一种多热源热泵型电动汽车热管理系统的制作方法

1.本发明涉及电动汽车热管理系统，尤其是涉及一种多热源热泵型电动汽车热管理系统。


背景技术：

2.电动汽车的发展在应对全球变暖和减少全球汽车污染方面起重要作用。因此，电动汽车是汽车产业未来发展的主要趋势。随着电动汽车的迅猛发展，其续航能力、电池寿命、安全性、舒适性、高效性等问题开始突显，成为掣肘电动汽车发展的重要因素。作为电动汽车核心组成部件，电池、电机、电控单元、空调系统与上述问题密切相关，而对其性能影响最大的因素是温度。电动汽车热管理系统是乘员舱、电池和动力总成的集成温控系统，主要分为三部分：乘员舱热管理子系统(空调制冷与制热)、电池热管理子系统(电池冷却与加热)、动力总成热管理子系统(电机与电控冷却)，作用是保证乘客的舒适度及驾驶安全，控制电池、电机、电控等动力部件工作在合理的温度范围内。
3.对于电动汽车乘员舱热管理子系统，冬季低温制热是关键难点。与传统燃油车不同，电动汽车没有发动机余热为制热系统提供热源。目前，绝大部分电动汽车采用风热ptc进行制热，其能效比始终小于1，需要消耗电功率达5kw甚至以上才能保证车内热舒适要求，部分车型在采用风热ptc进行制热时续航里程衰减了30％～50％，严重增加了乘客里程焦虑。热泵系统能效比始终大于1，是替代风热ptc制热的优良方案。目前，绝大部分有关热泵系统应用于电动汽车的技术仅采用空气源热泵。然而，现有技术中采用空气源热泵的电动汽车普遍存在以下问题：
4.(1)压缩机在低温下吸气温度低，导致系统效率低、功耗大、制热性能差，在极端低温下甚至无法运行；
5.(2)车外蒸发器容易结霜甚至结冰，但除霜困难，严重影响换热效率；
6.(3)能量有效利用率低，无法有效利用电机、电控、电池产生的余热；
7.(4)舒适性差，除霜模式下需要切换到制冷模式，但除霜时间较长，严重影响热舒适性。
8.为解决上述问题，虽然近年来逐渐出现水环热泵应用于电动汽车相关的技术。然而，现有技术中采用水环热泵的情况，会造成高压侧传热阻力增加，导致冷凝温度增加、热效率降低。
9.目前，绝大部分电动汽车热管理系统技术各个子系统相互独立、集成度低，导致车内空间利用率低，电机、电控发热量和电池余热未能得到有效利用。少数即使考虑到上述问题，但系统管路连接复杂、容易出故障、满足工况有限，对能量利用方式较为简单。另外，绝大部分电动汽车热管理系统技术缺乏一些必要场景应用的考虑，例如：高温下高效冷却、低温下高效制热等。因此，如何解决乘员舱热管理、电池热管理、动力总成热管理三个子系统及整车热管理系统存在的固有问题，成为目前电动汽车热管理技术研究的重点。


技术实现要素：

10.本发明的目的就是为了提供一种多热源热泵型电动汽车热管理系统，将乘员舱热管理、电池热管理、动力总成热管理三个子系统进行有机整合，采用空气源热泵结合水环热泵的方式，由空气源、系统余热、少量电能提供低温热源，形成多热源热泵。冬季低温工况下，根据环境温度，通过阀门控制可以切换空气源热泵、空气源
‑
水环多热源热泵、水环热泵三种模式，实现能源利用最大化。其中，在极端低温工况下，切换成水环热泵模式运行，可以避免由空气源热泵造成的一系列问题。
11.本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
12.一种多热源热泵型电动汽车热管理系统，包括动力总成热管理子系统、电池热管理子系统和乘员舱热管理子系统，其特征在于，还包括水冷冷凝器、联合换热模块和第一比例三通阀，所述联合换热模块包括车外蒸发器、前端散热器和风扇，所述前端散热器通过风扇实现与车外蒸发器形成对流，所述水冷冷凝器的第二输入端连接至乘员舱热管理子系统的输出端，第二输出端连接至乘员舱热管理子系统的输入端，
13.所述动力总成热管理子系统和电池热管理子系统的输出端连接至第一比例三通阀的输入端，所述第一比例三通阀的第一输出端连接至水冷冷凝器的第一输入端并经由水冷冷凝器的第一输出端连接至动力总成热管理子系统和电池热管理子系统的输入端，所述第一比例三通阀的第二输出端通过前端散热器连接至水冷冷凝器的第一输入端，所述车外蒸发器连接至乘员舱热管理子系统。
14.所述电池热管理子系统包括第二水泵、第三水泵、电池模块、车外冷却器和第一电磁阀，所述第二水泵的第一输出端通过第三水泵连接至电池模块的输入端，所述第二水泵的第二输出端连接至车外冷却器的第一端，所述电池模块的第一输出端连接至第一电磁阀的第一端，第二输出端连接至车外冷却器的第二端，所述车外冷却器的第一端和第二端连通，所述车外冷却器的第二端还连接至第一电磁阀的第一端，所述第一电磁阀的第二端连接至第一比例三通阀的输入端。
15.所述车外冷却器的第一端侧设有热水电加热器。
16.所述乘员舱热管理子系统包括三通阀、电子压缩机、气液分离器、第二比例三通阀和车内换热模块，所述电子压缩机的输出端连接至三通阀的第一端，输入端分别连接至气液分离器、车内换热模块的一端和车外冷却器的第二输出端，所述三通阀的第二端分别连接至车内换热模块的一端，第三端连接至水冷冷凝器的第二输入端，所述车内换热模块的另一端通过第一电子膨胀阀分别连接至第二比例三通阀的输入端和水冷冷凝器的第二输出端，所述第二比例三通阀的第一输出端连接至车外冷却器的第二输入端，第二输出端连接至车外蒸发器的输入端。
17.所述车内换热模块包括车内蒸发器和车内冷凝器。
18.所述车内换热模块的车内换热模块包括车内换热器，车内换热器和电子压缩机之间设有第二电磁阀。
19.所述车内换热模块还包括热风电加热器。
20.所述第二比例三通阀和车外蒸发器之间设有第三电子膨胀阀。
21.所述第二比例三通阀和车外冷却器之间设有第二电子膨胀阀。
22.所述动力总成热管理子系统包括依次连接的膨胀水箱、第一水泵、电控模块和电
机模块。
23.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
24.1)将乘员舱热管理、电池热管理、动力总成热管理三个子系统进行有机整合，采用空气源热泵结合水环热泵的方式，由空气源、系统余热、少量电能提供低温热源，形成多热源热泵。冬季低温工况下，根据环境温度，通过阀门控制可以切换空气源热泵、空气源
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水环多热源热泵、水环热泵三种模式，实现能源利用最大化。其中，在极端低温工况下，切换成水环热泵模式运行，可以避免由空气源热泵造成的一系列问题。
25.2)可以满足极端高温、高温、常温、低温、较低温、极端低温六大环境工况及爬坡、高速、中低速三大行驶工况的需求，能够实现乘员舱内制冷、制热、除湿，满足乘客的舒适性需求，同时能够实现对电池、电机及电控等动力部件在不同工况下的温度控制，满足动力部件工作在合理的温度范围内。
26.3)通过控制五个简单阀门，即可以灵活切换上述提及全工况的各个模式，阀门控制可操作性强、组成部件结构紧凑、集成度高。其次，乘员舱热管理子系统采用水冷冷凝器作为制冷回路的放热装置，可以解决目前使用冷凝器普遍存在的体型较大、占用空间较多、不利于存放的问题。
附图说明
27.图1为本发明第一种实施方式的多热源热泵型电动汽车热管理系统的结构示意图；
28.图2为本发明第一种实施方式的常温工况下多热源热泵型电动汽车热管理系统的结构示意图；
29.图3为本发明第一种实施方式的高温工况下多热源热泵型电动汽车热管理系统的结构示意图；
30.图4为本发明第一种实施方式的极端高温工况下多热源热泵型电动汽车热管理系统的结构示意图；
31.图5为本发明第一种实施方式的低温工况下多热源热泵型电动汽车热管理系统的结构示意图；
32.图6为本发明第一种实施方式的较低温工况下多热源热泵型电动汽车热管理系统的结构示意图；
33.图7为本发明第一种实施方式的极端低温工况下多热源热泵型电动汽车热管理系统的结构示意图；
34.图8为第二种实施方式的多热源热泵型电动汽车热管理系统的结构示意图；
35.其中：1、膨胀水箱，2、第一水泵，3、电控模块，4、电机模块，5、第一比例三通阀，6、前端散热器，7、风扇，8、水冷冷凝器，9、第二水泵，10、第三水泵，11、电池模块，12、热水电加热器，13、车外冷却器，14、第一电磁阀，15、气液分离器，16、电子压缩机，17、三通阀，18、第一电子膨胀阀，19、车内蒸发器，20、流量调节阀，21、车内冷凝器，22、第二比例三通阀，23、第三电子膨胀阀，24、车外蒸发器，25、第二电子膨胀阀，26、热风电加热器；27、车内换热器，28、第二电磁阀。
具体实施方式
36.下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
37.一种多热源热泵型电动汽车热管理系统，如图1所示，包括动力总成热管理子系统、电池热管理子系统和乘员舱热管理子系统，还包括水冷冷凝器8、联合换热模块和第一比例三通阀5，联合换热模块包括车外蒸发器24、前端散热器6和风扇7，前端散热器6通过风扇7实现与车外蒸发器24形成对流，水冷冷凝器8的第二输入端连接至乘员舱热管理子系统的输出端，第二输出端连接至乘员舱热管理子系统的输入端，
38.动力总成热管理子系统和电池热管理子系统的输出端连接至第一比例三通阀5的输入端，第一比例三通阀5的第一输出端连接至水冷冷凝器8的第一输入端并经由水冷冷凝器8的第一输出端连接至动力总成热管理子系统和电池热管理子系统的输入端，第一比例三通阀5的第二输出端通过前端散热器6连接至水冷冷凝器8的第一输入端，车外蒸发器24连接至乘员舱热管理子系统。
39.电池热管理子系统包括第二水泵9、第三水泵10、电池模块11、车外冷却器13和第一电磁阀14，第二水泵9的第一输出端通过第三水泵10连接至电池模块11的输入端，第二水泵9的第二输出端连接至车外冷却器13的第一端，电池模块11的第一输出端连接至第一电磁阀14的第一端，第二输出端连接至车外冷却器13的第二端，车外冷却器13的第一端和第二端连通，车外冷却器13的第二端还连接至第一电磁阀14的第一端，第一电磁阀14的第二端连接至第一比例三通阀5的输入端。车外冷却器13的第一端侧设有热水电加热器12。
40.在一些实施例中，乘员舱热管理子系统包括三通阀17、电子压缩机16、气液分离器15、流量调节阀20、第二比例三通阀22、车外冷却器13、水冷冷凝器8和车内换热模块，电子压缩机16的输出端连接至三通阀17的第一端，输入端分别连接至气液分离器15、车内换热模块的一端和车外冷却器13的第二输出端，三通阀17的第二端分别连接至车内换热模块的一端，第三端连接至水冷冷凝器8的第二输入端，车内换热模块的另一端通过第一电子膨胀阀18分别连接至第二比例三通阀22的输入端和水冷冷凝器8的第二输出端，第二比例三通阀22的第一输出端连接至车外冷却器13的第二输入端，第二输出端连接至车外蒸发器24的输入端。
41.在一些实施方式中，如图1所示，车内换热模块包括车内蒸发器19和车内冷凝器21。车内蒸发器19和的输入端通过第一电子膨胀阀18连接至第二比例三通阀22，且第一电子膨胀阀18和第二比例三通阀22之间设有流量调节阀20，在另一些实施方式中，如图8所示，车内蒸发器19的车内换热模块包括车内换热器27，车内换热器27的方式，不需要再配置流量调节阀20，但是车内换热器27和电子压缩机16之间设有第二电磁阀28。
42.在一些实施例中，车内换热模块还包括热风电加热器26。
43.第二比例三通阀22和车外蒸发器24之间设有第三电子膨胀阀23，第二比例三通阀22和车外冷却器13之间设有第二电子膨胀阀25，动力总成热管理子系统包括依次连接的膨胀水箱1、第一水泵2、电控模块3和电机模块4，膨胀水箱1在系统中起稳定压力的作用。
44.下面以如图1所示的实施方式，分别对应常温、高温、极端高温、低温、较低温、极端低温六大环境工况。
45.图2所示为本发明实施例常温工况下多热源热泵型电动汽车热管理系统的结构示意图。常温工况下，乘员舱不需要进行温度调节，关闭乘员舱热管理子系统，即关闭电子压缩机16。若处于中低速行驶工况，电池发热功率较小、不需要冷却，仅需对电机模块4进行冷却，即仅运行动力总成热管理子系统，开启第一水泵2，关闭第二水泵9和电磁阀14，冷却介质通过第一水泵2进入电控模块3和电机模块4带走热量，随后进入前端散热器6，经由风扇7对流换热冷却，再次通过第一水泵2进入电机模块4，循环往复；若处于爬坡或高速行驶工况，电池发热功率增大，即需要运行电池和动力总成热管理子系统，开启第一水泵2、第二水泵9和电磁阀14，一路冷却介质通过第一水泵2进入电控模块3和电机模块4带走热量，一路冷却介质通过第二水泵9进入电池模块11，然后两路冷却介质汇合后进入前端散热器6，经由风扇7对流换热冷却，接着继续分为两路，循环往复。
46.图3所示为本发明实施例高温工况下多热源热泵型电动汽车热管理系统的结构示意图。高温工况下，对于乘员舱热管理子系统，经过电子压缩机16压缩后的高温高压制冷剂气体在水冷冷凝器8中放热，放热冷却后的制冷剂经过第一电子膨胀阀18节流膨胀，节流后的低温制冷剂气体在车内蒸发器19中吸热，实现乘员舱制冷，随后制冷剂通过气液分离器15后回到电子压缩机16中，循环往复。若处于中低速行驶工况，电池发热功率较小、不需要冷却，仅需对电机模块4进行冷却，即运行动力总成热管理子系统及乘员舱热管理子系统，开启第一水泵2，关闭第二水泵9和电磁阀14，冷却介质通过第一水泵2进入电控模块3和电机模块4带走热量，接着进入前端散热器6，经由风扇7对流换热冷却，在水冷冷凝器8中换热后再次通过第一水泵2进入电机模块，循环往复；若处于爬坡或高速行驶工况，电池发热功率增大，即需要运行三个系统；对于动力总成热管理子系统和电池热管理子系统，开启第一水泵2、第二水泵9和电磁阀14，一路冷却介质通过第一水泵2进入电控模块3和电机模块4带走热量，另一路冷却介质通过第二水泵9进入电池模块11，然后两路冷却介质汇合后进入前端散热器6，经由风扇7对流换热冷却，在水冷冷凝器8中换热后接着继续分为两路，循环往复。
47.图4所示为本发明实施例极端高温工况下多热源热泵型电动汽车热管理系统的结构示意图。极端高温工况下，对于乘员舱热管理子系统，经过电子压缩机16压缩后的高温高压制冷剂气体在水冷冷凝器8中放热，放热冷却后的制冷剂经过第一电子膨胀阀18节流膨胀，节流后的低温制冷剂气体在车内蒸发器19中吸热，实现乘员舱制冷，随后制冷剂通过气液分离器15后回到电子压缩机16中，循环往复。若处于中低速行驶工况，电池发热功率较小，开启第一水泵2、第三水泵10和电磁阀14，关闭流量调节阀20，一路冷却介质通过第一水泵2进入电控模块3和电机模块4带走热量，另一路冷却介质通过第三水泵10进入电池模块11，然后两路冷却介质汇合后进入前端散热器6，经由风扇7对流换热冷却，在水冷冷凝器8中换热后接着继续分为两路，循环往复，完成电池和动力总成热管理；若处于爬坡或高速行驶工况，电池发热功率增大，对于动力总成热管理子系统，开启第一水泵2和第三水泵10，关闭电磁阀14和第二水泵9，冷却介质通过第一水泵2进入电控模块3和电机模块4带走热量，接着进入前端散热器6，经由风扇7对流换热冷却，冷却水在水冷冷凝器8中换热后再次通过第一水泵2进入电机模块，循环往复；具体的，因为爬坡工况下，电池发热量较大，对温度要求较高，这时候不能再利用前段散热器6进行散热了，只能通过空调系统冷却，所以必须关闭第二水泵9和电磁阀14。
48.对于电池热管理子系统和乘员舱热管理子系统的联合，在水冷冷凝器8中放热冷却后的制冷剂分为两路，一路经过第一电子膨胀阀18节流膨胀，节流后的低温制冷剂气体在车内蒸发器19中吸热，实现乘员舱制冷，另一路经过第二电子膨胀阀25节流膨胀，节流后的低温制冷剂气体在车外冷却器13中吸热，实现电池回路冷却，其中流量调节阀20调节进入车外冷却器13的制冷剂流量，随后两路制冷剂汇合通过气液分离器15后回到电子压缩机16中，循环往复。
49.图5所示为本发明实施例低温工况下多热源热泵型电动汽车热管理系统的结构示意图。低温工况下，对于乘员舱热管理子系统，经过电子压缩机16压缩后的高温高压制冷剂气体在车内冷凝器21放热，实现乘员舱制热，放热冷却后的制冷剂经过第三电子膨胀阀23节流膨胀，节流后的低温制冷剂气体在车外蒸发器24中吸热，随后制冷剂通过气液分离器15后回到电子压缩机16中，循环往复；开启流量调节阀20，使一部分放热冷却后的制冷剂经第一电子膨胀阀18进入车内蒸发器19，实现除湿。若处于爬坡或高速行驶工况，电机和电池发热功率大，余热可以回收；对于电池和动力总成热管理子系统，开启第一水泵2、第二水泵9和电磁阀14，一路冷却介质通过第一水泵2进入电控模块3和电机模块4带走热量，另一路冷却介质通过第二水泵11进入电池模块13，然后两路冷却介质汇合后通过调节第一比例三通阀5，使得冷却液全部进入前端散热器6，经由风扇7与车外蒸发器24对流换热，提高空气源热泵蒸发温度，从而提高空气源热泵制热效率，接着继续分为两路，循环往复。若处于中低速工况，电机和电池发热功率小，若电池发热量可以满足自身加热需求，则仅需要运行乘员舱热管理子系统和动力总成热管理子系统，对于动力总成热管理子系统，开启第一水泵2，关闭第二水泵9和电磁阀14，冷却介质通过第一水泵2进入电控模块3和电机模块4带走热量，通过调节第一比例三通阀5，使得冷却液全部进入前端散热器6，经由风扇7与车外蒸发器24对流换热，提高空气源热泵蒸发温度，随后再次通过第一水泵2进入电机模块，循环往复；如电池发热量不能满足自身加热需求，开启第二水泵9和电磁阀14，通过调节第一比例三通阀5，调节进入旁通管路和前端散热器的冷却液流量，使动力总成热管理子系统的冷却介质进入电池模块11，对电池进行加热。
50.图6所示为本发明实施例较低温工况下多热源热泵型电动汽车热管理系统的结构示意图。低温工况下，对于乘员舱热管理子系统，经过电子压缩机16压缩后的高温高压制冷剂气体在车内冷凝器21放热，冷却后的制冷剂通过第二比例三通阀22后分成两路，一路经过第三电子膨胀阀23节流后进入车外蒸发器24中吸热，另一路经过第二电子膨胀阀25节流后进入车外冷却器13中吸热，随后两路制冷剂汇合经过气液分离器15后回到电子压缩机16，循环往复；开启流量调节阀20，使一部分放热冷却后的制冷剂经第一电子膨胀阀18进入车内蒸发器19，实现除湿。若处于爬坡或高速行驶工况，电池发热功率较大，关闭热水电加热器12；对于电池热管理子系统和动力总成热管理，开启第一水泵2、第二水泵9、第三水泵10和电磁阀14，一路冷却介质通过第一水泵2进入电控模块3和电机模块4带走热量，另一路冷却介质通过第二水泵9进入电池模块11，然后两路冷却介质汇合后通过调节第一比例三通阀5，调整进入旁路和前端散热器6的冷却液流量，经过前端散热器6的冷却液，经由风扇7与车外蒸发器24对流换热，提高空气源热泵蒸发温度，从而提高空气源热泵制热效率，接着继续分为两路，循环往复。若处于中低速工况，电池发热功率小，需要热水电加热器12辅助加热；对于电池热管理子系统，开启第二水泵10、热水电加热器12，关闭第二电子水泵9和电
磁阀14，冷却液通过电池模块11，经过车外冷却器13后再经过热水电加热器12，最后回到第三电子水泵10，循环往复；对于动力总成热管理子系统，电机回路中冷却介质通过第一水泵2进入电控模块3和电机模块4带走热量，接着冷却介质通过调节第一比例三通阀5，使得冷却液全部进入前端散热器6，经由风扇7与车外蒸发器24对流换热，随后回到电子水泵2，循环往复。
51.图7所示为本发明实施例极端低温工况下多热源热泵型电动汽车热管理系统的结构示意图。极端低温工况下，对于乘员舱热管理子系统，经过电子压缩机16压缩后的高温高压制冷剂气体在车内冷凝器21放热，实现乘员舱制热，放热冷却后的制冷剂经过第二电子膨胀阀25节流膨胀，节流后的低温制冷剂气体在车外冷却器13中吸收动力总成热管理和热水电加热器12的热量，随后制冷剂通过气液分离器15后再回到电子压缩机16中，循环往复，另外，开启热风电加热器26辅助加热；开启流量调节阀20，使一部分放热冷却后的制冷剂经第一电子膨胀阀18进入车内蒸发器19，实现除湿。此工况下，电池热量已经无法满足自身加热需求，需要对电池进行加热。因此，对于电池热管理子系统和动力总成热管理，开启第一水泵2、第二水泵10、热水电加热器12和电磁阀14，冷却介质通过第一水泵2进入电控模块3和电机模块4带走热量，电池回路中冷却液通过第三水泵10进入电池模块11，与动力总成热管理回路的冷却介质汇合，在车外冷凝器13中放热，经过热水电加热器12分为两路，一路通过第一水泵2再次进入电机模块，一路通过第三水泵10进入电池模块11，循环往复。
52.以如图8所示的实施方式，其区别在于，车内仅设置一个换热器，即车内换热器27在制冷模式下作为蒸发器，在制热模式下作为冷凝器。制冷模式下，打开第二电磁阀28；而在制热模式下，则需要关闭第二电磁阀28。