CN218489419U

CN218489419U - 新能源电动汽车co2热湿耦合系统

Info

Publication number: CN218489419U
Application number: CN202222118357.2U
Authority: CN
Inventors: 汪琳琳; 刘圣春; 代宝民; 邹同华
Original assignee: Tianjin University of Commerce
Current assignee: Tianjin University of Commerce
Priority date: 2022-08-12
Filing date: 2022-08-12
Publication date: 2023-02-17
Anticipated expiration: 2032-08-12

Abstract

本实用新型公开了一种新能源电动汽车CO₂热湿耦合系统。本实用新型包括热湿管理系统、电池热管理组和电机电控热管理组；热湿管理系统包括压缩机、室内加热器、室外换热器、中间换热器、气液分离器、电池冷却器、室内蒸发器、除湿换热器、散热器，电池热管理组由电池冷却器经由电子水泵二与板式换热器连接，板式换热器由设置电磁阀五的管路连接回到电池冷却器，电机电控热管理组由散热器经过电磁阀三和电子水泵一通过管路连接至电机、电控原件。本实用新型提出CO₂跨临界热泵空调循环系统与三电余热回收一体化整车热湿耦合系统，创新热系统结构，实现多模式多工况下宽温阈的高效运行。

Description

新能源电动汽车CO2热湿耦合系统

技术领域

本实用新型涉及电动车热系统研究领域，更具体地说，是涉及新能源电动汽车CO₂热湿耦合系统。

背景技术

新能源纯电动汽车冬季制热所需电量约占整车耗电量的30%~50%。采用电加热器（PTC）制热时整车续航里程可降至一半，对纯电动汽车续驶里程影响甚大。目前国内外电动汽车多用三换热器热泵空调系统。但当环境温度低于-7℃时，利用传统制冷剂的热泵空调系统效率大幅降低，需PTC辅助加热。整车续航里程的急速衰减使新能源电动汽车普及受到阻碍。且在冬季除湿模式下，空气经过空调箱内蒸发器冷却除湿后再经室内冷凝器加热，除湿负荷约占制热负荷60%。

电动车热系统研究主要集中在蒸汽喷射热泵空调系统与新型制冷剂应用。R134a蒸汽喷射热泵空调系统的应用环境温度可拓宽至-15℃，COP与制热量有所提升，但低温冷启动下热量和送风温度仍不能满足需求，需辅助热。为兼顾环保性，第四代制冷剂CO₂，R290成为替代方案。虽然R290在严寒下有较好的制热表现，但由于强可燃性需二次循环，系统效率大幅下降。

CO₂作为汽车热泵空调制冷剂是解决低温制热的有效方案，对复杂汽车气候控制系统有较大开发价值。但CO₂跨临界热泵系统存在运行压力高、冷源条件苛刻，高压放热温度滑移大，与多品位余热热源耦合复杂等问题。

冬季为保证行车安全需及时除湿除雾。通常车内湿空气通过蒸发器冷却除湿后再加热，降低了系统热力学完善度。冬季车内湿负荷约占热泵系统全负荷的60% 。有案例采用DCHE独立除湿系统，利用三电(电池、电机、电控)余热进行除湿再生，减少了汽车除湿模式下的能耗。但受到再生热源不稳定影响，无法保证实时再生效率。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是，研究具有宽工况适应性的高效环保车载热管理热湿耦合系统，开展CO₂一体化热系统传热传质研究，尤其在复杂变工况下多热源匹配耦合协调运行，拓宽DCHE除湿系统再生需求温度阈，利用多品位热源耦合的新能源电动汽车热湿系统，对解决电动汽车热泵低温下的高效应用具有极为重要意义。

本实用新型一种新能源电动汽车CO₂热湿耦合系统，通过下述技术方案予以实现，包括热湿管理系统、电池热管理组和电机电控热管理组；

热湿管理系统包括压缩机、室内加热器、室外换热器、中间换热器、气液分离器、电池冷却器、室内蒸发器、除湿换热器、散热器，压缩机的出口通过管道与室内加热器连接，室内加热器连接两个支路，支路一作为制冷工况经过设置电磁阀一的管路连接室外换热器，室外换热器通过设置连接管路连接中间换热器高温段，中间换热器通过两个支路并联蒸发器：其一支路是由电子膨胀阀二与电池冷却器组成的电池热管理组，其二支路是由电子膨胀阀一与蒸发器组成的车内降温系统，两个支路汇合后由管路连接至气液分离器，通过管路连接进入中间换热器低温段换热后，连接至压缩机吸气口；支路二作为热泵工况经过设置电子膨胀阀三的管路连接室外换热器，室外换热器通过管路连接中间换热器，之后通过电磁阀二分别连接气液分离器与中间换热器另一端，中间换热器连接至压缩机吸气口；此时当电池冷却有需求时，管路不经过电磁阀二，经由电子膨胀阀二与电池冷却器连通，并通过管路连接气液分离器与中间换热器另一端，而后连接至压缩机吸气口；电池热管理组由电池冷却器经由电子水泵二与板式换热器连接，板式换热器由设置电磁阀五的管路连接回到电池冷却器，当判断电池散热量与散热温度满足除湿换热再生热需求时，冷却水流回电池冷却器前先由管路经过电子膨胀阀六连接至除湿换热器，提供热量后由管路连接再回流至电池冷却器；电机电控热管理组中系统运行是独立进行的，由散热器经过电磁阀三和电子水泵一通过管路连接至电机、电控原件，当判断满足除湿换热再生热需求时，进入散热器前先由管路经过电子膨胀阀四连接至除湿换热器，提供热量后由管路连接再回流至散热器；当电池热管理组与电机电控热管理组中的热量不能满足除湿换热再生热需求时，室内加热器经由电子膨胀阀五与除湿换热器连接，提供热量后由管路连接与室内加热器出口汇合。

在压缩机进出口、室内加热器制冷剂出口、室外换热器制冷剂出口、中间换热器出口、电池冷却器制冷剂出口、蒸发器制冷剂出口、除湿换热器制冷剂出口、散热器水侧出口和电池冷却器水侧出口分别设置温度传感器。

在除湿换热器风侧出口位置设置湿度传感器。

在压缩机进出口、电池冷却器制冷剂出口、蒸发器制冷剂出口和室外换热器制冷剂出口分别设置压力传感器。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

本实用新型提出CO₂跨临界热泵空调循环系统与三电余热回收一体化整车热湿耦合系统，创新热系统结构，实现多模式多工况下宽温阈的高效运行；利用多品位热源响应DCHE再生需求，实现DCHE再生过程与热系统能流的传热传质耦合，降低湿负荷对整车能耗的影响。

通过以上电动汽车热管理系统的创新，实现了基于DCHE除湿再生过程与CO₂跨临界热系统能流耦合在运行工况下对新能源电动车低温环境工况能效利用与改善的新方法，以整车热系统能效为目标实现整车低温续航里程提升，具有可观的经济效益和生态环保效益。

附图说明

图1是本实用新型原理框图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

本实用新型是由系统高低温多级热源组成的换热器与除湿换热器耦合进而完成冬季车内热湿负荷处理；

基于电动车热系统多热源、多工况、多模式的复杂矩阵关系运行特点，为提高热系统实际能效，同时拓宽适用性DCHE除湿系统，提出建立CO₂热系统、三电余热回收系统、除湿再生热源需求的深度耦合，实现多能流在多工况多工作模式下的优化配置与高效切换，提高整车续航里程。

新能源电动汽车跨临界CO₂热湿耦合系统如图1所示。设置多工作模式切换，进行制冷模式、制热模式、除湿模式、电池冷却、电机/电控原件冷却模式及基于多种单一工作模式的混合工作模式等。通过各部件冷/热/湿的利用、传递与转换规律，实现冷热系统、余热回收及湿度调节之间的最优性能。传统的汽车热管理工作模式如下：

（1）制冷模式：制冷需求开启时，从压缩机出口的高温高压CO₂制冷剂通过室内加热器，此时风门调节到空气不通过室内加热器与其换热。电子膨胀阀三关闭，CO₂制冷剂通过电磁阀一后进入室外换热器放热后，进入中间换热器进一步降温，然后通过电子膨胀阀一节流降温降压后进入室内蒸发器吸收乘员舱空气热量，在气液分离器中将液滴分离后再进入中间换热器进一步加热以防压缩机液击，最后回到压缩机再进行升温升压完成制冷循环。

（2）制热模式：制热需求开启时，从压缩机出口的高温高压CO₂制冷剂进入室内加热器，此时风门调节到乘员舱空气通过室内加热器与其换热，空气被加热后进入乘员舱提供暖风，电磁阀一关闭，CO₂制冷剂降温后进入电子膨胀阀三节流降压，而后进入室外换热器吸收室外空气热量进行蒸发吸热后，电子膨胀阀一和电子膨胀阀二关闭，电磁阀二开启，CO₂制冷剂通过中间换热器，在气液分离器中将液滴分离以防压缩机液击，最后回到压缩机再进行升温加压完成制热循环。

（3）电池冷却模式：当电池温度过高发出冷却需求指令时，电子膨胀阀二打开，室外换热器出口的低温高压CO₂制冷剂经过电子膨胀阀二降温降压，在电池冷却器中与由板式换热器中吸收的电池热量换热，此时如果乘员舱也有降温需求，电池冷却器则与室内蒸发器形成冷却并联回路，CO₂制冷剂在蒸发后汇合，进入气液分离器和中间换热器后回到压缩机进行循环。

（4）电机/电控原件冷却模式：当电机/电控原件发出冷却需求指令时，打开室外散热器水循环回路，利用水流量调节，电机/电控原件中的热量通过室外散热器换热被排向室外空气进行降温。

（5）冬季除湿模式：传统电动汽车热泵系统在冬季除湿模式下，通过开启除湿切换阀门（电磁阀四），将空调箱内的两个换热器（室内加热器与室内蒸发器）连通，湿空气先经过室内蒸发器进行低温冷却除湿，再经过室内加热器加热后送入乘员舱。

与传统的电动汽车热泵系统的不同之处在于，系统在冬季除湿模式时利用了除湿换热器DCHE进行除湿。除湿后除湿换热器的除湿材料再生热源可根据热源温度利用电动车载中三种热源进行：

（1）电机/电控等余热：当除湿换热器有再生需求时，电机/电控等经过冷却后的余热不是直接排放到室外，可用于除湿换热器的再生。此部分尤其是电机冷却后可利用的余热温度较高，一般情况在65℃左右，经过除湿剂再生放热后再排放到室外，但余热的热量较少，当除湿再生需求量不大的时候可以优先利用。

（2）电池余热：当除湿换热器有再生需求时，电池经冷却后的余热不是直接排放到室外，可用于除湿换热器的再生。此部分电池冷却后可利用的余热温度较低，一般可调节在35℃左右，经过除湿剂再生放热后再排放到室外，对除湿剂的选择有一定的要求，但余热的热量较电机/电控余热多，当除湿再生需求量不大的时候可以利用或与电机/电控等余热混合利用。

（3）利用室内加热器中CO₂制冷剂余热:电机/电控原件余热与电池余热的利用优先级高于CO₂制冷剂余热利用，也可同时利用这两种余热作为除湿材的再生热，这样可进一步减少余热排放时的能量消耗。但当电机/电控原件余热与电池余热不能满足除湿材的再生热需求时，则利用CO₂制冷剂的热量。室内加热器放热过程中CO₂制冷剂的温度从约100℃降到30℃左右，温度梯度较大，可满足多种除湿材的再生热需求。另外关键在于可通过调节制冷剂流量和乘员舱风量调节室内加热器出口温度以满足除湿材的再生热需求。CO₂制冷剂通过除湿换热器放热后再进入电子膨胀阀三进行制热循环。在制热模式开启时，可暂时将除湿优先级提高以保证行车的安全性。

通过对再生热需求的监控和适合余热温度的采集分析，利用最合适整个热管理系统效率的余热进行除湿换热器的再生，以满足整车内除湿的需求。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。

Claims

1.一种新能源电动汽车CO₂热湿耦合系统，其特征是，包括热湿管理系统、电池热管理组和电机电控热管理组；

热湿管理系统包括压缩机、室内加热器、室外换热器、中间换热器、气液分离器、电池冷却器、室内蒸发器、除湿换热器、散热器，压缩机的出口通过管道与室内加热器连接，室内加热器连接两个支路，支路一作为制冷工况经过设置电磁阀一的管路连接室外换热器，室外换热器通过设置连接管路连接中间换热器高温段，中间换热器通过两个支路并联蒸发器：其一支路是由电子膨胀阀二与电池冷却器组成的电池热管理组，其二支路是由电子膨胀阀一与蒸发器组成的车内降温系统，两个支路汇合后由管路连接至气液分离器，通过管路连接进入中间换热器低温段换热后，连接至压缩机吸气口；支路二作为热泵工况经过设置电子膨胀阀三的管路连接室外换热器，室外换热器通过管路连接中间换热器，之后通过电磁阀二分别连接气液分离器与中间换热器另一端，中间换热器连接至压缩机吸气口；此时当电池冷却有需求时，管路不经过电磁阀二，经由电子膨胀阀二与电池冷却器连通，并通过管路连接气液分离器与中间换热器另一端，而后连接至压缩机吸气口；电池热管理组由电池冷却器经由电子水泵二与板式换热器连接，板式换热器由设置电磁阀五的管路连接回到电池冷却器，当判断电池散热量和散热温度满足除湿换热再生热需求时，冷却水流回电池冷却器前先由管路经过电子膨胀阀六连接至除湿换热器，提供热量后由管路连接再回流至电池冷却器；电机电控热管理组中系统运行是独立进行的，由散热器经过电磁阀三和电子水泵一通过管路连接至电机、电控原件，当判断满足除湿换热再生热需求时，进入散热器前先由管路经过电子膨胀阀四连接至除湿换热器，提供热量后由管路连接再回流至散热器；当电池热管理组与电机电控热管理组中的热量不能满足除湿换热再生热需求时，室内加热器经由电子膨胀阀五与除湿换热器连接，提供热量后由管路连接与室内加热器出口汇合。

2.根据权利要求1所述的新能源电动汽车CO₂热湿耦合系统，其特征是，在压缩机进出口、室内加热器制冷剂出口、室外换热器制冷剂出口、中间换热器出口、电池冷却器制冷剂出口、蒸发器制冷剂出口、除湿换热器制冷剂出口、散热器水侧出口和电池冷却器水侧出口分别设置温度传感器。

3.根据权利要求1所述的新能源电动汽车CO₂热湿耦合系统，其特征是，在除湿换热器风侧出口位置设置湿度传感器。

4.根据权利要求1所述的新能源电动汽车CO₂热湿耦合系统，其特征是，在压缩机进出口、电池冷却器制冷剂出口、蒸发器制冷剂出口和室外换热器制冷剂出口分别设置压力传感器。