基于热管理的氢能汽车热泵系统和氢能汽车的制作方法

1.本发明涉及氢能汽车技术领域，尤其涉及一种基于热管理的氢能汽车热泵系统和氢能汽车。


背景技术：

2.燃料电池是一种将化学能转化为电能的发电装置，在不使用化石燃料的情况下，以氢气为燃料、空气/氧气为氧化剂，能够连续稳定地输出电能，产生水和热。伴随着燃料电池技术的发展，燃料电池汽车也得到了越来越广泛的关注，燃料电池汽车能够实现零污染、零排放，解决了纯电动汽车续航里程短等问题。
3.随着氢能源汽车的发展，如何最大程度的降低能耗，提高整车的续航里程，成为一种新的研究方向，一般纯电或氢能汽车在乘员舱需要取暖时采用ptc制热，不仅舒适度不好，而且消耗大量电能，影响整车的续航里程。


技术实现要素：

4.有鉴于此，为解决上述问题，本发明的实施例提供了一种基于热管理的氢能汽车热泵系统和氢能汽车。
5.本发明的实施例提供一种基于热管理的氢能汽车热泵系统，包括：
6.电机循环系统，与第一换热器的第一通道连通形成电机冷却回路；
7.燃料电池循环系统，与第二换热器的第一通道连通形成燃料电池冷却电路；
8.高压电池包循环系统，与第三换热器的第一通道连通形成高压电池包循环回路；
9.所述第一换热器的第二通道与所述第三换热器的第二通道并联后，与所述第二换热器的第二通道、压缩机、内置冷凝器的第一通路连通形成冷媒循环回路；以及，
10.暖风制热系统，与所述第二换热器的第三通路、ptc加热器、所述内置冷凝器的第二通路连通形成暖风制热回路。
11.进一步地，所述第二换热器的第三通路连接于所述暖风制热回路中。
12.进一步地，所述第三换热器的第三通路可选择地连接于所述暖风制热回路中。
13.进一步地，还包括外置冷凝器，所述外置冷凝器两端分别与所述内置冷凝器第一通路的出口端、所述压缩机的进口端连接，形成外界供热回路。
14.进一步地，所述压缩机与第二换热器、外置冷凝器之间通过第一换向装置连接，所述第一换向装置用于控制所述压缩机与所述第二换热器、所述外置冷凝器中的至少一个连通。
15.进一步地，所述第二换热器的第二通道与所述第一换热器的第二通道、第三换热器的第二通道通过第七换向装置连接，所述第七换向装置用于控制所述第二换热器的第二通道与所述第一换热器的第二通道、所述第三换热器的第二通道中的至少一个连通。
16.进一步地，还包括蒸发器，所述外置冷凝器一端与蒸发器连接后，通过所述第一换向装置与所述压缩机的进口端连接，所述第一换向装置控制所述压缩机与所述蒸发器连通
或断开；
17.所述外置冷凝器另一端与所述压缩机的出口端、所述内置冷凝器第一通路的进口端通过第二换向装置连接，所述第二换向装置用于控制所述压缩机与所述内置冷凝器连接或与所述外置冷凝器连通。
18.进一步地，还包括电机散热器，所述电机散热器与电机循环系统连通形成电机散热回路；所述电机循环系统通过第三换向装置与电机散热器、第一换热器连接，所述第三换向装置用于控制所述电机循环系统与所述电机散热器、所述第一换热器中的至少一个连通；和/或，
19.还包括燃料电池散热器，所述燃料电池散热器与燃料电池循环系统连通形成燃料电池散热回路；所述燃料电池循环系统通过第四换向装置与燃料电池散热器、第二换热器连接，所述第四换向装置用于控制所述燃料电池循环系统与所述燃料电池散热器、所述第二换热器中的至少一个连通。
20.进一步地，还包括高压电池包散热器，所述高压电池包散热器与高压电池包循环系统连通形成高压电池包散热回路；所述高压电池包散热器与高压电池包循环系统连通形成高压电池包散热回路，所述高压电池包循环系统通过第六换向装置与高压电池包散热器、第三换热器连接，所述第六换向装置用于控制所述高压电池包循环系统与所述高压电池包散热器、所述第三换热器中的至少一个连通。
21.本发明的实施例还提供一种氢能汽车，包括如上所述的基于热管理的氢能汽车热泵系统。
22.本发明的实施例提供的技术方案带来的有益效果是：在低温环境下，车辆内温度较低，车辆在启动过程中燃料电池系统和电机系统的运转会产生热量，燃料电池冷却回路与冷媒循环回路通过第二换热器进行热交换，电机冷却回路与冷媒循环回路通过第一换热器进行热交换，高压电池包循环回路与冷媒循环回路通过第三换热器进行热交换，冷媒循环回路中的冷媒通过第一换热器和第二换热器从燃料电池冷却回路、电机冷却回路中获取热量，通过内置冷凝器和第三换热器，可将冷媒的热量传递至乘员舱和高压电池包。通过利用第一换热器、第二换热器、第三换热器和内置冷凝器，可确保热泵系统在较低温度下也能正常工作，满足乘员舱采暖需求和高压电池包加热需求，同时有效利用燃料电池系统和电机系统产生的废热，有利于降低ptc使用频率及能耗，增加整车的续航里程。
附图说明
23.图1是本发明提供的基于热管理的氢能汽车热泵系统一实施例的结构示意图；
24.图2、图3和图4分别是图1中基于热管理的氢能汽车热泵系统的局部结构示意图。
25.图中：第一换热器1、电机系统2、第一电子水泵3、第二换热器4、燃料电池系统5、第二电子水泵6、第三换热器7、高压电池包8、第三电子水泵9、压缩机10、内置冷凝器11、ptc加热器12、暖风芯体13、第四电子水泵14、暖风风扇15、第五换向装置16、外置冷凝器17、第一换向装置18、第七换向装置19、蒸发器20、第二换向装置21、电机散热器22、燃料电池散热器23、高压电池包散热器24、第三换向装置25、第四换向装置26、第六换向装置27、液气分离器28、电子风扇29。
具体实施方式
26.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地描述。
27.本发明的实施例提供一种基于热管理的氢能汽车热泵系统和氢能汽车，只要包括基于热管理的氢能汽车热泵系统的氢能汽车都属于本发明保护的范围，其创新点在于基于热管理的氢能汽车热泵系统，以下对基于热管理的氢能汽车热泵系统进行具体说明。
28.请参见图1，本发明的实施例提供一种基于热管理的氢能汽车热泵系统，包括电机循环系统、燃料电池循环系统、高压电池包循环系统、暖风制热系统、内置冷凝器11、压缩机10、第一换热器1、第二换热器4以及第三换热器7。
29.电机循环系统与第一换热器1的第一通道连通形成电机冷却回路，电机循环系统包括连通的电机系统2和第一电子水泵3，电机系统2为电机/电控/dc等高压设备。燃料电池循环系统与第二换热器4的第一通道连通形成燃料电池冷却电路，燃料电池循环系统包括连通的燃料电池系统5和第二电子水泵6，高压电池包循环系统与第三换热器7的第一通道连通形成高压电池包循环回路，高压电池包循环系统包括连通的高压电池包8和第三电子水泵9。
30.所述第一换热器1的第二通道与所述第三换热器7的第二通道并联后，与所述第二换热器4的第二通道、压缩机10、内置冷凝器11的第一通路连通形成冷媒循环回路，所述压缩机10的进口端连接有液气分离器28，在所述冷媒循环回路中，冷媒的流动方向为从所述压缩机10向所述内置冷凝器11，内置冷凝器11内置于乘员舱内；暖风制热系统与所述第二换热器4的第三通路、ptc加热器12、所述内置冷凝器11的第二通路连通形成暖风制热回路。暖风制热系统包括依次连接的暖风芯体13和第四电子水泵14，暖风芯体13设置有暖风风扇15。
31.在低温环境下，车辆内温度较低，车辆在启动过程中燃料电池系统5和电机系统2的运转会产生热量，氢能汽车燃料电池系统5工作时冷却液温度能达到80℃，电机系统2工作时冷却液温度能达到70℃，燃料电池冷却回路与冷媒循环回路通过第二换热器4进行热交换，电机冷却回路与冷媒循环回路通过第一换热器1进行热交换，高压电池包循环回路与冷媒循环回路通过第三换热器7进行热交换，冷媒循环回路中的冷媒通过第一换热器1和第二换热器4从燃料电池冷却回路、电机冷却回路中获取热量，通过内置冷凝器11和第三换热器7，可将冷媒的热量传递至乘员舱和高压电池包8。通过利用第一换热器1、第二换热器4、第三换热器7和内置冷凝器11，可确保热泵系统在较低温度下也能正常工作，满足乘员舱采暖需求和高压电池包8加热需求，同时有效利用燃料电池系统5和电机系统2产生的废热，有利于降低ptc使用频率及能耗，增加整车的续航里程。
32.进一步地，所述第二换热器4的第三通路连接于所述暖风制热回路中，除了利用内置冷凝器11向暖风制热回路传递热量，还可通过第二换热器4向暖风制热回路传递热量，利用燃料电池的废热，加快乘员舱的制热速度。
33.所述第三换热器7的第三通路可选择地连接于所述暖风制热回路中，具体地，第三换热器7的第三通路通过第五换向装置16连接于暖风制热回路中，本实施例中，第五换向装置16为三通阀，在其他实施例中，第五换向装置16可以为多个止回阀。当电机、燃料电池等产生的热量无法满足高压电池包8所需的热量，采用暖风制热回路中的高压ptc加热器12进
行加热，第三换热器7的第三通道与暖风制热回路连通，通过第三换热器7，将暖风制热回路中热量传递至高压电池包循环回路中，使高压电池包8温度升高。
34.进一步地，基于热管理的氢能汽车热泵系统还包括外置冷凝器17，所述外置冷凝器17两端分别与所述内置冷凝器11第一通路的出口端、所述压缩机10的进口端连接，形成外界供热回路。
35.当外界温度较高时，将外界环境作为热源，通过外置冷凝器17蒸发吸热的传统热泵模式，外界供热回路中冷媒的流向为压缩机10-内置冷凝器11-外置冷凝器17-液气分离器28-压缩机10，外置冷凝器17从外界环境吸热，内置冷凝器11将热量传递给暖风制热回路。
36.具体地，所述压缩机10与第二换热器4、外置冷凝器17之间通过第一换向装置18连接，所述第一换向装置18用于控制所述压缩机10与所述第二换热器4、所述外置冷凝器17中的至少一个连通。
37.控制压缩机10与第二换热器4连通时，利用燃料电池系统5、电机系统2向乘员舱供热，控制压缩机10与外置冷凝器17连通时，利用外界环境中温度向乘员舱供热，或同时利用外界环境的温度和电机、燃料电池的废热，对暖风制热回路进行加热。通过设置有第一换向装置18，可根据燃料电池系统5、电机系统2是否有冷却需求，是否需要外界环境供热等实际情况，控制供热方式。
38.所述第二换热器4的第二通道与所述第一换热器1的第二通道、第三换热器7的第二通道通过第七换向装置19连接，所述第七换向装置19用于控制所述第二换热器4的第二通道与所述第一换热器1的第二通道、所述第三换热器7的第二通道中的至少一个连通。第一换热器1的第二通道和第三换热器7的第二通道均连接有膨胀阀。
39.通过设置有第七换向装置19，可根据高压电池包8的加热需求，控制是否将第三换热器7的第二通道连通。控制压缩机10与内置冷凝器11、外置冷凝器17、高压电池包8连通时，可利用外界环境对乘员舱和高压电池包8加热，
40.进一步地，基于热管理的氢能汽车热泵系统还包括蒸发器20，蒸发器20连接有膨胀阀，所述外置冷凝器17一端与蒸发器20连接后，通过所述第一换向装置18与所述压缩机10的进口端连接，所述第一换向装置18控制所述压缩机10与所述蒸发器20连通或断开。本实施例中，第一换向装置18为四通阀，通过控制四通阀四个接口的开启，即可实现各回路的连通。在其他实施例中，第一换向装置18可以为两个三通阀或多个截止阀。
41.所述外置冷凝器17另一端与所述压缩机10的出口端、所述内置冷凝器11第一通路的进口端通过第二换向装置21连接，所述第二换向装置21用于控制所述压缩机10与所述内置冷凝器11连接或与所述外置冷凝器17连通。本实施例中，第二换向装置21为三通阀，通过控制三通阀三个接口的开启，即可实现压缩机10与内置冷凝器11连接或与外置冷凝器17连通。在其他实施例中，第二换向装置21可以为多个截止阀。
42.压缩机10的出口端与外置冷凝器17连通，压缩机10的进口端与蒸发器20连通时，汽车可开启空调制冷模式，通过调节第二换向装置21，将冷媒流向调整为：压缩机10-第二换向装置21-外置冷凝器17-蒸发器20-液气分离器28-压缩机10，即可恢复到传统的制冷模式。所述外置冷凝器17设置有电子风扇29，加速外置冷凝器17的散热。
43.进一步地，基于热管理的氢能汽车热泵系统还包括电机散热器22、燃料电池散热
器23和高压电池包散热器24。
44.所述电机散热器22与电机循环系统连通形成电机散热回路，所述电机循环系统通过第三换向装置25与电机散热器22、第一换热器1连接，所述第三换向装置25用于控制所述电机循环系统与所述电机散热器22、所述第一换热器1中的至少一个连通。所述燃料电池散热器23与燃料电池循环系统连通形成燃料电池散热回路，所述燃料电池循环系统通过第四换向装置26与燃料电池散热器23、第二换热器4连接，所述第四换向装置26用于控制所述燃料电池循环系统与所述燃料电池散热器23、所述第二换热器4中的至少一个连通。
45.控制电机系统2与第一换热器1的第一通路连通形成回路，由于电机回路无主动冷却，且不向外提供多余热量给热泵系统，电机回路温度可快速升高到合适的工作温度形成自加热模式。
46.所述高压电池包散热器24与高压电池包8循环系统连通形成高压电池包8散热回路，所述高压电池包8循环系统通过第六换向装置27与高压电池包散热器24、第三换热器7连接，所述第六换向装置27用于控制所述高压电池包8循环系统与所述高压电池包散热器24、所述第三换热器7中的至少一个连通。
47.本实施例中，第三换向装置25、第四换向装置26和第六换向装置27为三通阀，其他实施例中，第三换向装置25、第四换向装置26和第六换向装置27可以为多个截止阀。
48.当燃料电池系统5、电机系统2产生的热量超过了乘员舱所需的热量，通过设置有电机散热器22和燃料电池散热器23，可将多余的热量通过电机散热器22和燃料电池散热器23进行散热，实现电机系统2和燃料电池系统5的冷却过程，确保电机循环系统和燃料电池循环系统中的水温满足需求。通过第三换向装置25和第四换向装置26的设置，可以根据电机系统2和燃料电池系统5产生的热量对电机系统2散热和燃料电池系统5散热进行选择。通过设置有高压电池包散热器24，可将高压电池包多余的热量通过高压电池包散热器24进行散热，实现高压电池包的冷却过程
49.本发明提供的基于热管理的氢能汽车热泵系统具有制冷模式、热泵制热模式和ptc加热器制热模式。
50.制冷模式：
51.1、当外界环境温度较高，乘员舱有制冷需求，而高压电池包8无主动冷却需求，此时空调系统仅为乘员舱进行制冷，通过调整第二换向装置21和第一换向装置18，冷媒的流向为：压缩机10-第二换向装置21-外置冷凝器17
‑‑
蒸发器20-第一换向装置18-液气分离器28-压缩机10(请参见图2)，恢复到传统的制冷模式。
52.空调冷媒经由压缩机10引入至外置冷凝器17进行散热，相变为高压液态后，经由膨胀阀进行减压，空调冷媒变为气液两相态，在乘员舱蒸发器20内进行蒸发吸热，实现乘员舱制冷。
53.2、当环境温度较高，乘员舱有制冷需求的条件下，高压电池包8也有主动冷却需求，此时空调系统为乘员舱和高压电池包8进行制冷，通过调整第二换向装置21、第一换向装置18和第七换向装置19，冷媒的流向为：压缩机10-第二换向装置21-外置冷凝器17-蒸发器20/(第三换热器7-第七换向装置19-第二换热器4)-第一换向装置18-液气分离器28-压缩机10(请参见图2)，恢复到传统的制冷模式。
54.空调冷媒经由外置冷凝器17散热后，分别流经第三换热器7和乘员舱蒸发器20，进
行空调冷媒蒸发吸热，实现空调系统同时对乘员舱和高压电池包8的冷却。
55.热泵制热模式：
56.1、当环境温度较低，乘员舱和高压电池包8有制热需求，而电机回路和燃料电池回路无冷却需求(即无废热)的情况下，冷媒的流向为：压缩机10-第二换向装置21-内置冷凝器11(传递热量给暖风制热回路)-外置冷凝器17(外置蒸发吸热)/(第三换热器7-第七换向装置19-第二换热器4)-第一换向装置18-液气分离器28-压缩机10(请参见图4)。
57.热泵系统通过外置冷凝器17进行蒸发吸热，内置冷凝器11将外界环境的热量传递给暖风制热回路为乘员舱进行加热，完成乘员舱加热过程。第三换热器7将外界环境的热量传递给高压电池包8，完整高压电池包8的加热过程。
58.2、当环境温度较低、乘员舱和高压电池包8有制热需求，同时电机系统2或者燃料电池系统5有冷却需求的情况下，冷媒的流向为：压缩机10-第二换向装置21-内置冷凝器11(传递热量给暖风制热回路)-第一换热器1/第三换热器7-第七换向装置19-第二换热器4(与燃料电池冷却回路/电机冷却回路之间热交换)-第一换向装置18-液气分离器28-压缩机10(请参见图3)。
59.通过第一换热器1和第二换热器4，把电机系统2和燃料电池系统5的热量作为热泵热源，把热量传递给暖风制热回路为乘员舱进行加热，完成乘员舱加热过程，通过第三换热器7将热量传递给高压电池包8，实现电机系统2和燃料电池系统5废热回收。
60.在该模式下，若电机系统2、燃料电池系统5散热量较大，超出热泵取热能力，则通过控制第三换向装置25和第四换向装置26，对电机冷却回路和燃料电池冷却回路的冷却液流量进行调节，电机冷却回路中多余的热量经由电机散热器22进行散热，燃料电池冷却回路中多余的热量经由燃料电池散热器23进行散热，实现电机系统2和燃料电池系统5的冷却过程，确保上述两个冷却回路水温满足需求。
61.若高压电池包8的温度较高，需要散热时，则通过控制第六换向装置27，高压电池包循环回路中多余的热量通过高压电池包散热器24进行散热，实现高压电池包8的冷却。
62.3、当环境温度极低，乘员舱和高压电池包8有制热需求，同时电机和燃料电池回路有冷却需求，如果热泵系统从电机和燃料电池回路取热功率，不能满足乘员舱加热需求的情况下，冷媒的流向为：压缩机10-第二换向装置21-内置冷凝器11(传递热量给暖风制热回路)-(第一换热器1/第三换热器7-第七换向装置19-第二换热器4)/外置冷凝器17-第一换向装置18-液气分离器28-压缩机10(请参见图4)。
63.热泵系统将会同时从电机冷却回路、燃料电池冷却回路和外界环境取热，经内置冷凝器11，把热量传递给暖风制热回路为乘员舱进行加热，同时经由第三换热器7为电池包进行加热。
64.ptc加热器制热模式
65.1、在低温充电工况下，乘员舱或高压电池包8有加热需求，为了实现乘员舱内温度快速响应，可直接采用暖风制热回路的高压ptc加热器12进行加热。
66.2、在行驶工况下，当环境温度非常低，且电机冷却回路、燃料电池冷却回路无法提供废热时，导致热泵系统无法正常工作，乘员舱加热也只能采用暖风制热回路的高压ptc加热器12进行加热。
67.电机系统2工作模式包括自加热模式、散热器冷却模式和热泵散热模式。
68.1、在环境温度较低，整车冷启动工况下，电机系统2通过控制第三换向装置25，控制电机回路冷却液流动方向，对电机回路的低温散热器进行短路旁通，具体地，控制电机系统2与第一换热器1的第一通路连通形成回路，由于电机回路无主动冷却，且不向外提供多余热量给热泵系统，电机回路温度可快速升高到合适的工作温度形成自加热模式。
69.2、当电机温度较高，电机有冷却需求，同时乘员舱无加热需求且热泵系统不需要工作的情况下，电机回路通过控制第三换向装置25，控制冷却液流经电机散热器22，对电机回路进行冷却。
70.3、当电机温度较高，电机有冷却需求，同时乘员舱热泵系统在工作的情况下，电机回路通过控制第三换向装置25，控制冷却液流经第一换热器1，把电机回路的废热传递给热泵空调系统，对电机余热进行回收利用，该模式与热泵空调系统制热模式相同。
71.高压电池包循环系统工作模式包括温度平衡模式、主动加热模式、低温冷却模式和主动冷却模式。
72.1、当高压电池包8没有冷却需求和加热需求情况下，如果高压电池包8温度不均匀，最大温差超过一定范围，通过控制第六换向装置27，对高压电池包散热器24进行短路旁通，水泵开启，保证高压电池包循环回路冷却水循环，实现高压电池包8温度均匀的目的。
73.2、当环境温度较低，为了保证高压电池包8的正常工作，高压电池包8有加热需求。在该模式下，控制第五换向装置16，把冷却液引入到第三换热器7，高压电池包循环回路通过第三换热器7与热泵采暖的暖风制热回路进行热交换，为了减少电量消耗，采用热泵系统对暖风制热回路进行加热，把热量间接传递到高压电池包循环回路，热泵可采用外界环境、电机系统2和燃料电池系统5作为热源，实现热量的转移。如果上述情况还是不能满足乘员舱和高压电池包8对热泵系统热量的需求，则采用暖风制热回路的高压ptc加热器12进行加热，通过第三换热器7把热量传递到高压电池包8。
74.3、当高压电池包8有冷却需求，同时环境温度低于高压电池包8温度的情况下，通过控制第六换向装置27，把高压电池包循环回路的冷却水引入到高压电池包散热器24，通过环境气流对高压电池包8进行散热。
75.4、当高压电池包8有冷却需求，环境温度高于高压电池包8温度，同时空调系统在开启的情况下，采用空调系统对高压电池包循环回路进行主动冷却，此时空调系统引入一部分冷媒到第三换热器7，冷媒在外置冷凝器17内进行蒸发吸热，实现高压电池包循环回路的主动冷却，该模式与空调系统制冷模式协同，制冷剂的流量分配需要根据实际需求进行标定。
76.在本文中，所涉及的前、后、上、下等方位词是以附图中零部件位于图中以及零部件相互之间的位置来定义的，只是为了表达技术方案的清楚及方便。应当理解，所述方位词的使用不应限制本技术请求保护的范围。
77.在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。
78.以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。