CN110077285A - 电动汽车二次回路热管理*** - Google Patents

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李康
方奕栋
徐丹
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Abstract

本发明涉及一种电动汽车二次回路热管理***，包括热泵***和热管理模块，热泵***为制冷剂回路，热管理***为二次回路，二次回路为冷却液回路，二次回路通过与热泵***中制冷剂换热实现热管理，热管理模块给乘员舱换、电池、电控部分降温或供热。***既能适用于各种环境温度下的乘员舱的制冷、制热的需求，又能适用于各种标准规定的各种环境温度下的电池包和电机的冷却和加热。既能充分整合和利用电池和电动机运行的废热，又能使用可燃性制冷剂，消除制冷剂泄漏的潜在危险，提高了电动汽车整车的能源利用效率，并且便于在新能源汽车上生产应用。

Description

电动汽车二次回路热管理***
技术领域
本发明涉及一种热能管理技术，特别涉及一种电动汽车二次回路热管理***。
背景技术
近些年来，随着环境保护要求的提高，传统的燃油汽车受到越来越严格的限制。新能源汽车，尤其是电动汽车，越来越为社会所接纳，成为各大国家和汽车制造企业竞相研发的项目，成为汽车发展的主要趋势。电动汽车的热管理***包括乘用舱的热管理，电池热管理以及电机、电控等零部件的热管理。电动汽车的核心部件是驱动电机和电池组，尤其是电动汽车的电池组的性能将直接关系到电动汽车的续航能力和能源效率。研究表明：电动汽车只有在20—25℃时才能发挥最佳能力，当电池工作温度高于45℃时，电池的使用时间就会明显缩短，60℃时，电池会有***的风险。而当电池的工作温度过低时，又会使充电时间大大增加。
电动汽车与燃油汽车的驱动动力不同，两者空调也存在很大的差别。主要体现在：燃油汽车的空调***的制冷压缩机是经由发动机的传动皮带轮带动运转，而电动汽车空调的压缩机直接换成直流变频压缩机，直接用车载蓄电池里的电进行驱动。电动汽车在冬天时也没有发动机余热对车室内进行供暖，因此，和燃油汽车的空调只需要实现夏季制冷不同，电动汽车的空调还需要考虑冬季采暖的问题。然而电动汽车的电池容量是有限的，在冬天空调***占据相当一部分能量，考虑到电动汽车的续航问题，这就更加需要空调***能够做到节能高效。
在电动汽车空调***中，一些新型制冷剂逐渐被接受并使用，如R1234yf，R290，CO2等等。现阶段，空调***在使用过程可能会存在泄漏的问题，或由一些不可抗力的因素导致制冷剂外泄。部分可燃性制冷剂一旦发生泄漏，将对乘员舱带来严重的安全问题。如何避免这种危险发生，也是如今空调***设计的方向之一。
发明内容
本发明是针对电动汽车因缺少发动机这个热源，冬季也需制热，以及电池包对温度较为敏感，必须进行热管理的问题，提出了一种电动汽车二次回路热管理***，既能适用于各种环境温度下的乘员舱的制冷、制热的需求，又能适用于各种标准规定的各种环境温度下的电池包和电机的冷却和加热。
本发明的技术方案为：一种电动汽车二次回路热管理***，包括热泵***和热管理模块，热泵***为制冷剂回路，热管理***为二次回路，二次回路为冷却液回路，二次回路通过与热泵***中制冷剂换热实现热管理；
热管理模块包括第I水泵、第III换热器、膨胀壶、第II水泵、第I电磁阀、第I液冷板、第II电磁阀、第II液冷板、第III电磁阀和第IV电磁阀；
当热泵***在制冷模式运行时，二次回路中的冷却液在第II换热器中被降温后，冷却液经第I水泵后分为两路，一部分冷却液送入第III换热器，另一路冷却液输出接第III换热器输出口后分两个支路同时为电池和电机降温，第III换热器中冷却液与乘员舱换热并提供冷量；第一支路经过可调流量的第II水泵、第I电磁阀送入第I液冷板后回到第II换热器，第I液冷板为电池降温冷却；第二支路经过第II电磁阀送入第II液冷板后回到第II换热器，第II液冷板为电机和电控部件降温冷却；
在制热模式运行时，二次回路中的冷却液在第II换热器中被升温后，冷却液经第I水泵后分为两路，一部分冷却液送入第III换热器，另一路冷却液输出接第III换热器输出口后分两个支路同时为电池和电机升温，第III换热器中冷却液与乘员舱换热并提供热量；第一支路经过可调流量的第II水泵、第I电磁阀送入第I液冷板后回到第II换热器，第I液冷板为电池升温加热；第二支路经过第II电磁阀送入第II液冷板后回到第II换热器，第II液冷板为电机和电控部件升温加热；
膨胀壶位于第III换热器出口和两个支路分路的连接管上，用于储存冷却液和平衡***内的压力。
所述二次回路还包括热储能装置，热储能装置通过并联的第III电磁阀和第IV电磁阀接在第II换热器冷却液回流管路上，热储能装置内管路之间包裹有具有PCM相变蓄热材料以及覆盖相变材料的保温材料，热储能装置储存电池和发动机的余热，通过调节第III电磁阀和第IV电磁阀，控制冷却液流量，对二次回路辅助加热。
所述热泵***包括压缩机、第I换热器、散热风扇、带截止功能的第I热力膨胀阀、第II换热器、带截止功能的第II热力膨胀阀和气液分离器；所述第I换热器用于制冷剂与环境工质进行换热，所述第II换热器用于制冷剂与冷却液进行换热；
热泵***包括制冷和制热两个循环：在其制冷循环中，第II热力膨胀阀处于截止状态，压缩机排出的高温高压制冷剂蒸汽进入第I换热器，通过与环境换热将制冷剂蒸汽冷凝成液体，制冷剂液体经过第I热力膨胀阀节流后，进入第II换热器中蒸发吸收二次回路中冷却液的热量后，制冷剂再次经过第I热力膨胀阀返回压缩机，形成一个制冷循环并将冷却液降温；
在其制热循环中，第I热力膨胀阀处于截止状态，压缩机排出的高温高压制冷剂蒸汽进入第II换热器并与二次回路中的冷却液换热，冷却液温度上升，制冷剂被冷却成液体，制冷剂经过第II热力膨胀阀节流后，进入第I换热器中蒸发吸收环境中的热量，制冷剂再次经过第II热力膨胀阀后返回压缩机，形成一个制热循环；
气液分离器接压缩机制冷剂回流管路上，防止压缩机发生液击；散热风扇置于第I换热器前，加速第I换热器与环境的冷热交换。
所述热泵***中制冷剂采用可燃性制冷剂R290、R1270、R600a、R32、R1234yf中的一种，或其中两种或两种以上的混合物。
所述二次回路中的冷却液采用乙二醇。
所述压缩机选用涡旋式压缩机，且连接各部件的制冷剂流通管路需外包保温材料，保温材料为无机纤维。
所述第I换热器选用微通道换热器。
所述膨胀阀选用带截止功能的H型热力膨胀阀。
所述膨胀壶采用有加液、补液和排气功能的构件。
所述第III换热器位于乘员舱内，乘员舱内无制冷剂回路。
本发明的有益效果在于：本发明电动汽车二次回路热管理***，既能适用于各种环境温度下的乘员舱的制冷、制热的需求，又能适用于各种标准规定的各种环境温度下的电池包和电机的冷却和加热。既能充分整合和利用电池和电动机运行的废热，又能使用可燃性制冷剂，消除制冷剂泄漏的潜在危险，提高了电动汽车整车的能源利用效率，并且便于在新能源汽车上生产应用。
附图说明
图1为本发明电动汽车二次回路热管理***结构示意图。
具体实施方式
一种电动汽车二次回路热管理***，包括热泵***和热管理模块，热泵***为制冷剂回路，热管理***为二次回路，二次回路指冷却液(载冷剂)回路，通过与制冷剂换热实现热管理。热管理模块为乘员舱换、电池、电控部分降温或供热。
热泵***包括压缩机1、第I换热器2、散热风扇3、带截止功能的第I热力膨胀阀4、第II换热器5、带截止功能的第II热力膨胀阀6和气液分离器7。所述第I换热器2用于制冷剂与环境工质进行换热，所述第II换热器5用于制冷剂与冷却液进行换热。
热泵***包括制冷和制热两个循环：在其制冷循环中，第II热力膨胀阀6处于截止状态，压缩机1排出的高温高压制冷剂蒸汽进入第I换热器2，通过与环境换热将制冷剂蒸汽冷凝成液体，制冷剂液体经过第I热力膨胀阀4节流后，进入第II换热器5中蒸发吸收二次回路中冷却液的热量后，制冷剂再次经过第I热力膨胀阀4后返回压缩机1，形成一个制冷循环并将冷却液降温。在其制热循环中，第I热力膨胀阀4处于截止状态，压缩机1排出的高温高压制冷剂蒸汽进入第II换热器5并与二次回路中的冷却液换热，冷却液温度上升，制冷剂被冷却成液体，制冷剂经过第II热力膨胀阀6节流后，进入第I换热器2中蒸发吸收环境中的热量，制冷剂再次经过第II热力膨胀阀6后返回压缩机，形成一个制热循环。气液分离器7接压缩机1制冷剂回流管路上，防止压缩机发生液击；散热风扇3置于第I换热器2前，加速第I换热器2与环境的冷热交换。
热管理模块包括第I水泵8、第III换热器9、膨胀壶10、第II水泵11、第I电磁阀12、第I液冷板13、第II电磁阀14、第II液冷板15、第III电磁阀16、第IV电磁阀17和热储能装置18。二次回路中将乘员舱、电池、电机并联进行热管理，便于不同工况下的需求和控制，也起到了一定的节能作用。
当所述热泵***在制冷模式运行时，二次回路中的冷却液在第II换热器5中被降温后，冷却液经第I水泵8后分为两路，一部分冷却液送入第III换热器9，另一路冷却液输出接第III换热器9输出口后分两个支路同时为电池和电机降温，第III换热器9中冷却液与乘员舱换热并提供冷量；第一支路经过第II水泵11、第I电磁阀12送入第I液冷板13后回到第II换热器5，第I液冷板13为电池降温冷却，因电池对热管理要求较高，第一支路加设第II水泵11，便于调节流量和电池的精确控温；第二支路经过第II电磁阀14送入第II液冷板15后回到第II换热器5，第II液冷板15为电机和电控部件降温冷却。在制热模式运行时，二次回路中的冷却液在第II换热器5中被升温后，冷却液经第I水泵8后分为两路，一部分冷却液送入第III换热器9，另一路冷却液输出接第III换热器9输出口后分两个支路同时为电池和电机升温，第III换热器9中冷却液与乘员舱换热并提供热量；第一支路经过第II水泵11、第I电磁阀12送入第I液冷板13后回到第II换热器5，第I液冷板13为电池升温加热，因电池对热管理要求较高，第一支路加设第II水泵11，便于调节流量和电池的精确控温；第二支路经过第II电磁阀14送入第II液冷板15后回到第II换热器5，第II液冷板15为电机和电控部件升温加热。膨胀壶10位于第III换热器9出口和两个支路分路的连接管上，主要用于储存冷却液和平衡***内的压力。
热储能装置18通过并联的第III电磁阀16和第IV电磁阀17接在第II换热器冷却液回流管路上，主要是将电能转化为热能并进行储存和传输热能的冷却液管路，热储能装置内管路之间包裹有具有PCM相变蓄热材料以及覆盖相变材料的保温材料(管路之间包裹上述两种材料，前者起到蓄热作用，后者通过保温提高蓄热效率)。冷却液将电池以及发动机运行的余热储存在PCM相变材料中，当冬季温度极低，冷却液从制冷剂获得的热量无法满足热管理的需求，则通过调节第III电磁阀16和第IV电磁阀17以调节流量，利用储存的电池和发动机的余热，起到对热管理模块辅助加热的功能。
所述热泵***中制冷剂可采用可燃制冷剂中R290、R1270、R600a、R32、R1234yf一种，或选用两种或两种以上混合物(在汽车空调中，例如R134a/R32混合制冷剂可替代R134a，又如R22/R152a/R142b混合制冷剂可替代R12)。
所述二次回路中的冷却液采用乙二醇。
所述压缩机1选用涡旋式压缩机，且连接各部件的制冷剂流通管路需外包一定的保温材料，保温材料为无机纤维。
所述第I换热器2选用微通道换热器，能够强化传热，提高换热效率，扩大能源利用率。
所述第II换热器5选用板式换热器，共有四个出入口，换热效率较高。
所述第III换热器9选用板式换热器，能够减少占用汽车的空间。
所述膨胀阀选用带截止功能的H型热力膨胀阀，可靠性高，便于装配，且能满足此热泵***的要求。
所述膨胀壶10采用有加液、补液和排气功能的构件。
所述热泵***与乘员舱内只有冷却液相通。***中仅有第III换热器9位于乘员舱前部，避免可燃性制冷剂在乘员舱泄漏发生火灾或***，而二次回路通过冷却液换热可避免此类情况发生。
基于以上实施方式的描述，本发明提供了一种电动汽车二次回路热管理***，它既能适用于各种环境温度下的乘员舱的制冷、制热的需求，又能适用于各种标准规定的各种环境温度下的电池包和电机的冷却和加热。它既能充分整合和利用电池和电动机运行的废热，又能使用可燃性制冷剂，消除制冷剂泄漏的潜在危险，提高了电动汽车整车的能源利用效率，并且便于在新能源汽车上生产应用。
针对极端低温工况，本发明采用热储能原理对热管理***进行辅助加热，也可采用PTC电加热器辅助加热，但会导致电动汽车续航里程的下降和能源利用效率的降低。
本发明热管理模块中，分别针对乘员舱、电池和电机换热的第III换热器、第I液冷板和第II液冷板为并联布置，也可根据热负荷的大小串联布置。
热泵***可以有多种形式，本发明考虑实际情况，采用热力膨胀阀切换模式而非电磁阀和电子膨胀阀，更加符合现实生产和应用。

Claims (10)

1.一种电动汽车二次回路热管理***，其特征在于，包括热泵***和热管理模块，热泵***为制冷剂回路，热管理***为二次回路，二次回路为冷却液回路，二次回路通过与热泵***中制冷剂换热实现热管理；
热管理模块包括第I水泵、第III换热器、膨胀壶、第II水泵、第I电磁阀、第I液冷板、第II电磁阀、第II液冷板、第III电磁阀和第IV电磁阀；
当热泵***在制冷模式运行时，二次回路中的冷却液在第II换热器中被降温后，冷却液经第I水泵后分为两路，一部分冷却液送入第III换热器，另一路冷却液输出接第III换热器输出口后分两个支路同时为电池和电机降温，第III换热器中冷却液与乘员舱换热并提供冷量；第一支路经过可调流量的第II水泵、第I电磁阀送入第I液冷板后回到第II换热器，第I液冷板为电池降温冷却；第二支路经过第II电磁阀送入第II液冷板后回到第II换热器，第II液冷板为电机和电控部件降温冷却；
在制热模式运行时，二次回路中的冷却液在第II换热器中被升温后，冷却液经第I水泵后分为两路，一部分冷却液送入第III换热器，另一路冷却液输出接第III换热器输出口后分两个支路同时为电池和电机升温，第III换热器中冷却液与乘员舱换热并提供热量；第一支路经过可调流量的第II水泵、第I电磁阀送入第I液冷板后回到第II换热器，第I液冷板为电池升温加热；第二支路经过第II电磁阀送入第II液冷板后回到第II换热器，第II液冷板为电机和电控部件升温加热；
膨胀壶位于第III换热器出口和两个支路分路的连接管上，用于储存冷却液和平衡***内的压力。
2.根据权利要求1所述电动汽车二次回路热管理***，其特征在于，所述二次回路还包括热储能装置，热储能装置通过并联的第III电磁阀和第IV电磁阀接在第II换热器冷却液回流管路上，热储能装置内管路之间包裹有具有PCM相变蓄热材料以及覆盖相变材料的保温材料，热储能装置储存电池和发动机的余热，通过调节第III电磁阀和第IV电磁阀，控制冷却液流量，对二次回路辅助加热。
3.根据权利要求1或2所述电动汽车二次回路热管理***，其特征在于，所述热泵***包括压缩机、第I换热器、散热风扇、带截止功能的第I热力膨胀阀、第II换热器、带截止功能的第II热力膨胀阀和气液分离器；所述第I换热器用于制冷剂与环境工质进行换热，所述第II换热器用于制冷剂与冷却液进行换热；
热泵***包括制冷和制热两个循环：在其制冷循环中，第II热力膨胀阀处于截止状态，压缩机排出的高温高压制冷剂蒸汽进入第I换热器，通过与环境换热将制冷剂蒸汽冷凝成液体，制冷剂液体经过第I热力膨胀阀节流后，进入第II换热器中蒸发吸收二次回路中冷却液的热量后，制冷剂再次经过第I热力膨胀阀返回压缩机，形成一个制冷循环并将冷却液降温；
在其制热循环中，第I热力膨胀阀处于截止状态，压缩机排出的高温高压制冷剂蒸汽进入第II换热器并与二次回路中的冷却液换热，冷却液温度上升，制冷剂被冷却成液体，制冷剂经过第II热力膨胀阀节流后，进入第I换热器中蒸发吸收环境中的热量，制冷剂再次经过第II热力膨胀阀后返回压缩机，形成一个制热循环；
气液分离器接压缩机制冷剂回流管路上，防止压缩机发生液击；散热风扇置于第I换热器前，加速第I换热器与环境的冷热交换。
4.根据权利要求3所述电动汽车二次回路热管理***，其特征在于，所述热泵***中制冷剂采用可燃性制冷剂R290、R1270、R600a、R32、R1234yf中的一种，或其中两种或两种以上的混合物。
5.根据权利要求3所述电动汽车二次回路热管理***，其特征在于，所述二次回路中的冷却液采用乙二醇。
6.根据权利要求3所述电动汽车二次回路热管理***，其特征在于，所述压缩机选用涡旋式压缩机，且连接各部件的制冷剂流通管路需外包保温材料，保温材料为无机纤维。
7.根据权利要求3所述电动汽车二次回路热管理***，其特征在于，所述第I换热器选用微通道换热器。
8.根据权利要求3所述电动汽车二次回路热管理***，其特征在于，所述膨胀阀选用带截止功能的H型热力膨胀阀。
9.根据权利要求3所述电动汽车二次回路热管理***，其特征在于，所述膨胀壶采用有加液、补液和排气功能的构件。
10.根据权利要求3所述电动汽车二次回路热管理***，其特征在于，所述第III换热器位于乘员舱内，乘员舱内无制冷剂回路。
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