一种基于相变蓄热的空气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，尤其是涉及一种基于相变蓄热的空气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。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。因此，一套高性能热管理系统对增加续航里程、增加电池使用寿命、降低电池能耗、提升整车可靠性和舒适性起决定性作用。
3.对于电动汽车乘员舱热管理子系统，冬季低温高效制热和夏季高温高效制冷是关键难点。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电加热器进行制热，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，现有技术中采用的空气源热泵仅仅依赖于空气提供热源，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，车外蒸发器容易结霜甚至结冰。此外，在一些非极端低温时的冷启动，由于动力系统等部分的发热量较小，需要耗能进行预热，会消耗过多的能量。另外，夏季高温下，绝大部分相关技术仅利用前端散热器冷却，然而，电机功率密度高、输出电压变化剧烈、发热量大，对冷却系统提出了更高要求。


技术实现要素：

4.本发明的目的就是为了提供一种基于相变蓄热的空气源热泵型电动汽车热管理系统。
5.本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
6.一种基于相变蓄热的空气源热泵型电动汽车热管理系统，包括乘员舱热管理子系统、电池热管理子系统和动力总成热管理子系统，还包括第一比例三通阀、前端散热器、车外换热器、相变蓄热模块和第二比例三通阀，所述动力总成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相变蓄热模块的输入端，第二输出端连接第二比例三通阀的输入端，所述相变蓄热模块的输出端连接至第二比例三通阀的输入端，所述电池热管理子系统的输出端连接至第二比例三通阀的输入端，所述第二比例三通阀的第一输出端连接至前端散热器的输入端，第二输出端连接至电池热管理子系统和动力总成热管理子系统的输入端，所述前端散热器的输出端连接至电池热管理子系统和动力总成热管理子系统的输入端，所述车外换热器连接至乘员舱热管理子系统，并与前端散热器进行热交换。
7.所述系统还包括膨胀水箱，所述膨胀水箱分别连接电池热管理子系统和动力总成
热管理子系统的输入端。
8.所述电池热管理子系统包括依次连接的第三水泵、电池模块和第一电磁阀，所述第一电磁阀的输出端连接至第二比例三通阀的输入端。
9.所述系统还包括车外冷却器，所述电池热管理子系统还包括第二水泵，所述第二水泵的输入端作为电池热管理子系统的输入端，输出端连接至第三水泵的输入端和车外冷却器的第一管路的第一端，所述车外冷却器的第一管路的第二端连接至第一电磁阀的输入端，所述车外冷却器的第二管路连接至乘员舱热管理子系统。
10.所述第三水泵和电池模块之间设有热水电加热器。
11.所述乘员舱热管理子系统包括电子压缩机、四通阀、第三电子膨胀阀、第二电磁阀、第二电子膨胀阀、第三电磁阀和车内换热组件，所述电子压缩机的输出端连接至四通阀的第一端，所述四通阀的第二端连接至车外换热器的第一端，第三端通过第二电磁阀连接至车内换热组件，第四端通过第三电磁阀连接至电子压缩机的输入端，电子压缩机的输入端还连接至车外冷却器的第二管路的输出端，以及车外换热器的第一端，所述车内换热组件的第二端通过第三电子膨胀阀连接至车外换热器的第二端，所述车外冷却器的第二管路的输入端通过第二电子膨胀阀连接至车内换热组件的第二端。
12.所述乘员舱热管理子系统还包括气液分离器，所述气液分离器连接至电子压缩机的输入端。
13.所述车内换热组件包括车内蒸发器和车内冷凝器，所述乘员舱热管理子系统还包括第一流量调节阀和第一电子膨胀阀，所述车内蒸发器的输出端连接至电子压缩机的输入端，输入端通过第一电子膨胀阀连接至第一流量调节阀的一端，所述第一流量调节阀的另一端通过第三电子膨胀阀连接至车外换热器的第二端，并通过第二流量调节阀连接至第二电子膨胀阀，所述车内冷凝器的输入端通过第二电磁阀连接至四通阀的第三端，输出端通过第三电子膨胀阀连接至车外换热器的第二端，并通过第二流量调节阀连接至第二电子膨胀阀，以及通过第一流量调节阀连接至车内蒸发器的输入端。
14.所述车内换热组件包括车内换热器，所述乘员舱热管理子系统还包括第一电子膨胀阀和第四电磁阀，所述车内换热器的第一端通过第四电磁阀连接至电子压缩机的输入端，并通过第二电磁阀连接至四通阀的第三端，第二端通过第一电子膨胀阀和第三电子膨胀阀连接至车外换热器的第二端，并通过第二流量调节阀连接至第二电子膨胀阀。
15.所述车内换热组件还包括热风电加热器。
16.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：车外换热器和前端散热器进行热交换，实现了舱乘员舱热管理和电池热管理、动力总成总管理的热交换，仅通过控制八个简单阀门，即可以满足五个温度工况及三个行驶工况的全工况需求。本发明在动力总成热管理子系统内增设了相变蓄热模块，可以高效回收系统中各部件产生的余热，并在合适的时候释放余热，克服了能量在供需上存在的数量、形态和时间的差异，可以实现高效制热及制冷。采用空气源热泵的方式，由空气源、系统余热、少量电能提供低温热源，可以实现不同低温工况的需求，并有效提高能源利用效率。本发明将三个子系统进行有机整合，阀门控制可操作性强、组成部件结构紧凑、集成度高；其中，相变蓄热模块的增设可以减小前端散热器面积，从而可以减小迎风面积、降低风阻、提高续航里程。
附图说明
17.图1为本发明第一种实施方式的结构示意图；
18.图2为本发明第一种实施方式常温工况下示意图；
19.图3为本发明第一种实施方式高温工况下示意图；
20.图4为本发明第一种实施方式极端高温工况下示意图；
21.图5为本发明第一种实施方式低温工况下示意图；
22.图6为本发明第一种实施方式极端低温工况下示意图；
23.图7为本发明第二种实施方式的结构示意图；
24.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、相变蓄热模块，7、第二比例三通阀，8、前端散热器，9、风扇，10、第二水泵，11、第三水泵，12、热水电加热器、13、电池模块，14、车外冷却器，15、第一电磁阀，16、气液分离器，17、电子压缩机，18、四通阀，19、车外换热器，20、第三电子膨胀阀，21、第一流量调节阀，22、第一电子膨胀阀，23、车内蒸发器，24、车内冷凝器，25、第二电磁阀，26、第三电磁阀，27、第二流量调节阀，28、第二电子膨胀阀，29、热风电加热器，30、车内换热器，31、第四电磁阀。
具体实施方式
25.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。
26.一种基于相变蓄热的空气源热泵型电动汽车热管理系统，如图1所示，包括乘员舱热管理子系统、电池热管理子系统和动力总成热管理子系统，还包括第一比例三通阀5、前端散热器8、车外换热器19、相变蓄热模块6和第二比例三通阀7，动力总成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相变蓄热模块6的输入端，第二输出端连接第二比例三通阀7的输入端，相变蓄热模块6的输出端连接至第二比例三通阀7的输入端，电池热管理子系统的输出端连接至第二比例三通阀7的输入端，第二比例三通阀7的第一输出端连接至前端散热器8的输入端，第二输出端连接至电池热管理子系统和动力总成热管理子系统的输入端，前端散热器8的输出端连接至电池热管理子系统和动力总成热管理子系统的输入端，车外换热器19连接至乘员舱热管理子系统，并与前端散热器8进行热交换，一般的，还配置有风扇9，可以强化热交换。
27.车外换热器和前端散热器进行热交换，实现了舱乘员舱热管理和电池热管理、动力总成总管理的热交换，仅通过控制八个简单阀门，即可以满足五个温度工况及三个行驶工况的全工况需求。本发明在动力总成热管理子系统内增设了相变蓄热模块，可以高效回收系统中各部件产生的余热，并在合适的时候释放余热，克服了能量在供需上存在的数量、形态和时间的差异，可以实现高效制热及制冷。采用空气源热泵的方式，由空气源、系统余热、少量电能提供低温热源，可以实现不同低温工况的需求，并有效提高能源利用效率。本发明将三个子系统进行有机整合，阀门控制可操作性强、组成部件结构紧凑、集成度高；其中，相变蓄热模块的增设可以减小前端散热器面积，从而可以减小迎风面积、降低风阻、提高续航里程。
28.在一些实施例中，系统还包括膨胀水箱1，膨胀水箱1分别连接电池热管理子系统
和动力总成热管理子系统的输入端，膨胀水箱1可以起到平衡压力的作用。
29.电池热管理子系统包括依次连接的第三水泵11、电池模块13和第一电磁阀15，第一电磁阀15的输出端连接至第二比例三通阀7的输入端。
30.动力总成热管理子系统包括依次连接的第一水泵2、电控模块3和电机模块4。
31.本实施例中，系统还包括车外冷却器14，电池热管理子系统还包括第二水泵10，第二水泵10的输入端作为电池热管理子系统的输入端，输出端连接至第三水泵11的输入端和车外冷却器14的第一管路的第一端，车外冷却器14的第一管路的第二端连接至第一电磁阀15的输入端，车外冷却器14的第二管路连接至乘员舱热管理子系统，第三水泵11和电池模块13之间设有热水电加热器12。
32.乘员舱热管理子系统包括电子压缩机17、四通阀18、第三电子膨胀阀20、第二电磁阀25、第二电子膨胀阀28、第三电磁阀26和车内换热组件，电子压缩机17的输出端连接至四通阀18的第一端，四通阀18的第二端连接至车外换热器19的第一端，第三端通过第二电磁阀25连接至车内换热组件，第四端通过第三电磁阀26连接至电子压缩机17的输入端，电子压缩机17的输入端还连接至车外冷却器14的第二管路的输出端，以及车外换热器19的第一端，车内换热组件的第二端通过第三电子膨胀阀20连接至车外换热器19的第二端，车外冷却器14的第二管路的输入端通过第二电子膨胀阀28连接至车内换热组件的第二端。乘员舱热管理子系统还包括气液分离器16，气液分离器16连接至电子压缩机17的输入端。
33.在一个实施方式中，车内换热组件包括车内蒸发器23和车内冷凝器24，乘员舱热管理子系统还包括第一流量调节阀21和第一电子膨胀阀22，车内蒸发器23的输出端连接至电子压缩机17的输入端，输入端通过第一电子膨胀阀22连接至第一流量调节阀21的一端，第一流量调节阀21的另一端通过第三电子膨胀阀20连接至车外换热器19的第二端，并通过第二流量调节阀27连接至第二电子膨胀阀28，车内冷凝器24的输入端通过第二电磁阀25连接至四通阀18的第三端，输出端通过第三电子膨胀阀20连接至车外换热器19的第二端，并通过第二流量调节阀27连接至第二电子膨胀阀28，以及通过第一流量调节阀21连接至车内蒸发器23的输入端。车内换热组件还包括热风电加热器29。
34.下面以如图1所示的第一种实施方式分别对应常温、高温、极端高温、低温、极端低温五大环境工况的控制进行说明。
35.如图2所示，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。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10和第一电磁阀15，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，接着进入相变蓄热模块6进行高效蓄热，降低前端散热器7负荷，其中利用第一比例三通阀5调节进入相变蓄热模块6和旁通管路的冷却介质流量，接着冷却介质进入前端散热器8，经由风扇9对流换热冷却，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，即需要运行电池和动力总成热管理子系统，开启第一水泵2、第二水泵10和第一电磁阀15，一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，接着进入相变蓄热模块6进行高效蓄热，一路冷却介质通过第二水泵10进入电池模块13，然后两路冷却介质汇合后进入前端散热器8，经由风扇9对流换热冷却，接着继续分为两路，循环往复。
36.如图3所示，高温工况下，对于乘员舱热管理子系统，经过电子压缩机17压缩后的
高温高压制冷剂气体在车外换热器19中放热，放热冷却后的制冷剂经过第一电子膨胀阀22节流膨胀，节流后的低温制冷剂气体在车内蒸发器23中吸热，实现乘员舱制冷，随后制冷剂通过气液分离器16后回到电子压缩机17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10和第一电磁阀15，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，接着进入相变蓄热模块6进行高效蓄热，其中利用第一比例三通阀5调节进入相变蓄热模块6和旁通管路的冷却介质流量，然后进入前端散热器8，经由风扇9对流换热冷却，冷却后回到电机模块，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10和第一电磁阀15，一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，进入相变蓄热模块6进行高效蓄热，一路冷却介质通过第二水泵10进入电池模块13，然后两路冷却介质汇合后进入前端散热器8，经由风扇9对流换热冷却，接着继续分为两路，循环往复。
37.如图4所示，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17压缩后的高温高压制冷剂气体在车外换热器19中放热，放热冷却后的制冷剂经过第一电子膨胀阀22节流膨胀，节流后的低温制冷剂气体在车内蒸发器23中吸热，实现乘员舱制冷，随后制冷剂通过气液分离器16后回到电子压缩机17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11和第一电磁阀15，一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，接着进入相变蓄热模块6进行高效蓄热，一路冷却介质通过第三水泵11进入电池模块13，然后两路冷却介质汇合后进入前端散热器8，经由风扇9对流换热冷却，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11，关闭第一电磁阀15和第二水泵10，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，接着进入相变蓄热模块6进行高效蓄热，随后进入前端散热器8，经由风扇9对流换热冷却，换热后再次通过第一水泵2进入电机模块，循环往复；对于电池热管理子系统和乘员舱系统，在车外换热器19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22节流膨胀，节流后的低温制冷剂气体在车内蒸发器23中吸热，实现乘员舱制冷，另一路经过第二电子膨胀阀28节流膨胀，节流后的低温制冷剂气体在车外冷却器14中吸热，实现电池回路冷却，其中第二流量调节阀27调节进入车外冷却器14的制冷剂流量，随后两路制冷剂汇合通过气液分离器16后回到电子压缩机17中，循环往复。
38.如图5所示，低温工况下，对于乘员舱热管理子系统，经过电子压缩机17压缩后的高温高压制冷剂气体在车内冷凝器24放热，实现乘员舱制热，放热冷却后的制冷剂分为两路，一路经过第三电子膨胀阀20节流膨胀，节流后的低温制冷剂气体在车外换热器19中吸热，另一路经过第二电子膨胀阀28后在车外冷却器14中吸收余热，随后两路制冷剂汇合后通过气液分离器16后回到电子压缩机17中，循环往复，其中第二流量调节阀27可以调节两个回路的制冷剂流量；调节第一流量调节阀21，使一部分放热冷却后的制冷剂经第一电子膨胀阀22进入车内蒸发器23，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10和第一电磁阀15，一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，接着利用第
一比例三通阀5调节进入相变蓄热模块6的冷却介质流量，在相变蓄热模块6中存储余热，一路冷却介质通过第二水泵10进入电池模块13，然后两路冷却介质汇合后进入前端散热器8，经由风扇9与车外换热器19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，开启第一水泵2，关闭第二水泵10和第一电磁阀15，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，接着利用第一比例三通阀5调节进入相变蓄热模块6和旁通管路的冷却介质流量，释放爬坡或高速行驶工况下存储的热量，随后进入前端散热器8，经由风扇9与车外换热器19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。
39.如图6所示，低温工况下，对于乘员舱热管理子系统，经过电子压缩机17压缩后的高温高压制冷剂气体在车内冷凝器24放热，实现乘员舱制热，放热冷却后的制冷剂分为两路，一路经过第三电子膨胀阀20节流膨胀，节流后的低温制冷剂气体在车外换热器19中吸热，另一路经过第二电子膨胀阀28后在车外冷却器14中吸收余热，随后两路制冷剂汇合后通过气液分离器16后回到电子压缩机17中，循环往复，其中第二流量调节阀27可以调节两个回路的制冷剂流量；调节第一流量调节阀21，使一部分放热冷却后的制冷剂经第一电子膨胀阀22进入车内蒸发器23，实现除湿。若处于爬坡或高速行驶工况，电池发热功率较大，不需要热水电加热器12加热；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、第三水泵11和第一电磁阀15，一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，接着利用第一比例三通阀5调节进入相变蓄热模块6的冷却介质流量，在相变蓄热模块6中存储余热，另一路冷却介质通过第二水泵10进入电池模块13，然后两路冷却介质汇合后通过前端散热器8，经过前端散热器8的冷却液，经由风扇9与车外换热器19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加热；对于电池热管理子系统，开启第二水泵9和热水电加热器12，关闭第二电子水泵10和第一电磁阀15，冷却液通过电池模块13后回到第三电子水泵11，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，接着利用第一比例三通阀5调节进入相变蓄热模块6和旁通管路的冷却介质流量，释放爬坡或高速行驶工况下存储的热量，随后冷却液进入前端散热器8，经由风扇9与车外换热器19对流换热，随后回到电子水泵2，循环往复。
40.如图7所示，在第二种实施方式下，车内换热组件包括车内换热器30，替换第一种实施方式时的车内冷凝器和车内蒸发器的形式，此时，乘员舱热管理子系统还包括第一电子膨胀阀22和第四电磁阀31，车内换热器30的第一端通过第四电磁阀31连接至电子压缩机17的输入端，并通过第二电磁阀25连接至四通阀18的第三端，第二端通过第一电子膨胀阀22和第三电子膨胀阀20连接至车外换热器19的第二端，并通过第二流量调节阀27连接至第二电子膨胀阀28。车内换热器30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，打开第四电磁阀31；而在制热模式下，则需要关闭第四电磁阀31。