跨超临界CO2电池直接冷却加热的车用热管理系统及其控制方法与流程

技术特征：
1.一种跨超临界co2电池直接冷却加热的车用热管理系统，其特征在于，包括：压缩机(1)、室外换热器(2)、一级室内换热器(3)、二级室内换热器(4)、回热器(5)、电池直冷板(6)、双向节流阀(7)、双向节流阀组(8)、全通节流阀(9)、四通换向阀(10)和气液分离器(11)；四通换向阀(10)的a口依次经压缩机(1)、回热器(5)的第一通道、气液分离器(11)与四通换向阀(10)的c口相连通；四通换向阀(10)的b口依次经室外换热器(2)、回热器(5)的第二通道、双向节流阀(7)、一级室内换热器(3)、全通节流阀(9)、二级室内换热器(4)与四通换向阀(10)的d口相连通；双向节流阀组(8)由多个不同开度范围的双向节流阀并联组成；双向节流阀组(8)的一端连通至回热器(5)的第二通道与双向节流阀(7)之间的连通管道，双向节流阀组(8)的另一端与电池直冷板(6)的一端连通，电池直冷板(6)的另一端连通至一级室内换热器(3)与全通节流阀(9)之间的连通管道。2.根据权利要求1所述的一种跨超临界co2电池直接冷却加热的车用热管理系统，其特征在于，所述室外换热器采用多层微通道换热器。3.一种权利要求1所述的跨超临界co2电池直接冷却加热的车用热管理系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：制冷模式下，四通换向阀(10)的a口和b口连通，c口和d口连通，经过室外换热器(2)散热以及回热器(5)的第二通道过冷的co2分成两路，一路经过双向节流阀(7)节流后冷却乘员舱进风，另一路经双向节流阀组(8)节流后用于电池冷却；其中，通过调节双向节流阀(7)和双向节流阀组(8)的开度比例调节乘员舱和电池冷却的制冷量分配，使用压缩机(1)控制总制冷量需求；制热模式下，四通换向阀(10)的a口和d口连通，b口和c口连通，压缩机(1)的出口的高温co2经过二级室内换热器(4)散热加热乘员舱进风后，中温co2经过全通节流阀(9)后分成两路，一路通过一级室内换热器(3)加热乘员舱进风，另一路通过电池直冷板(6)加热电池，两路分别通过双向节流阀(7)和双向节流阀组(8)节流后混合；其中，通过调节双向节流阀(7)和双向节流阀组(8)的开度比例调节乘员舱和电池冷却的制热量分配，使用压缩机(1)控制总制热量需求。4.根据权利要求3所述的控制方法，其特征在于，所述制冷模式包括电池单独冷却和乘员舱和电池同时冷却；电池单独冷却时，双向节流阀(7)关闭，通过调节双向节流阀组(8)的开度和双向节流阀组(8)中双向节流阀的开启数量控制系统的排气压力在预设安全范围以内，所述车用热管理系统随着电池温度的升高在跨临界循环和超临界循环转换；乘员舱和电池同时冷却时，车用热管理系统在跨临界模式运行，双向节流阀(7)通过开度调节控制排气压力在设定值，压缩机(1)通过转速调节控制乘员舱的送风温度在设定值，双节节流阀组(8)通过开度调节控制电池温度在设定范围。5.根据权利要求4所述的控制方法，其特征在于，所述电池单独冷却时，双向节流阀(7)关闭，通过调节双向节流阀组(8)的开度和双向节流阀组(8)中双向节流阀的开启数量控制系统的排气压力在预设安全范围以内，所述车用热管理系统随着电池温度的升高在跨临界循环和超临界循环转换的步骤具体包括：
假设压缩机(1)的转速为n
comp
，最高转速n
comp_max
，双向节流阀组(8)的总开度为s2，其第x个节流阀的开度为s
2,x
，第x个节流阀的最大开度为s
2,x,max
；当电池开始充电时，使用普通倍率进行慢充，热管理系统的双向节流阀(7)关闭，双向节流阀组(8)的第一节流阀开启，压缩机(1)开启，初始转速为最高转速的一半，开始电池冷却；压缩机(1)以预设速度逐渐加速到最高转速n
comp_max
，双向节流阀组(8)通过开度调节保持排气压力在最大运行压力，使热管理系统以最大制冷量冷却电池；其中，当排气压力低于最大运行压力0.2mpa，表示为p
dis
＜p
dis_max-0.2时，双向节流阀组(8)的总开度减小，当排气压力超过最大运行压力，表示为p
dis
＞p
dis_max
时，双向节流阀组(8)的总开度增加，当排气压力在最大运行压力附近，表示为p
dis_max-0.2≤p
dis
≤p
dis_max
时，双向节流阀组(8)保持当前总开度不变，对于总开度s2，双向节流阀组(8)的第
x
个节流阀的开度为保持电池慢充冷却状态，直至热管理系统将电池冷却至快充开启温度，快充开启温度的计算表达式为，式中，t
battery_max
是电池的最大安全温度，λ为快充充电倍率，m为电池质量，c为电池比热容，soc为电池充电状态，q
gen
为电池快充时的估计发热量，q
c
为热管理系统提供的最大制冷量；当电池温度下降到快充开启温度，表示为t
battery
≤t
baterty_fc
时，开始以λc倍率进行快充，压缩机(1)保持最高转速n
comp_max
，双向节流阀组(8)通过开度调节保持排气压力在最大运行压力；当电池温度低于co2临界温度时，热管理系统以跨临界循环运行，电池温度超过co2临界温度后，热管理系统以超临界循环运行。6.根据权利要求4所述的控制方法，其特征在于，所述乘员舱和电池同时冷却时，车用热管理系统在跨临界模式运行，双向节流阀(7)通过开度调节控制排气压力在设定值，压缩机(1)通过转速调节控制乘员舱的送风温度在设定值，双节节流阀组(8)通过开度调节控制电池温度在设定范围的步骤具体包括：通过pi控制器调节压缩机(1)的转速，使乘员舱的送风温度保持在设定值；通过pi控制器调节双向节流阀(7)的开度，使排气压力保持在设定值；通过步长控制调节双向节流阀组(8)的开度，使电池温度维持在设定温度范围；其中，假设电池最佳运行温度的上限为t
opt_max
，双向节流阀组(8)的总开度为s2，双向节流阀(7)的开度为s1；当电池温度上升至电池最佳运行温度的上限时，双向节流阀组(8)的总开度增加δs2且总开度不超过双向节流阀(7)当前开度的κ倍，表示为s2＝min(κs1,s2 δs2)；直至电池温度下降至电池最佳运行温度上限以下δt；当电池温度下降到电池最佳运行温度上限以下δt后，若电池温度低于电池最佳运行温度上限，双向节流阀组(8)的总开度减小δs2，直至总开度为0，表示为s2＝max(s
2-δs2,0)。7.根据权利要求3所述的控制方法，其特征在于，所述制热模式下，通过调节双向节流阀(7)和双向节流阀组(8)的开度比例调节乘员舱和电池冷却的制热量分配，使用压缩机(1)控制总制热量需求的步骤具体包括：当电池温度低于电池的最低安全温度，表示为t
battery
＜t
battery_min
时，双向节流阀(7)关
闭，双向节流阀组(8)初始开度为s
2,ini
，压缩机初始转速为最大转速的一半，压缩机以预定速度增加转速，直至到达最高转速n
comp_max
；双向节流阀组(8)通过调节开度控制排气压力和排气温度不超过安全范围，假设最大工作压力和温度分别为p
dis_max
和t
dis_max
，若排气温度低于t
dis_max-2且排气压力低于p
dis_max-0.2，则双向节流阀组(8)开度减小，若排气温度超过t
dis_max
或排气压力超过p
dis_max
，则双向节流阀组(8)开度增大，若排气温度t
dis_max-2≤t
dis
≤t
dis_max
，则双向节流阀组(8)开度不变；当电池温度高于电池的最低安全温度，表示为t
battery
≥t
battery_min
时，双向节流阀(7)开启，初始开度为s
1,ini
，双向节流阀组(8)初始开度为0，压缩机初始转速为最大转速的一半，通过pi控制器调节压缩机的转速，使乘员舱的送风温度保持在设定值；通过pi控制器调节双向节流阀(7)的开度，使排气压力保持在设定值；通过步长控制调节双向节流阀组(8)的开度，使电池温度逐步升高到设定温度t
battery_set_low
，当电池温度低于设定温度，表示为t
battery
＜t
battery_set_low
时，双向节流阀组(8)的总开度增加δs2，且总开度不超过双向节流阀(7)当前开度的κ倍，表示为s2＝min(κs1,s2 δs2)，直至电池温度上升至设定温度，表示为t
battery
≥t
battery_set_low
，双向节流阀组(8)的总开度减小δs2，直至总开度为0，表示为s2＝max(s
2-δs2,0)。8.根据权利要求3所述的控制方法，其特征在于，通过调节双向节流阀(7)和双向节流阀组(8)的开度比例调节乘员舱和电池冷却的制冷量分配，使用压缩机(1)控制总制冷量需求或者通过调节双向节流阀(7)和双向节流阀组(8)的开度比例调节乘员舱和电池冷却的制热量分配，使用压缩机(1)控制总制热量需求时，双向节流阀组(8)的最大开度s
2,max
是双向节流阀(7)当前开度的s1的κ倍，比例系数κ的计算表达式为：式中，q
load
为乘员舱的制冷或制热负荷；q
cap
为热管理系统的最大制冷或制热能力；在制冷模式下，取1；在制热模式下，a3和a4分别是一级室内换热器(3)和二级室内换热器(4)的换热面积。

技术总结
本发明公开了一种跨超临界CO2电池直接冷却加热的车用热管理系统及其控制方法，所述系统中，四通换向阀的A口依次经压缩机、回热器的第一通道、气液分离器与四通换向阀的C口相连通；四通换向阀的B口依次经室外换热器、回热器的第二通道、双向节流阀、一级室内换热器、全通节流阀、二级室内换热器与四通换向阀的D口相连通；双向节流阀组由多个不同开度范围的双向节流阀并联组成。本发明可以在行车过程中同时加热或冷却乘员舱和电池，并可以在电池快速充电时通过制冷剂直接冷却为电池提供最大的制冷量，控制电池温度不超过最大安全温度，保证充电安全。充电安全。充电安全。


技术研发人员：曹锋 方健珉 殷翔 宋昱龙 乔义友 孙西峰
受保护的技术使用者：东风汽车集团股份有限公司
技术研发日：2022.06.29
技术公布日：2022/8/26