动力阀关闭，一二存储器间动力阀与进口动力阀打开，第一存储器与第二存储器连通，外部充能站将所需的储能介质充入第一存储器与第二存储器内。
优选的，该电动汽车热管理系统的充能方式，在不同季节具有两种准备模式：
冬季条件下，当停放在外部充能站的电动汽车收到车主预约用车信号后，第一循环泵启动，将第一存储器内的储热介质输送至乘员舱热交换器，在乘员舱循环风扇的作用下，乘员舱内的空气经过乘员舱热交换器，吸收储热介质中的热量后升温，实现乘员舱加热效果。同时第二循环泵启动，将第二存储器内的储热介质输送至电池温控系统，动力电池吸收储热介质的热量，温度升高至工作范围内，为车辆启动做好准备。经过乘员舱热交换器与电池温控系统的储热介质，通过循环管路流经外部换热器，进入第三存储器，最后由外部充能站抽回。车辆预热完成后，外部充能站将第一存储器与第二存储器重新充满储热介质。
夏季条件下，当停放在充能站的电动汽车收到车主预约用车信号后，第一循环泵启动，将第一存储器内的蓄冷介质输送至乘员舱热交换器，在乘员舱循环风扇的作用下，乘员舱内的空气经过乘员舱热交换器，蓄冷介质吸收舱内空气中的热量，舱内空气温度降低，实现乘员舱制冷效果。经过乘员舱热交换器的蓄冷介质，通过循环管理流经外部换热器，进入第三存储器，然后由外部充能站抽回。车辆预制冷完成后，外部充能站将第一存储器与第二存储器重新充满蓄冷介质。
优选的，该电动汽车热管理系统的上述三个储能介质存储器可以放置于车内座椅、车架中空区域等不同位置，以提高车内空间利用率；存储器形状大小将由放置位置与存储需求决定。
其中，所述第一存储器、第二存储器和第三存储器的结构相同，所述第一存储器包括存储装置外壳、以及设于存储装置外壳内部的多个肋板，储存在第一存储器内的储能介质通过存储装置进出口管道向其他系统输送。其中，存储装置外壳由有机复合材料制成，具有较好的抗冲击与保温效果；肋板由固相变材料制成，多个肋板将存储器内部分隔成若干小空间，起到储能效果的同时减少车辆行驶中储能介质晃动产生的安全隐患；储存在存储器内的储能介质通过存储装置进出口管道向其他系统输送；通过将存储装置与车身结合，可以作为结构强化件，提高车身强度。
通过采用上述技术方案：电动汽车上热管理系统的能量主要来源于外部充能站所补充的储能介质以及回收电动汽车运行时产生的热量。通过储能介质在不同系统间的循环与能量交换，达到对电动汽车各个子系统的热管理目的。针对电动汽车行驶时不同的环境温度，改变储能介质的循环路径，本热管理系统可以在多种工作模式下运行，满足不同的热管理需求，同时节约动力电池电力，提高电动汽车的续航里程。
与现有电动汽车热管理技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、本发明使用外部补充的相变储能介质，可以将外部充能站与电动汽车充电站相结合，充电同时补充储能介质。根据电动汽车运行模式，通过改变热管理系统内的阀门状态，可以改变储能介质的流向，从而实现热管理系统的不同工作模式。
2、本发明通过使用储能介质储存，传递冷热量，可以循坏利用，同时收集电机、电控、电池等系统运行所产生的热量。使用相变储能介质对电动汽车进行热管理，可以减少对动力电池能量的消耗，以提高续航里程。
附图说明
图1为本发明的系统架构图；
图2为本发明的储能介质储存系统图；
图3为本发明的储能介质存储装置结构示意图
图4为本发明的乘员舱温控系统图；
图5为本发明的电控冷却系统图；
图6为本发明的电机冷却系统图；
图7为本发明的外部散热系统图；
图8为本发明的充能流程图；
图9为本发明冬季在充能站预热流程图；
图10为本发明夏季在充能站预冷流程图；
图11为本发明冬季单独启动时预热流程图；
图12为本发明在冬季工作模式下的流程图；
图13为本发明在春秋季工作模式下的流程图；
图14为本发明在春秋季乘员舱需要降温的工作模式流程图；
图15为本发明在春秋季乘员舱需要升温的工作模式流程图；
图16为本发明在夏季工作模式下的流程图。
图中：101、外部充能站；102、储能介质储存系统；103、乘员舱温控系统；104、电池温控系统；105、电控冷却系统；106、电机冷却系统；107、外部散热系统。
201、第一存储器；202、第二存储器；203、第三存储器；204、第一循环泵；205、第二循环泵；206、第三循环泵；210、一二存储器间动力阀；211、进口动力阀；212、主出口动力阀；213、副出口动力阀；214、一二存储器三向接头；215、总出口三向接头；221、存储装置外壳；222、存储装置进出口管道；223、肋板；224、电动汽车座椅坐垫。
301、乘员舱；302、乘员舱热交换器；303、循环风扇。
501、电控组件；502电控系统冷却液循环泵；503、电控系统热交换器；504、电控温度传感器；505、电控液冷循环管路。
601、电机；602、电机冷却液循环泵；603、电机系统次级热交换器；604、电机液冷循环管路；605、电机温度传感器；606、电机冷却系统三向接头；607、电机系统初级热交换器；608、电机散热风扇；609、电机冷却系统选择性三向阀门。
701、外部热交换器；702、散热风扇。
801、循环管路；802、三向接头；803、动力阀门；804、流量控制阀门；805、单向阀门；806、选择性三向阀门；807、温度传感器；808、压力传感器。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”“前端”、“后端”、“两端”、“一端”、“另一端”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。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置有”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体的连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
请参阅图1，本发明提供的一种实施例：一种通过外部补充储能介质的电动汽车热管理系统，由外部充能站101、储能介质储存系统102、乘员舱温控系统103、电池温控系统104、电控冷却系统105、电机冷却系统106、外部散热系统107、储能介质循环控制系统等组成。其中，储能介质储存系统102、乘员舱温控系统103、电池温控系统104、电控冷却系统105、电机冷却系统106、外部散热系统107、储能介质循环控制系统安装于电动汽车内。
外部充能站101主要与电动汽车充电站集成在一起，主要是为电动汽车补充蓄冷/储热介质。外部充能站101可以使用太阳能、风能、谷电等手段为存储在站内的储能介质进行降温/加热，使储能介质具有冷量/热量。当电动汽车进入外部充能站101后，电动汽车可以在充电同时完成车内的储能介质更换与补充。通过太阳能、风能等手段为储能介质充能，可以有效减少碳排放。
请参阅图2，本发明提供的一种实施例：储能介质储存系统102设计有三个储能介质存储装置，分别为第一存储器201、第二存储器202和第三存储器203。其中，第一存储器201与第二存储器202主要用于储存由外部充能站101补充的储能介质，两个存储器间设计由连接管道，通过第一存储器201与第二存储器202之间的一二存储器间动力阀210控制两个存储器的连通与否。三个储能介质存储装置均设计有储能介质循环泵，分别为第一循环泵204、第二循环泵205和第三循环泵206。循环泵为储能介质在系统中的循环提供动力。储能介质储存系统中，存储器进出口分别设计有进口动力阀211、主出口动力阀212和副出口动力阀213，用于控制与外部充能站101的连通，并起到防止泄露的作用。而第一存储器201与第二存储器202的一二存储器三向接头214与总出口三向接头215则起到合并管路的作用。
其中，三个存储器根据不同车型设计，可以放置于车内座椅、车架中空区域等不同位置，存储器形状大小将由放置位置与存储需求决定。图3给出了一种放置于车座内部的存储器结构示例。其中，存储装置放置于电动汽车座椅坐垫224下部，存储装置外壳221为有机复合材料制成，具有较好的抗冲击与保温效果。存储器内部有由固固相变材料制成的肋板223，其可以起到储能效果，且多肋结构可以将存储器内部分隔成多个小空间，减少车辆行驶中储能介质晃动产生的安全隐患。通过将存储装置与车身结合，可以作为结构强化件，提高车身强度。储存在存储器内的储能介质通过存储装置进出口管道222向其他系统输送。
其中，存储器内部存储有储能介质，该储能介质主要为含有相变微胶囊的相变乳浊液。使用不同组分比例的相变乳浊液，可以构成相应的储热或蓄冷介质。相变乳浊液中的相变微胶囊内芯为具有高潜热的固液相变材料，会在吸热后相变液化，而相变微胶囊的壳体为高导热的材料，具有一定强度，可以防止内芯的相变材料泄露。将相变微胶囊制成相变乳浊液，可以赋予储能介质流动性，使其能够在电动汽车各系统间循环。
请参阅图4，本发明提供的一种实施例：乘员舱温控系统103包括乘员舱301、乘员舱热交换器302、循环风扇303。乘员舱热交换器302安装于成员舱内，储能介质将流经内部管路。在循环风扇303的作用下，乘员舱301内部空气将流过乘员舱热交换器302表面，与内部的储能介质发生热交换后温度升高或降温，从而实现乘员舱301的温度调节。
请参阅图5，本发明提供的一种实施例：电控冷却系统105主要由电控组件501、电控系统冷却液循环泵502、电控系统热交换器503、电控温度传感器504、电控液冷管路等组成。电控冷却系统105主要采用液冷方式，电控冷却液在电控系统冷却液循环泵502的作用下流经电控组件501，吸收电控组件501中电子元器件运行时产生的热量，然后通过电控液冷循环管路505进入电控系统热交换器503，与流经电控系统热交换器503的蓄冷介质进行热交换，释放热量，降低温度后重新为电控系统冷却。电控温度传感器504用于监测电控系统冷却液温度，从而调节循环泵的输出功率。
请参阅图6，本发明提供的一种实施例：电机冷却系统106主要由电机601、电机冷却液循环泵602、电机系统次级热交换器603、电机液冷循环管路604、电机温度传感器605、电机冷却系统三向接头606、电机系统初级热交换器608、电机散热风扇607、电机冷却系统选择性三向阀门609等组成。电机冷却系统106主要采用液冷方式，电机601内部设有冷却液通道，在电机冷却液循环泵602的作用下，电机冷却液流经电机601，吸收电机601运行时产生的热量。根据电动汽车不同的热管理需求，电机冷却系统106具有两种运行模式，分别如下：
在高效冷却模式下，电机冷却液从电机601流出后，经过电机冷却系统选择性三向阀门609进入电机系统初级热交换器608，在电机散热风扇607的作用下进行初步降温，然后流经电机系统次级热交换器603，与次级换热器内的蓄冷介质进行热量交换，进一步冷却后重新进入下一个电机冷却循环。
而在余热回收模式下，电机冷却系统选择性三向阀门609将关闭连接电机系统初级热交换器608的管路，使吸热后的电机冷却液直接流入电机系统次级热交换器603。在电机系统次级热交换器603内，电机冷却液将热量转移至储热介质，实现冷却液的降温同时，转移的热量可以用于电动汽车其他系统的加热。此模式主要应用于冬季电动汽车行驶过程，可以有效回收电机601产生的热量，也可用于冬季电动汽车的预热启动环节。
请参阅图7，本发明提供的一种实施例：外部散热系统107主要包括外部换热器701、散热风扇702。储能介质流经外部散热系统107，在散热风扇702的作用下将热量释放至环境中，达到为储能介质降温冷却的效果。通过控制散热风扇702的转速，可以调节外部换热器701对储能介质的冷却效果。
请参阅图1，本发明提供的一种实施例：储能介质循环控制系统主要包括循环管路801、三向接头802、动力阀门803、流量控制阀门804、单向阀门805、选择性三向阀门806、温度传感器807、压力传感器808等。
三向接头802用于循环管路801交汇处，起到汇流得作用；动力阀门803的作用是控制管路的通断，通过不同位置的动力阀门803开关组合，可以控制储能介质的流向，实现热管理系统的不同工作模式；流量控制阀门804可以控制通过的储能介质的流量，起到分配储能介质的作用；单向阀门805的作用是防止储能介质逆流；选择性三向阀门806的工作原理为通过阀门控制，使得储能介质只能向一条目标管路输送；压力传感器808用于监测循环管路801内的压力，温度传感器807用于监测储能介质的温度，两者收集到的数据汇集到车载电脑中，车载电脑根据监测数据对循环泵功率、储能介质流向进行调整，使整车热管理系统运行在最佳状态。
请参阅图8，为电动汽车在外部充能站101充能的流程示意图。电动汽车接入外部充能站101后，主出口动力阀212与副出口动力阀213打开，外部充能站101将三个存储器内的储能介质全部抽出，然后主出口动力阀212与副出口动力阀213关闭，第一存储器201与第二存储器202之间的一二存储器间动力阀210与进口动力阀211打开，第一存储器201与第二存储器202连通，外部充能站101将所需的储能介质充入第一存储器201与第二存储器202内。
其中，在外部充能站101充能时，车主可以通过手机等方式发送预约用车信息，充能站与电动汽车收到指令后，将在预定用车时间前对电动汽车进行预热/预冷。请参阅图9，冬季情况下外部充能站101对电动汽车预热的流程如图所示。冬季条件下，当停放在外部充能站101的电动汽车收到车主预约用车信号后，第一循环泵204启动，将第一存储器201内的储热介质输送至乘员舱热交换器302，在乘员舱循环风扇303的作用下，乘员舱301内的空气经过乘员舱热交换器302，吸收储热介质中的热量后升温，实现乘员舱301加热效果。同时第二循环泵205启动，将第二存储器202内的储热介质输送至电池温控系统104，电池吸收储热介质的热量，温度升高至工作范围内，为车辆启动做好准备。经过乘员舱热交换器302与电池温控系统104的储热介质，通过循环管路801流经外部换热器701，进入第三存储器203，最后由外部充能站101抽回。车辆预热完成后，外部充能站101将第一存储器201与第二存储器202重新充满储热介质。通过上述流程，车辆可以在外部充能站101内提前预热，为车主用车做好准备，节约时间。
请参阅图10，夏季情况下外部充能站101对电动汽车预热的流程如图所示。夏季条件下，当停放在充能站的电动汽车收到车主预约用车信号后，第一循环泵204启动，将第一存储器201内的蓄冷介质输送至乘员舱热交换器302，在乘员舱循环风扇303的作用下，乘员舱301内的空气经过乘员舱热交换器302，蓄冷介质吸收舱内空气中的热量，舱内空气温度降低，实现乘员舱301制冷效果。经过乘员舱热交换器302的蓄冷介质，通过循环管路流经外部换热器701，进入第三存储器203，然后由外部充能站101抽回。车辆预制冷完成后，外部充能站101将第一存储器201与第二存储器202重新充满蓄冷介质。通过上述流程，实现车辆乘员舱301的预冷，避免夏天车主进入闷热的车内，等待车内降温的不适感。
目前，主流的电动汽车动力电池均采用锂电池，而由于锂电池需要合适的工作温度才能发挥最佳性能，当冬季(环境温度小于5℃)时，如果动力电池没有进行预热就启动电动汽车，将对电池造成损害，降低续航里程。所以针对冬季，尤其是中国东北等冬季严寒的地区，请参阅图11，本发明提供了一种电动汽车在外部充能站101外启动时的预热流程。冬季电动汽车在充能站以外区域启动时，第一循环泵204将先启动，将储热介质输送至乘员舱热交换器302和电池温控系统104内。通过储热介质所储存的热量为乘员舱301与动力电池预热。待动力电池升温至工作温度区间后预热结束。经过乘员舱热交换器302和电池温控系统104的储热介质从循环管路801再流经外部换热器701，然后进入第三存储器203内，作为储能介质用于电动汽车运行时的冷却需求。
请参阅图12，图13，图14，图15，图16，本发明提供的一种实施例：针对不同环境温度及电动汽车行驶状态，热管理系统将运行不同的工作模式。当环境温度小于5℃(冬季)时的工作模式如图12所示：车辆行驶途中，第一存储器201与第二存储器202相连通，两者的储热介质在第一循环泵204作用下进入乘员舱热交换器302，为客舱加热提供热量。第三存储器203内的储热介质是经过电池温控系统104、流经乘员舱温控系统103，释放热量后已冷却的储热介质。这些储热介质在第三循环泵206的作用下分别进入电池温控系统104、电控冷却系统105、电机冷却系统106，吸收三个系统所产生的热量。其中电机冷却系统106运行在余热回收模式。吸热后的储热介质与流经乘员舱温控系统103的储热介质汇合，直接进入第二存储器202备用。当已冷却的储热介质的量不足以满足三电系统的冷却需求时，在选择性三向阀门806的作用下，部分储热介质将流经外部换热器701，进一步降温，最后进入第三存储器203作为吸热介质备用。
当环境温度大于5℃且小于25℃(春秋季)时的工作模式如图13所示：车辆行驶途中，第一存储器201中的蓄冷介质在第一循环泵204的作用下进入电池温控系统104，吸收动力电池工作时产生的热量，为动力电池降温。由于动力电池产生的热量较少，所以经过电池温控系统104的蓄冷介质将进入电控冷却系统105，为电控组件501冷却。第二存储器202中的蓄冷介质在第二循环泵205的作用下进入电机冷却系统106，吸收电机601运行时产生的热量，为电机601冷却，此环境温度下电机冷却系统106处于高效冷却模式。由电控冷却系统105和电机冷却系统106流出，已经吸热升温后的蓄冷介质，将流经外部换热器701进行降温，最后进入第三存储器203内。针对中国南方地区春秋季驾驶电动汽车时乘员舱301需要制冷的情况，乘员舱温控系统103进口管路前的动力阀门803将打开(图14)，第一存储器201中的蓄冷介质一部分进入乘员舱热交换器302，为乘员舱301降温。针对中国北方地区春秋季驾驶电动汽车时乘员舱301需要加热的情况，乘员舱温控系统103出口管路的动力阀门803将打开(图15)，经过电池温控系统104、电控冷却系统105、电机冷却系统106，吸热后的一部分蓄冷介质，通过循环管路801进入乘员舱热交换器302，为乘员舱301提供热量。通过乘员舱热交换器302，释放热量的蓄冷介质将与第一存储器201泵出的蓄冷介质汇合，进入电池温控系统104。
当环境温度大于25℃(夏季)时的工作模式如图16所示，第一存储器201中的蓄冷介质在第一循环泵204的作用下进入乘员舱温控系统103，通过乘员舱热交换器302吸收热量，为乘员舱301降温。第二存储器202中的蓄冷介质在第二循环泵205的作用下，通过电池温控系统104与电机冷却系统106前的流量阀门调节分配，分别进入电池温控系统104与电机冷却系统106。经过电池温控系统104的蓄冷介质进入电控冷却系统105，吸收电控系统运行时产生的热量。由乘员舱温控系统103、电控冷却系统105、电机冷却系统106流出的蓄冷介质汇流后进入外部换热器701降温，最后进入第三存储器203备用。当第一存储器201、第二存储器202内的蓄冷介质量不足时，第三循环泵206开始运行，将已经降温的蓄冷介质用于三电系统的冷却。
综上所述，本发明通过储能介质在不同系统间的循环与能量交换，达到对电动汽车各个子系统的热管理目的。针对电动汽车行驶时不同的环境温度，改变储能介质的循环路径，本热管理系统可以在多种工作模式下运行，满足不同的热管理需求，同时节约动力电池电力，提高电动汽车的续航里程。
Claims (9)
1.一种通过外部补充储能介质的电动汽车热管理系统，其特征在于，包括：外部充能站(101)、储能介质储存系统(102)、乘员舱温控系统(103)、电池温控系统(104)、电控冷却系统(105)、电机冷却系统(106)、外部散热系统(107)和储能介质循环控制系统；
所述外部充能站(101)与储能介质储存系统(102)通过管道连接，所述储能介质储存系统(102)通过储能介质循环控制系统分别与乘员舱温控系统(103)、电池温控系统(104)、电控冷却系统(105)和外部散热系统(107)连接，所述电控冷却系统(105)设于电机冷却系统(106)的一侧并与电池温控系统(104)及电机冷却系统(106)连接；
其中，所述外部充能站(101)与电动汽车的充电站集成设置，储存有储热或蓄冷介质，用于给电动汽车补充蓄冷/储热介质；
所述储能介质储存系统(102)、乘员舱温控系统(103)、电池温控系统(104)、电控冷却系统(105)、电机冷却系统(106)、外部散热系统(107)和储能介质循环控制系统均安装于电动汽车内部，当电动汽车在充电的同时完成车内的储能介质更换与补充。
2.根据权利要求1所述的一种通过外部补充储能介质的电动汽车热管理系统，其特征在于，所述储能介质储存系统(102)包括第一存储器(201)、第二存储器(202)和第三存储器(203)；所述第一存储器(201)和第二存储器(202)之间通过安装有一二存储器间动力阀(210)的管道连接，所述第一存储器(201)和第二存储器(202)用于储存由外部充能站(101)补充的储能介质，并由一二存储器间动力阀(210)控制第一存储器(201)和第二存储器(202)的连通与否；所述第三存储器(203)通过管道与外部散热系统(107)连接，所述第一存储器(201)、第二存储器(202)和第三存储器(203)分别连接有第一循环泵(204)、第二循环泵(205)和第三循环泵(206)，所述第一循环泵(204)、第二循环泵(205)和第三循环泵(206)均为储能介质在热管理系统中的循环提供动力；
所述乘员舱温控系统(103)包括乘员舱热交换器(302)、安装有乘员舱热交换器(302)的乘员舱(301)、以及设于乘员舱热交换器(302)一侧的循环风扇(303)；所述乘员舱温控系统(103)用于实现乘员舱(301)温度调控的目的；
所述电控冷却系统(105)包括电控组件(501)、电控系统冷却液循环泵(502)、电控系统热交换器(503)和电控温度传感器(504)，所述电控组件(501)、电控系统冷却液循环泵(502)、电控系统热交换器(503)和电控温度传感器(504)之间通过电控液冷循环管路(505)连接；所述电控冷却系统(105)采用液冷方式进行热交换，用于实现释放热量、降低温度；
所述电机冷却系统(106)包括电机(601)、电机冷却液循环泵(602)、电机系统次级热交换器(603)、电机温度传感器(605)、电机冷却系统三向接头(606)、电机系统初级热交换器(608)、电机散热风扇(607)和电机冷却系统选择性三向阀门(609)；所述电机(601)、电机冷却液循环泵(602)、电机系统次级热交换器(603)、电机温度传感器(605)、电机冷却系统三向接头(606)、电机系统初级热交换器(608)和电机冷却系统选择性三向阀门(609)之间通过电机液冷循环管路(604)连接，所述电机散热风扇(607)设于电机系统初级热交换器(608)的一侧，所述电机冷却系统三向接头(606)与电机冷却系统选择性三向阀门(609)连接；
所述外部散热系统(107)包括外部换热器(701)、以及设于外部换热器(701)一侧的散热风扇(702)，所述外部散热系统(107)用于为流经的储能介质进行降温冷却；
所述储能介质循环控制系统包括三向接头(802)、动力阀门(803)、流量控制阀门(804)、单向阀门(805)、选择性三向阀门(806)、温度传感器(807)和压力传感器(808)；所述三向接头(802)、动力阀门(803)、流量控制阀门(804)、单向阀门(805)、选择性三向阀门(806)、温度传感器(807)和压力传感器(808)之间通过循环管路(801)连接；
所述储能介质为含有相变微胶囊的相变乳浊液。
3.根据权利要求1所述的一种通过外部补充储能介质的电动汽车热管理系统，其特征在于，在环境温度小于5℃时，其工作模式如下：
当电动汽车在充能站外启动时，第一循环泵(204)先启动，将储热介质输送至乘员舱热交换器(302)和电池温控系统(104)内，为乘员舱(301)与动力电池预热；经过乘员舱热交换器(302)和电池温控系统(104)的储热介质通过循环管路(801)再流经外部换热器(701)，进入第三存储器(203)备用；
车辆行驶途中，第一存储器(201)与第二存储器(202)相连通，两者的储热介质在第一循环泵(204)作用下进入乘员舱热交换器(302)，为客舱加热提供能量；第三存储器(203)内已冷却的储热介质在第三循环泵(206)的作用下分别经过电池温控系统(104)、电控冷却系统(105)和电机冷却系统(106)，吸收三个系统所产生的热量；其中，电机冷却系统(106)运行在余热回收模式，吸热后的储热介质与流经乘员舱温控系统(103)的储热介质汇合，直接进入第二存储器(202)；当已冷却的储热介质的量不足时，在选择性三向阀门(806)的作用下，部分储热介质将流经外部换热器(701)，进一步降温，然后进入第三存储器(203)。
4.根据权利要求1所述的一种通过外部补充储能介质的电动汽车热管理系统，其特征在于，在环境温度大于5℃且小于25℃时，其工作模式如下：
车辆行驶途中，第一存储器(201)中的蓄冷介质在第一循环泵(204)的作用下进入电池温控系统(104)，为电池降温后再进入电控冷却系统(105)，为电控组件(501)冷却；第二存储器(202)中的蓄冷介质在第二循环泵(205)的作用下进入电机冷却系统(106)，为电机(601)冷却；此环境温度下电机冷却系统(106)在高效冷却模式下运行，吸收热量升温后的蓄冷介质经过外部换热器(701)降温后，进入第三存储器(203)；
当车辆行驶途中乘员舱(301)需要制冷时，乘员舱温控系统(103)进口管路前的动力阀门(803)打开，第一存储器(201)中的蓄冷介质一部分进入乘员舱热交换器(302)，为乘员舱(301)降温；当车辆行驶途中乘员舱(301)需要升温时，经过电池温控系统(104)、电控冷却系统(105)、电机冷却系统(106)，吸热后的一部分蓄冷介质，通过循环管路(801)进入乘员舱热交换器(302)，为乘员舱(301)提供热量，然后通过循环管路(801)，与第一循环泵(204)泵出的蓄冷介质汇合，进入电池温控系统(104)。
5.根据权利要求1所述的一种通过外部补充储能介质的电动汽车热管理系统，其特征在于，在环境温度大于25℃时，其工作模式如下：
第一存储器(201)中的蓄冷介质在第一循环泵(204)的作用下进入乘员舱温控系统(103)，为乘员舱(301)降温，然后经过外部换热器(701)降温后，进入第三存储器(203)；第二存储器(202)中的蓄冷介质在第二循环泵(205)的作用下，通过电池温控系统(104)与电机冷却系统(106)前的流量阀门调节，分别进入电池温控系统(104)与电机冷却系统(106)；经过电池温控系统(104)的蓄冷介质再进入电控冷却系统(105)，然后与经过电机冷却系统(106)的蓄冷介质汇合，经过外部换热器(701)降温后，进入第三存储器(203)；此环境温度下电机冷却系统(106)在高效冷却模式下运行。
6.根据权利要求2所述的一种通过外部补充储能介质的电动汽车热管理系统，其特征在于，所述电机冷却系统(106)具有两种不同工作模式，分别如下：
高效冷却模式：电机冷却液在电机冷却液循环泵(602)作用下经过运行的电机(601)，吸收热量，通过电机冷却系统选择性三向阀门(609)，进入电机系统初级热交换器(607)，进行初步降温；再经过电机系统次级热交换器(603)，与流经电机系统次级热交换器(603)的蓄冷介质进行热量交换，降低温度后再为电机(601)冷却；
余热回收模式：电机冷却液在电机冷却液循环泵(602)作用下经过运行的电机(601)，吸收热量，通过电机冷却系统选择性三向阀门(609)，直接进入电机系统次级热交换器(603)，与流经电机系统次级热交换器(603)的蓄冷介质进行热量交换，降低温度后再为电机(601)冷却；此模式下电机冷却液不经过电机系统初级热交换器(607)，有效回收电机(601)运行所产生的热量。
7.根据权利要求1所述的一种通过外部补充储能介质的电动汽车热管理系统，其特征在于，该电动汽车热管理系统的充能方式，具体流程为：
电动汽车接入外部充能站(101)后，主出口动力阀(212)与副出口动力阀(213)打开，外部充能站(101)将三个存储器内的储能介质全部抽出，然后主出口动力阀(212)与副出口动力阀(213)关闭，第一存储器(201)和第二存储器(202)之间的一二存储器间动力阀(210)与进口动力阀(211)打开，第一存储器(201)和第二存储器(202)相连通，外部充能站(101)将所需的储能介质充入第一存储器(201)与第二存储器(202)内。
8.根据要求权利7所述的一种通过外部补充储能介质的电动汽车热管理系统，其特征在于，该电动汽车热管理系统的充能方式，在不同季节具有两种准备模式：
冬季条件下，当停放在外部充能站(101)的电动汽车收到车主预约用车信号后，第一循环泵(204)启动，将第一存储器(201)内的储热介质输送至乘员舱热交换器(302)，在乘员舱循环风扇(303)的作用下，乘员舱(301)内的空气经过乘员舱热交换器(302)，吸收储热介质中的热量后升温，实现乘员舱(301)加热效果；同时第二循环泵(205)启动，将第二存储器(202)内的储热介质输送至电池温控系统(104)，动力电池吸收储热介质的热量，温度升高至工作范围内，为车辆启动做好准备；经过乘员舱热交换器(302)与电池温控系统(104)的储热介质，通过循环管路(801)流经外部换热器(701)，进入第三存储器(203)，最后由外部充能站(101)抽回；车辆预热完成后，外部充能站(101)将第一存储器(201)与第二存储器(202)重新充满储热介质；
夏季条件下，当停放在充能站的电动汽车收到车主预约用车信号后，第一循环泵(204)启动，将第一存储器(201)内的蓄冷介质输送至乘员舱热交换器(302)，在乘员舱循环风扇(303)的作用下，乘员舱(301)内的空气经过乘员舱热交换器(302)，蓄冷介质吸收舱内空气中的热量，舱内空气温度降低，实现乘员舱(301)制冷效果；经过乘员舱热交换器(302)的蓄冷介质，通过循环管理流经外部换热器(701)，进入第三存储器(203)，然后由外部充能站(101)抽回；车辆预制冷完成后，外部充能站(101)将第一存储器(201)与第二存储器(202)重新充满蓄冷介质。
9.根据权利要求1所述的一种通过外部补充储能介质的电动汽车热管理系统，其特征在于，所述第一存储器(201)、第二存储器(202)和第三存储器(203)的结构相同，所述第一存储器(201)包括存储装置外壳(221)、以及设于存储装置外壳(221)内部的多个肋板(223)，多个肋板将第一存储器(201)内部分隔成若干小空间，储存在第一存储器(201)内的储能介质通过存储装置进出口管道(222)向其他系统输送。
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|---|---|---|---|---|
| CN117790987A (zh) * | 2024-02-27 | 2024-03-29 | 深圳市首航新能源股份有限公司 | 储能热管理系统及其控制方法 |
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2023
- 2023-06-06 CN CN202310663435.3A patent/CN116890630A/zh not_active Withdrawn
Cited By (2)
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|---|---|---|---|---|
| CN117790987A (zh) * | 2024-02-27 | 2024-03-29 | 深圳市首航新能源股份有限公司 | 储能热管理系统及其控制方法 |
| CN117790987B (zh) * | 2024-02-27 | 2024-05-28 | 深圳市首航新能源股份有限公司 | 储能热管理系统及其控制方法 |
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