CN118927928A - 一种基于热泵空调的新能源车集成式热管理系统 - Google Patents

一种基于热泵空调的新能源车集成式热管理系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于热泵空调的新能源车集成式热管理系统，涉及汽车空调系统技术领域，其技术方案要点是：在现有整车空调系统的基础上，以热泵空调系统为基础，集成电池、电机及其控制器、乘员舱热管理系统，采用于风暖PTC为辅，热泵空调为主的方案，热泵空调配合风暖PTC以解决低温时热泵空调效率低的问题，并通过三通调节阀连接水冷冷凝器支路与水暖PTC支路，作为电机及电池余热回收的桥梁，将废热提供给空调回路，以进一步降低热泵系统能耗，还考虑到当冷却液温度过高时，能够通过三通调节阀将一部分热通过散热器散热，采用四通阀完成冷媒流向的切换，进一步提高了集成度。

Description

一种基于热泵空调的新能源车集成式热管理系统
技术领域
本发明涉及汽车空调系统技术领域，更具体地说，它涉及一种基于热泵空调的新能源车集成式热管理系统。
背景技术
现今纯电动汽车的热管理可以分为空调循环热管理、电池循环热管理、电机及其控制器循环热管理，这三个部分是整车热管理的核心。热管理的目的是根据各个核心部件的冷热负荷进行热量传递，满足各个部件的温度需求。其中空调系统热管理主要满足乘员舱内人员的冷热需求，还应须有挡风除霜除雾及驾驶室除湿功能，其中乘员舱制冷功能已经非常成熟，优化节能效果小，而低温加热普遍采用的是水暖PTC或风暖PTC加热，效率较低能耗大，可占整车能耗的35％左右，导致续航里程减少20-30％，因此如今多采用热泵空调的方案减小能耗。
但热泵空调低温效率低、室外换热器除霜等问题较为严重，仍然制约着热泵空调的发展，需要进一步的研究。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于热泵空调的新能源车集成式热管理系统，以热泵空调系统为核心、兼顾电池行车和充电冷却、电机冷却和余热回收，在系统功能集成的前提下，对热管理系统功能零部件和管路连接进行整合，提高整车热管理系统的集成度，具有结构简单、系统效率高、能耗低、车型匹配性高的特点。
本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：一种基于热泵空调的新能源车集成式热管理系统，所述系统包括驾驶室制冷及制热模块、电池制冷及制热模块和电机冷却及电机余热回收利用模块。
通过采用上述技术方案，驾驶室制冷及制热模块用于驾驶室的制冷、制热，类似于家用空调，通过制冷剂的流动方向切换制冷和制热的功能。比如制冷工作时内部的制冷剂先流过室外换热器放热，然后再通过室内换热器吸热，也就是制冷剂是顺时针流动。制热工作时内部的制冷剂先通过室内换热器放热，然后通过室外换热器吸热，也就是制冷剂是逆时针流动的。
电池制冷及制热模块，需要配合驾驶室制冷及制热模块工作，制冷装置(Chiller)可以实现室内散热器同样的功能。也就是说空调部分制冷剂顺时针流动时，制冷装置通过吸热对电池回路进行制冷；反之制冷剂逆时针流动时，制冷装置通过放热对电池回路进行加热。
电机冷却及电机余热回收利用模块当电机需要制冷时，通过冷却液四通阀这个零部件与电池回路连通。当电机余热回收利用时，通过冷却液三通阀这个零部件，将冷却液流入水冷冷凝器(LCC)中，然后空调回路在LCC中吸热。
本发明进一步设置为：所述驾驶室制冷及制热模块包括室内换热器、室外换热器、水冷冷凝器、压缩机和气液分离器，所述室内换热器并联有HVAC和A-PTC，所述室内换热器的一端串联有冷媒电磁阀二和电子膨胀阀二，所述冷媒电磁阀二和电子膨胀阀二互相并联，所述室内换热器的另一端串联有冷媒四通阀，所述冷媒四通阀的1通道连接水冷冷凝器，所述冷媒四通阀的3通道与室内换热器连接，所述冷媒四通阀的4通道连接气液分离器，所述冷媒四通阀的2通道连接压缩机，所述压缩机与气液分离器串联使得冷媒四通阀的2通道与4通道连通；所述水冷冷凝器与室外换热器串联，所述室外换热器并联设有风扇，所述室外换热器的另一端串联有冷媒电磁阀一和电子膨胀阀一，所述冷媒电磁阀一和电子膨胀阀一互相并联，所述室内换热器和冷媒四通阀之间设有压力温度传感器二，互相并联的所述冷媒电磁阀一和电子膨胀阀一与互相并联的所述冷媒电磁阀二和电子膨胀阀二之间设有压力温度传感器一。
本发明进一步设置为：所述电池制冷及制热模块包括制冷装置、电子水泵二、液冷板和电池包，所述制冷装置的两端分别设有一个温度传感器，所述制冷装置的一端连接有冷却液四通阀，所述制冷装置的另一端连接液冷板，所述液冷板与电池包并联，所述液冷板的另一端连接电子水泵二，所述电子水泵二和液冷板之间设有膨胀水箱二，所述冷却液四通阀的1通道与制冷装置连接，所述冷却液四通阀的4通道连接电子水泵二。
本发明进一步设置为：所述电机冷却及电机余热回收利用模块包括散热器、电子水泵一、W-PTC、膨胀水箱一和电机，所述散热器的一端连接冷却液三通阀，另一端连接电机，所述冷却液三通阀的1通道与散热器连接，所述冷却液三通阀的2通道与电子水泵一连接，所述冷却液三通阀的3通道与水冷冷凝器连接，所述电子水泵一与W-PTC连接，所述W-PTC与膨胀水箱一连接，所述膨胀水箱一与冷却液四通阀的3通道连接，所述冷却液四通阀的2通道与电机连接。
本发明进一步设置为：所述制冷装置连接有冷媒电磁阀三和电子膨胀阀三，所述冷媒电磁阀三和电子膨胀阀三互相并联，互相并联的所述冷媒电磁阀三和电子膨胀阀三与互相并联的所述冷媒电磁阀二和电子膨胀阀二连接；所述制冷装置连接有压力温度传感器三，所述压力温度传感器三与驾驶室制冷及制热模块连通。
上述技术方案中，关键零部件的功能如下：
电子水泵一：实现电池包回路冷却液的循环；
电子水泵二：实现电机回路冷却液的循环；
制冷装置(Chiller)：制冷剂与电池包冷冷却液热交换，制冷剂在制冷装置内膨胀气化吸热，实现对电池包冷却液的降温；
温度传感器一(T1)和温度传感器二(T2)：测量电池包冷却液进、出口温度，用于计算电池制冷/制热功率；
压力温度传感器一(PT1)：测量制冷剂温度与压力，用于计算制冷剂的过冷度，以及通过压力调节风扇转速；
压力温度传感器二(PT2)：测量制冷剂压力与温度，用于计算制冷剂的过热度；
压力温度传感器三(PT3)：测量制冷剂压力与温度，用于计算制冷剂的过热度；
电子膨胀阀一(EXV1)：通过开度调节，实现制冷装置制冷剂流量的控制，调节电池冷却功率；
电子膨胀阀二(EXV2)：通过开度调节，实现制冷装置制冷剂流量的控制，调节电池冷却功率；
电子膨胀阀三(EXV3)：通过开度调节，实现制冷装置制冷剂流量的控制，调节电池冷却功率；
冷媒电磁阀一(SOV1)和冷媒电磁阀二(SOV2)：用于驾驶室制冷和制热需求时开启，关闭空调系统中的制冷；
冷媒电磁阀三(SOV3)：用于电池无冷却需求时开启，关闭空调系统中进入chiller的制冷；
室内换热器：制冷时，制冷剂在室内换热器内膨胀气化吸热，实现对驾驶舱进气的冷却，制热时，制冷剂在室内换热器内冷凝液化放热，实现低驾驶室进气的加热；
室外换热器：制冷时，将高温高压的气态制冷剂冷凝成中温高压的液体制冷剂，制热时，将低温低压的液体制冷剂蒸发成低温低压的气体制冷剂；
风扇：通过强制空气流动，经过室外换热器和前端散热器表面，实现制冷剂和冷却液的降温；
压缩机：将低温低压的气态冷媒压缩成高温高压的气态冷媒；
暖通空调(HVAC)：包括暖风水箱和鼓风机，冷却液到达暖风水箱，通过热辐射和对流的方式与鼓风机吹来的风换热，鼓风机实现强制空气流动，使空气经过暖风水箱表面，进入驾驶室实现制热；
W-PTC：通过PTC热敏电阻作为发热源，对冷却液进行加热；
A-PTC：通过PTC热敏电阻作为发热源，对出风口空气进行加热；
冷却液三通阀：通过改变换阀门连接方式，实现驱动电机散热和电机余热回收功能的切换；
冷媒四通阀：通过四通阀切换制冷剂流向，从而切换制冷制模式；
冷却液四通阀：通过四通阀将电池回路与电机及其控制器回路串联或并联，实现电机余热回收与散热功能的切换；
气液分离器：吸收制冷剂中的液体，防止液体进入压缩机；
膨胀水箱一和膨胀水箱二：补充前端散热器和暖风水箱中的冷却液。
综上所述，本发明具有以下有益效果：本发明开发以热泵空调系统为核心、兼顾电池行车和充电冷却、电机冷却和余热回收的集成式热管理系统，在系统功能集成的前提下，对热管理系统功能零部件和管路连接进行整合，提高整车热管理系统的集成度，具有结构简单、系统效率高、能耗低、车型匹配性高的特点。
附图说明
图1是本发明实施例中集成式热管理结构示意图；
图2是本发明实施例中各子系统独立制冷模式及相互耦合制冷模式(驾驶室独立冷却模式)；
图3是本发明实施例中各子系统独立制冷模式及相互耦合制冷模式(电池包独立冷却)；
图4是本发明实施例中各子系统独立制冷模式及相互耦合制冷模式(驾驶室、电池包和电机同时冷却)；
图5是本发明实施例中单驾驶室独立制热模式[单驾驶室制热(热泵)]；
图6是本发明实施例中单驾驶室独立制热模式[单驾驶室制热(热泵加余热回收)]；
图7是本发明实施例中单驾驶室独立制热模式[单驾驶室制热(余热回收)]；
图8是本发明实施例中单驾驶室独立制热模式[单驾驶室制热(PTC)]；
图9是本发明实施例中单电池独立制热模式[电池包单独加热(热泵)]；
图10是本发明实施例中单电池独立制热模式[电池包单独加热(余热回收1)]；
图11是本发明实施例中单电池独立制热模式[电池包单独加热(余热回收2)]；
图12是本发明实施例中单电池独立制热模式[电池包单独加热(热泵加余热回收)]；
图13是本发明实施例中各系统相互耦合模式[驾驶室制热(热泵)加电池冷却]；
图14是本发明实施例中各系统相互耦合模式[驾驶室&电池制热(热泵)]；
图15是本发明实施例中各系统相互耦合模式[驾驶室&电池制热(余热回收)]；
图16是本发明实施例中各系统相互耦合模式[驾驶室&电池制热(热泵+余热回收)]；
图17是本发明实施例中特殊工作模式(室外换热器化霜)。
具体实施方式
以下结合附图1-17对本发明作进一步详细说明。
考虑到驾驶室制冷/制热、电池包制冷/制热、以及电机仅有制冷需求，在各子系统不同的制冷制热需求下，存在着不同的耦合模式，例如：驾驶室、电池、电机同时需要制冷，各子系统通过其耦合的换热器进行换热等，具体的工作模式如实施例1-5所示：
实施例1：各子系统独立制冷模式及相互耦合制冷模式
驾驶室独立冷却：驾驶室有制冷需求，电池无制冷需求，高温高压冷媒通过室外换热器放热，再经电子膨胀阀变成低温低压状态，从室内蒸发器吸热实现制冷功能。
电池包独立冷却：驾驶室无制冷需求，电池有制冷需求高温高压冷媒通过室外换热器放热，再经电子膨胀阀变成低温低压状态，低温冷媒在Chiller内吸收电池冷却液的热量使电池冷却液降温，冷却液再给电池降温。
驾驶室、电池包和电机同时冷却：驾驶室、电池和电机都有制冷需求，通过调节chiller支路与室内蒸发器支路两路电子膨胀阀的开度，控制制冷剂在其支路的流量分配，电机冷却液则通过前段散热器进行换热，从而对电机散热，实现驾驶室和电池包的同时制冷。
实施例1的控制流程如下：
驾驶室独立冷却：冷媒四通阀1-2连通、3-4连通→电子膨胀阀2、电磁阀1同时开启→压缩机启动→电子风扇工作。
电池包独立冷却：冷媒四通阀1-2连通、3-4连通→水泵2开启→电子膨胀阀3、电磁阀1同时开启→压缩机启动→电子风扇工作。
驾驶室、电池包和电机同时冷却：冷媒四通阀1-2连通、3-4连通→冷却液四通阀1-3连通、2-4连通→水泵1、2开启→电磁阀1开启→电子膨胀阀2、3开启→压缩机启动→电子风扇开启。
实施例2：单驾驶室独立制热模式
单驾驶室制热(热泵)：驾驶室有制热需求，电池无制冷制热需求，电机温度过低时，控制冷媒四通阀，使高温冷媒先流向室内换热器给驾驶室供热，再通过室外换热器从环境中吸热；热源为环境+压缩机。
单驾驶室制热(热泵加余热回收)：驾驶室有制热需求，电池无制冷制热需求，电机温度中等时，三通阀控制冷却液流向，开启水冷冷凝器，开启风扇，冷媒先通过室外换热器从环境中获取热量，再经LLC从冷却液中获取电机余热；热源为环境+电机+压缩机。
单驾驶室制热(余热回收)：驾驶室有制热需求，电池无制冷制热需求，电机温度较高时，三通阀控制冷却液流向，开启水冷冷凝器，关闭风扇，冷媒从LLC中获取电机余热给驾驶室供热；热源为电机+压缩机。
单驾驶室制热(PTC)：驾驶室有制热需求，电池无制冷制热需求，环境温度过低，热泵效率过低，关闭热泵空调，仅依靠A-PTC加热，热源为电加热器。
实施例2的控制流程如下：
单驾驶室制热(热泵)：冷媒四通阀1-4连通、2-3连通→电磁阀2开启→电子膨胀阀1工作→压缩机工作→电子风扇工作。
单驾驶室制热(热泵加余热回收)：冷媒四通阀1-4连通、2-3连通→三通阀2-3连通→电磁阀2开启→电子膨胀阀1工作→水泵1、2工作→压缩机工作。
单驾驶室制热(余热回收)：冷媒四通阀1-4连通、2-3连通→三通阀2-3连通→电磁阀2开启→电子膨胀阀1工作→水泵1工作→压缩机工作→电子风扇工作。
单驾驶室制热(PTC)：冷媒四通阀1-4连通、2-3连通→三通阀2-3连通→PTC加热器功率调节。
实施例3：单电池独立制热模式
电池包单独加热(热泵)：环境温度足够，电机温度过低，驾驶室无制冷制热需求，电池包邮制热需求，控制冷媒四通阀，使高温冷媒先流向Chiller给电池冷却液供热，再通过室外换热器从环境中吸热；热源为环境+压缩机。
电池包单独加热(余热回收1)：环境温度足够，电机温度足够，驾驶室无制冷制热需求，电池包有制热需求，不开启压缩机，电机和电池冷却液回路连通，通过冷却液平衡电机和电池间的热量；热源为电机。
电池包单独加热(余热回收2)：环境温度足够，电机温度不足，驾驶室无制冷制热需求，电池包有制热需求，开启压缩机，将电机热量和压缩机热量通过LLC释放给冷媒，在Chiller内加热冷却液给电池供热，热源为电机+压缩机。
电池包单独加热(热泵加余热回收)：环境温度足够，电机温度足够，驾驶室无制冷制热需求，电池包有制热需求，在余热回收2的基础上开启风扇，冷媒先通过室外换热器从环境中吸热，再在LLC中吸收；热源为环境+电机+压缩机。
实施例3的控制流程如下：
电池包单独加热(热泵)：冷媒四通阀1-4连通、2-3连通→冷却液四通阀1-4连通、2-3连通→电磁阀3开启→电子膨胀阀1工作→水泵2工作→压缩机工作→电子风扇工作。
电池包单独加热(余热回收1)：冷却液四通阀1-2连通、3-4连通→三通阀2-3连通→水泵1、2工作。
电池包单独加热(余热回收2)：冷媒四通阀1-4连通、2-3连通→冷却液四通阀1-2连通、3-4连通→三通阀2-3连通→电磁阀3开启→电子膨胀阀1工作→水泵1、2工作→压缩机工作。
电池包单独加热(热泵加余热回收)：冷媒四通阀1-4连通、2-3连通→冷却液四通阀1-2连通、3-4连通→三通阀2-3连通→电磁阀3开启→电子膨胀阀1工作→水泵1、2工作→压缩机工作→电子风扇工作。
实施例4：各系统相互耦合模式：
驾驶室制热(热泵)加电池冷却：驾驶室有制热需求，电池有制冷需求，三通阀和四通阀控制冷却液流向，开启水冷冷凝器，冷媒先从室外换热器从环境吸热，再经LLC从冷却液中获取电池余热给驾驶室供热；热源为电池+环境+压缩机。
驾驶室&电池制热(热泵)：驾驶室有制热需求，电池有制热需求，环境温度够高，电机温度过低，四通阀控制冷媒流动方向，仅通过室外换热器从环境中吸收热量，同时供给驾驶室和电池制热；热源为环境+压缩机。
驾驶室&电池制热(余热回收)：驾驶室有制热需求，电池有制热需求，环境温度够高，电机温度足够，控制冷却液阀门，连通电机和电池冷却液回路，将电机热量和压缩机热量通过LLC释放给冷媒，再同时供给驾驶室和电池制热，热源为电机+压缩机。
驾驶室&电池制热(热泵+余热回收)：驾驶室有制热需求，电池有制热需求，环境温度够高，电机温度不足，在前一模式的基础上开启风扇，冷媒先通过室外换热器从环境中吸热，再在LLC中吸收；热源为环境+电机+压缩机。
实施例4的控制流程如下：
驾驶室制热(热泵)加电池冷却：冷媒四通阀1-4连通、2-3连通→冷却液四通阀1-2连通、3-4连通→三通阀2-3连通→电磁阀2开启→电子膨胀阀1工作→水泵1、2工作→压缩机工作→电子风扇工作。
驾驶室&电池制热(热泵)：冷媒四通阀1-4连通、2-3连通→冷却液四通阀1-4连通、2-3连通→电磁阀2、3开启→电子膨胀阀1工作→水泵2工作→压缩机工作→电子风扇工作。
驾驶室&电池制热(余热回收)：冷媒四通阀1-4连通、2-3连通→冷却液四通阀1-2连通、3-4连通→三通阀2-3连通→电磁阀2、3开启→电子膨胀阀1工作→水泵1、2工作→压缩机工作。
驾驶室&电池制热(热泵+余热回收)：冷媒四通阀1-4连通、2-3连通→冷却液四通阀1-2连通、3-4连通→三通阀2-3连通→电磁阀2、3开启→电子膨胀阀1工作→水泵1、2工作→压缩机工作→电子风扇工作。
实施例5：特殊工作模式
室外换热器化霜：驾驶室或电池有制热需求，室外换热器结霜，室外换热器表面结霜，改变冷媒四通阀流向，转换为制冷模式，关闭风扇，利用高温冷媒实现除霜；为避免驾驶室和冷却液温度波动过大可考虑开启A-PTC和W-PTC。
实施例5的控制流程如下：
室外换热器化霜：冷媒四通阀1-2连通、3-4连通→冷却液四通阀1-2连通、3-4连通→三通阀1-2连通→电磁阀1开启→电子膨胀阀2、3工作→A-PTC、W-PTC开启→压缩机工作。
本具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。

Claims (5)

1.一种基于热泵空调的新能源车集成式热管理系统，其特征是：所述系统包括驾驶室制冷及制热模块、电池制冷及制热模块和电机冷却及电机余热回收利用模块。
2.根据权利要求1所述的一种基于热泵空调的新能源车集成式热管理系统，其特征是：所述驾驶室制冷及制热模块包括室内换热器、室外换热器、水冷冷凝器、压缩机和气液分离器，所述室内换热器并联有HVAC和A-PTC，所述室内换热器的一端串联有冷媒电磁阀二和电子膨胀阀二，所述冷媒电磁阀二和电子膨胀阀二互相并联，所述室内换热器的另一端串联有冷媒四通阀，所述冷媒四通阀的1通道连接水冷冷凝器，所述冷媒四通阀的3通道与室内换热器连接，所述冷媒四通阀的4通道连接气液分离器，所述冷媒四通阀的2通道连接压缩机，所述压缩机与气液分离器串联使得冷媒四通阀的2通道与4通道连通；所述水冷冷凝器与室外换热器串联，所述室外换热器并联设有风扇，所述室外换热器的另一端串联有冷媒电磁阀一和电子膨胀阀一，所述冷媒电磁阀一和电子膨胀阀一互相并联，所述室内换热器和冷媒四通阀之间设有压力温度传感器二，互相并联的所述冷媒电磁阀一和电子膨胀阀一与互相并联的所述冷媒电磁阀二和电子膨胀阀二之间设有压力温度传感器一。
3.根据权利要求2所述的一种基于热泵空调的新能源车集成式热管理系统，其特征是：所述电池制冷及制热模块包括制冷装置、电子水泵二、液冷板和电池包，所述制冷装置的两端分别设有一个温度传感器，所述制冷装置的一端连接有冷却液四通阀，所述制冷装置的另一端连接液冷板，所述液冷板与电池包并联，所述液冷板的另一端连接电子水泵二，所述电子水泵二和液冷板之间设有膨胀水箱二，所述冷却液四通阀的1通道与制冷装置连接，所述冷却液四通阀的4通道连接电子水泵二。
4.根据权利要求3所述的一种基于热泵空调的新能源车集成式热管理系统，其特征是：所述电机冷却及电机余热回收利用模块包括散热器、电子水泵一、W-PTC、膨胀水箱一和电机，所述散热器的一端连接冷却液三通阀，另一端连接电机，所述冷却液三通阀的1通道与散热器连接，所述冷却液三通阀的2通道与电子水泵一连接，所述冷却液三通阀的3通道与水冷冷凝器连接，所述电子水泵一与W-PTC连接，所述W-PTC与膨胀水箱一连接，所述膨胀水箱一与冷却液四通阀的3通道连接，所述冷却液四通阀的2通道与电机连接。
5.根据权利要求4所述的一种基于热泵空调的新能源车集成式热管理系统，其特征是：所述制冷装置连接有冷媒电磁阀三和电子膨胀阀三，所述冷媒电磁阀三和电子膨胀阀三互相并联，互相并联的所述冷媒电磁阀三和电子膨胀阀三与互相并联的所述冷媒电磁阀二和电子膨胀阀二连接；所述制冷装置连接有压力温度传感器三，所述压力温度传感器三与驾驶室制冷及制热模块连通。
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