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CN111890866A - 一种纯电动汽车用的一体式热泵管理系统、纯电动汽车 - Google Patents

一种纯电动汽车用的一体式热泵管理系统、纯电动汽车 Download PDF

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CN111890866A
CN111890866A CN202010553165.7A CN202010553165A CN111890866A CN 111890866 A CN111890866 A CN 111890866A CN 202010553165 A CN202010553165 A CN 202010553165A CN 111890866 A CN111890866 A CN 111890866A
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姚薇
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Abstract

本发明公开了一种纯电动汽车用的一体式热泵管理系统、纯电动汽车。包括：压缩机；车厢外换热器；车厢内换热器；电池冷板；四通阀，包括四个阀口，其中第一阀口连通压缩机的出口，第三阀口连通压缩机的进口，第二阀口与第四阀口之间设有车厢外换热器、车厢内换热器和电池冷板，其中车厢内换热器和电池冷板之间相互并联，然后再与车厢外换热器串联，连接各元件的连接管路上设有控制对应连接管路开闭状态的阀门。本系统可以根据外界环境与电动汽车本身工况实现多种热管理模式的切换，涵盖工况范围广，适用性强，可以满足整车在不同工况下的乘客舱与电池包热管理需求，提高系统效率，降低耗电量。

Description

一种纯电动汽车用的一体式热泵管理系统、纯电动汽车
技术领域
本发明涉及汽车热管理技术领域，特别是涉及一种纯电动汽车用的一体式热泵管理系统、纯电动汽车。
背景技术
传统的燃油汽车由于其消耗大量的石油资源，同时排放的废气会对环境造成严重污染，在能源短缺与环境保护的双重压力下，电动汽车因其在环境保护与可持续发展等方面的优势，受到社会越来越广泛的关注与政策支持。各大传统车企与互联网造车新势力都开始布局电动汽车行业，同时互联网行业的发展也进一步推动汽车智能化和电气化。
随着电动汽车的迅速发展，其续航能力、电池寿命和安全性问题开始凸显，并成为制约电动汽车发展的重要因素，大容量电池及快充技术也成为未来电动汽车的发展方向，但受制于目前电池技术同时也带来了更多的电池产热问题，电池温度过高或过低都会降低电池充放电效率，降低续航里程，严重时甚至会引发电池热失控，产生安全风险。如何合理控制电池温度对电池热管理系统提出了更高的要求，电池热管理系统也成为影响电动汽车市场竞争力的重要因素。
电动汽车空调系统作为仅次于动力系统的主要耗能部分以及保障乘客舒适性的重要部件，电动汽车因为不同于传统燃油汽车，无法利用内燃机余热供暖，因此制冷与制热都需消耗大量电池电量，如何提高系统效率，降低系统耗电量对提高系统续航具有重要意义。
目前受制于技术成本等原因，许多电动汽车厂商大都采用PTC电加热方式来为车厢供暖，但由于PTC电加热能效比始终小于1，需消耗大量电能，部分车型在冬季采用PTC电加热时续航里程可以衰减30％～50％，严重影响用户体验。
由于电动汽车既需对电池也需对乘客舱进行热管理，两套系统必然造成系统复杂，开发一套完善节能高效的一体式热管理系统对于延长电池寿命，提高电动汽车舒适性、安全性和续航能力至关重要，同时也可以提高系统紧凑性与集成性。
发明内容
本发明针对现有技术中存在的上述不足，提供了一种纯电动汽车用的一体式热泵管理系统、纯电动汽车。
一种纯电动汽车用的一体式热泵管理系统，汽车具有乘客舱和电池包，包括：
压缩机；
车厢外换热器，用于与汽车外界环境进行热交换；
车厢内换热器，用于对乘客舱内温度进行调节；
电池冷板，用于对电池包温度进行调节；
四通阀，包括四个阀口，其中第一阀口连通压缩机的出口，第三阀口连通压缩机的进口，第二阀口与第四阀口之间设有车厢外换热器、车厢内换热器和电池冷板，其中车厢内换热器和电池冷板之间相互并联，然后再与车厢外换热器串联，连接各元件的连接管路上设有控制对应连接管路开闭状态的阀门。
优选的，所述四通阀可控制第一阀口与第二阀口连通、第三阀口与第四阀口连通，或者第一阀口与第四阀口连通、第二阀口与第三阀口连通。
优选的，第二阀口通过第一管路连通车厢外换热器的一端，第四阀口通过第二管路连通车厢内换热器的一端，车厢内换热器的另一端通过第三管路连通车厢外换热器的另一端，所述第三管路上设有第一流量控制阀；
所述第三管路位于第一流量控制阀与车厢外换热器之间的一段与电池冷板的一端之间通过第四管路连通，所述第四管路上设有第一截止阀和第二流量控制阀，其中第二流量控制阀位于靠近电池冷板一侧，所述第三管路位于第一流量控制阀与车厢内换热器之间的一段与第四管路位于第一截止阀和第二流量控制阀之间的一段通过第五管路连通，第五管路上设有第二截止阀；
所述第二管路与电池冷板的另一端之间通过第六管路连通，第六管路与第一管路之间通过第七管路连通，所述第七管路上设有第三截止阀。
更优选的，所述第六管路上设有电动调节阀，所述第七管路连接第六管路位于电动调节阀与电池冷板之间的一段。
更优选的，第一流量控制阀和第二流量控制阀均为电子膨胀阀。采用电子膨胀阀，可以对制冷剂流量以及蒸发器中蒸发温度进行准确控制，提高系统响应速度。
优选的，所述的一体式热泵管理系统，系统所用的制冷循环介质为空调制冷剂。所述空调制冷剂可以为氟利昂。
本发明还提供了使用所述一体式热泵管理系统的纯电动汽车。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本系统可以根据外界环境与电动汽车本身工况实现多种热管理模式的切换，涵盖工况范围广，适用性强，可以满足整车在不同工况下的乘客舱与电池包热管理需求，提高系统效率，降低耗电量。
本发明将电动汽车乘客舱热管理系统与电池热管理系统结合，实现一体式热管理，极大提高了系统效率与系统紧凑性。
本发明采用热泵方式供热，相对于传统的PTC加热，可以实现能效比大于1，解决电动汽车在冬季续航迅速缩减的问题。
本发明对电池包采用直冷方式，避免了传统风冷与液冷，减小了系统复杂度，提高了系统效率，同时直冷方式可以有效的提高电池包内温度均匀性。
采用了并联式蒸发器，同时在电池包侧增加电动压力调节阀，实现对并联蒸发器内不同蒸发温度的准确控制。
附图说明
图1为本发明纯电动汽车用的一体式热泵管理系统的结构示意图。
附图标注：压缩机(1)、四通阀(2)、车厢外换热器(3)、第一截止阀(4)、第一流量控制阀(5)、第二截止阀(6)、第二流量控制阀(7)、电池冷板(8)、第三截止阀(9)、电动调节阀(10)、车厢内换热器(11)、第一管路(12)、第二管路(13)、第三管路(14)、第四管路(15)、第五管路(16)、第六管路(17)、第七管路(18)、第八管路(19)。
具体实施方式
如图1所示，一种纯电动汽车用的一体式热泵管理系统，包括乘客舱热管理系统与电池包热管理系统，集成了乘客舱与电池包的热管理系统。所述一体式热泵管理系统包括：压缩机(1)、四通阀(2)、车厢外换热器(3)、车厢内换热器(11)、电池冷板(8)，其中，车厢外换热器3用于与汽车外界环境进行热交换，车厢内换热器11用于对乘客舱内温度进行调节，电池冷板8用于对电池包温度进行调节。
四通阀2包括四个阀口，在图1中分别标注为A、B、C和D，其中第一阀口(阀口A)连通压缩机1的出口，第三阀口(阀口C)连通压缩机1的进口，第二阀口(阀口B)与第四阀口(阀口D)之间设有车厢外换热器3、车厢内换热器11和电池冷板8，其中车厢内换热器11和电池冷板8之间相互并联，然后再与车厢外换热器3串联，连接各元件的连接管路上设有控制对应连接管路开闭状态的阀门。
四通阀2可控制第一阀口(阀口A)与第二阀口(阀口B)连通、第三阀口(阀口C)与第四阀口(阀口D)连通，或者第一阀口(阀口A)与第四阀口(阀口D)连通、第二阀口(阀口B)与第三阀口(阀口C)连通，通过控制四通阀2的连通方式，可以实现不同管路的连通，从而实现不同的功能。
四通阀2的第一阀口(阀口A)连通压缩机1的出口，第三阀口(阀口C)连通压缩机1的进口，两个阀口之间通过第八管路19连通。
第二阀口通过第一管路12连通车厢外换热器3的一端，第四阀口通过第二管路13连通车厢内换热器11的一端，车厢内换热器11的另一端通过第三管路14连通车厢外换热器3的另一端，第三管路14上设有第一流量控制阀5。第三管路14位于第一流量控制阀5与车厢外换热器3之间的一段与电池冷板8的一端之间通过第四管路15连通，第四管路15上设有第一截止阀4和第二流量控制阀7，其中第二流量控制阀7位于靠近电池冷板8一侧，第三管路14位于第一流量控制阀5与车厢内换热器11之间的一段与第四管路15位于第一截止阀4和第二流量控制阀7之间的一段通过第五管路16连通，第五管路16上设有第二截止阀6。第二管路13与电池冷板8的另一端之间通过第六管路17连通，第六管路17与第一管路12之间通过第七管路18连通，第七管路18上设有第三截止阀9。第六管路17上设有电动调节阀10，第七管路18连接第六管路17位于电动调节阀10与电池冷板8之间的一段。对于上述管路连接来说，两根管路连接的地方可以通过三通管进行连接。其中，第一流量控制阀5和第二流量控制阀7优选使用电子膨胀阀。
本申请一体式热泵管理系统内所用的制冷循环介质为空调制冷剂。所述空调制冷剂为氟利昂。
对于本申请一体式热泵管理系统来说，在冬季时，系统可以通过热泵方式，为电池包冷启动时进行供热，提高电池包温度，同时系统也可以为乘客舱进行供热，满足乘客舒适性需求。在夏季时，系统通过制冷循环，可以为乘客舱与电池包单独或一起供冷，从而实现全工况下整车的一体式热管理。
系统同时可以在为乘客舱进行供热时，利用好电池包内余热，当电池包热量不足时，还可以同时从电池包与外界吸收热量来供给乘客舱。做到了电池余热的有效利用，提高了系统效率。
本申请系统可以由以下9种工作模式，根据不同的需求来进行运行。
一、电池组与乘客舱同时冷却：
压缩机启动，四通阀A、B接口连通，C、D接口连通，第一截止阀(4)开启，第二截止阀(6)关闭，第三截止阀(9)关闭，压缩机1变频维持入口压力，第一流量控制阀(5)根据车厢内反馈温度进行开度调节，控制进入车厢内换热器(11)制冷剂流量，第二流量控制阀7根据电池包反馈温度进行开度调节，控制进入电池冷板(8)制冷剂流量，电动调节阀(10)根据车厢内蒸发器(11)与电池冷板(8)蒸发温度压力差异进行调节，控制电池冷板8出口压力，制冷剂在车厢外换热器(3)中冷凝放热，同时在车厢内换热器(11)与电池冷板(8)中进行蒸发吸热。
二、仅电池组冷却：
压缩机1启动，四通阀A、B接口连通，C、D接口连通，第一截止阀(4)开启，第二截止阀(6)关闭，第三截止阀(9)关闭，第一流量控制阀(5)关闭，压缩机1变频维持入口压力，第二流量控制阀7根据电池包反馈温度进行开度调节，控制进入电池冷板(8)制冷剂流量，电动调节阀(10)全开，制冷剂在车厢外换热器(3)中冷凝放热，只在电池冷板(8)中蒸发吸热。
三、电池组冷却，乘客舱加热，只从电池取热：
压缩机1启动，四通阀A、D接口连通，B、C接口连通，电动调节阀(10)关闭，第一截止阀(4)关闭，第二截止阀(6)开启，第三截止阀(9)开启，压缩机1变频维持出口压力，第一流量控制阀5关闭，第二流量控制阀7根据电池包反馈温度进行开度控制，控制进入电池冷板(8)制冷剂流量，制冷剂在车厢内换热器(11)中冷凝放热，在电池冷板(8)中蒸发吸热。
四、电池组冷却，乘客舱加热，同时从电池与外界取热：
压缩机1启动，四通阀A、D接口连通，B、C接口连通，电动调节阀(10)关闭，第一截止阀(4)关闭，第二截止阀(6)开启，第三截止阀(9)开启，压缩机1变频维持出口压力，第一流量控制阀(5)根据乘客舱反馈温度进行开度控制，控制进入车厢外换热器(3)制冷剂流量，第二流量控制阀(7)根据电池包反馈温度进行开度控制，控制进入电池冷板(8)制冷剂流量，制冷剂在车厢内换热器(11)中冷凝放热，同时在电池冷板(8)与车厢外换热器(3)里进行蒸发吸热。
五、电池组加热，乘客舱冷却：
压缩机启动，四通阀A、B接口连通，C、D接口连通，第三截止阀(9)开启，电动调节阀(10)关闭，第一截止阀(4)关闭，第二截止阀(6)开启，第二流量控制阀(5)关闭，压缩机变频维持出口压力，第一流量控制阀(7)根据乘客舱反馈温度与电池包反馈温度进行开度调节，控制制冷剂流量，制冷剂在电池包冷板(8)中冷凝放热，加热电池包，在车厢内换热器(11)中蒸发吸热。
六、电池组加热，乘客舱加热：
压缩机1启动，四通阀A、D接口连通，B、C接口连通，电动调节阀(10)开启，第三截止阀(9)关闭，第二截止阀(6)关闭，第一截止阀(4)开启，压缩机1变频维持出口压力，第二流量控制阀7根据电池包反馈温度进行开度调节，控制制冷剂流量，第一流量控制阀5根据乘客舱反馈温度进行开度调节，控制制冷剂流量，制冷剂分别在电池冷板(8)与车厢内换热器(11)内冷凝放热，在车厢外换热器(3)中蒸发吸热。
七、仅电池组加热：
压缩机1启动，四通阀A、D接口连通，B、C接口连通，电动调节阀(10)开启，第三截止阀(9)关闭，第二截止阀(6)关闭，第一截止阀(4)开启，第一流量控制阀(5)关闭，压缩机1变频维持出口压力，第二流量控制阀(7)根据电池包反馈温度进行开度调节，控制制冷剂流量，制冷剂在电池冷板(8)内冷凝放热，在车厢外换热器(3)中蒸发吸热。
八、仅乘客舱冷却：
压缩机1启动，四通阀A、B接口连通，C、D接口连通，第一截止阀(4)关闭，第二截止阀(6)关闭，第三截止阀(9)关闭，电动调节阀(10)关闭，第一流量控制阀(7)关闭，压缩机1变频维持入口压力，第一流量控制阀(5)根据乘客舱反馈温度进行开度调节，控制进入车厢内换热器(11)的制冷剂流量，制冷剂在车厢外换热器(3)中冷凝放热，在车厢内换热器(11)中蒸发吸热。
九、仅乘客舱加热：
压缩机1启动，四通阀A、D接口连通，B、C接口连通，电动调节阀(10)关闭，第一截止阀(4)关闭，第二截止阀(6)关闭，第三截止阀(9)关闭，第二流量控制阀(7)关闭，压缩机1变频维持出口压力，第一流量控制阀(5)根据车厢内反馈温度进行开度调节，控制制冷剂流量，制冷剂在车厢内换热器(11)中冷凝放热，在车厢外换热器(3)中蒸发吸热。
利用本申请纯电动汽车用的一体式热泵管理系统的纯电动汽车可以根据外界环境与电动汽车本身工况实现多种热管理模式的切换，涵盖工况范围广，适用性强，可以满足整车在不同工况下的乘客舱与电池包热管理需求，提高系统效率，降低耗电量。

Claims (8)

1.一种纯电动汽车用的一体式热泵管理系统，汽车具有乘客舱和电池包，其特征在于，包括：
压缩机；
车厢外换热器，用于与汽车外界环境进行热交换；
车厢内换热器，用于对乘客舱内温度进行调节；
电池冷板，用于对电池包温度进行调节；
四通阀，包括四个阀口，其中第一阀口连通压缩机的出口，第三阀口连通压缩机的进口，第二阀口与第四阀口之间设有车厢外换热器、车厢内换热器和电池冷板，其中车厢内换热器和电池冷板之间相互并联，然后再与车厢外换热器串联，连接各元件的连接管路上设有控制对应连接管路开闭状态的阀门。
2.如权利要求1所述的一体式热泵管理系统，其特征在于，所述四通阀可控制第一阀口与第二阀口连通、第三阀口与第四阀口连通，或者第一阀口与第四阀口连通、第二阀口与第三阀口连通。
3.如权利要求1所述的一体式热泵管理系统，其特征在于，第二阀口通过第一管路连通车厢外换热器的一端，第四阀口通过第二管路连通车厢内换热器的一端，车厢内换热器的另一端通过第三管路连通车厢外换热器的另一端，所述第三管路上设有第一流量控制阀；
所述第三管路位于第一流量控制阀与车厢外换热器之间的一段与电池冷板的一端之间通过第四管路连通，所述第四管路上设有第一截止阀和第二流量控制阀，其中第二流量控制阀位于靠近电池冷板一侧，所述第三管路位于第一流量控制阀与车厢内换热器之间的一段与第四管路位于第一截止阀和第二流量控制阀之间的一段通过第五管路连通，第五管路上设有第二截止阀；
所述第二管路与电池冷板的另一端之间通过第六管路连通，第六管路与第一管路之间通过第七管路连通，所述第七管路上设有第三截止阀。
4.如权利要求3所述的一体式热泵管理系统，其特征在于，所述第六管路上设有电动调节阀，所述第七管路连接第六管路位于电动调节阀与电池冷板之间的一段。
5.如权利要求3所述的一体式热泵管理系统，其特征在于，第一流量控制阀和第二流量控制阀均为电子膨胀阀。
6.如权利要求1所述的一体式热泵管理系统，其特征在于，系统所用的制冷循环介质为空调制冷剂。
7.如权利要求6所述的一体式热泵管理系统，其特征在于，所述空调制冷剂为氟利昂。
8.使用如权利要求1～7任一所述一体式热泵管理系统的纯电动汽车。
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