一种冷却液集中循环的电动汽车热管理系统及其使用方法与流程

[0001]
本发明涉及电动汽车的热管理，特别是一种冷却液集中循环的电动汽车热管理系统及其使用方法，ipc分类可属于b60h 1/00。


背景技术：

[0002]
目前市场上的电动汽车一般采用电驱动空调器对车厢内部空间进行温度调节，而电机组、电池组、控制模块等则通过冷却液或风冷形式进行散热；冬天空调系统制热时，室外换热器容易结霜，未能利用电池、电机冷却水路的热量化霜，热回收利用效果差。
[0003]
另外当电动汽车长时间放置于低温环境下时，电池组温度过低导致放电效率降低，此时需要对电池组进行加热。目前通常是通过水暖ptc电加热器加热冷却液的方式实现，电加热器的效率较低，加热效率和加热效果都有待提高。
[0004]
中国专利cn102275521b公开了一种具有双模式冷却回路的热管理系统，可以将电池系统及传动系统耦合到空调系统。但其缺乏考虑某些场景应用，如：电池组单独利用风冷散热，电池组利用能效高的热泵空调加热以及在空调制热工况下电池组及传动系统利用能效高的热泵空调冷却，空调制热工况下室外换热器利用电池组及传动系统热量化霜。
[0005]
除本说明书指明外，有关术语可参考国家标准gb/t 19596-2017《电动汽车术语》和gb/t 18488.1-2015《电动汽车用驱动电机系统第1部分：技术条件》，有关公知常识可参考机械工业出版社出版的《机械工程手册》、《电机工程手册》和《汉英-英汉制冷空调辞典》。


技术实现要素：

[0006]
本发明的目的是提供一种冷却液集中循环的电动汽车热管理系统及其使用方法，以解决背景技术所述不足。
[0007]
本发明的技术方案是：一种冷却液集中循环的电动汽车热管理系统，包括集中的热交换冷却液循环系统，热泵空调制冷剂循环系统、电池冷却液循环系统和传动系统组件冷却液循环系统；
[0008]
所述的集中的热交换冷却液循环系统包括风冷散热器支路、空调舱内换热器支路、空调舱外换热器支路，它们并联联接形成回路，各支路串联有电磁二通阀；
[0009]
所述的热泵空调制冷剂循环系统：包括用于与集中的热交换冷却液循环系统交换热量的空调舱外换热器和空调舱内换热器，空调舱外换热器和空调舱换热器侧设有风扇；
[0010]
所述电池冷却液循环系统，包括：带加热功能的循环水泵、第一冷却液系统膨胀水箱、电池组形成循环回路；
[0011]
所述传动系统组件冷却液循环系统，包括：循环水泵，至少连接有传动系统的任一组件、第二冷却液系统膨胀水箱形成循环回路；
[0012]
所述电池冷却液循环可以单独运行，也可以通过第一电磁四通阀耦合到集中的热交换冷却液循环系统一起运行；
[0013]
所述传动系统组件冷却液循环可以单独运行，也可以通过第二电磁四通阀耦合到
集中的热交换冷却液循环系统一起运行。
[0014]
该技术方案集成了热泵空调制冷剂循环、电池冷却液循环和传动系统组件冷却液循环的综合热管理系统，其利用空调舱内换热器、空调舱外换热器作为空调制冷剂循环和集中的热交换冷却液循环系统的介质，将空调制冷剂循环的热量或冷量转移到集中的热交换冷却液循环系统中。这样采用热泵空调的冷量或热量既给电池、电机及电控冷却又给电池加热，充分利用热泵空调高能效的特点给整车节能，提升整车续航能力。尤其是，巧妙提出将空调制冷剂的热交换器与风冷散热器并联形成集中的热交换水路，并且利用四通阀将电池冷却液循环系统、传动系统组件冷却液循环系统按控制要求耦合到集中的热交换冷却液循环系统中，更好利用热能转换，实现热能利用回收，并可解决空调系统冬天结霜造成的热效率下降问题，使系统原理更加合理。
[0015]
进一步地，所述电池冷却液循环系统还包括独立的风冷散热器及风扇。这是对电池冷却液循环系统最经济实用的热量转移方式。
[0016]
进一步地，所述传动系统组件冷却液循环系统还包括独立的风冷散热器及风扇。这是对传动系统组件冷却液循环系统最经济实用的热量转移方式。
[0017]
进一步地，所述的集中的热交换冷却液循环系统还包括风冷散热器旁直通旁路和/或空调舱外换热器直通旁路。在某些应用场景下，热交换冷却液循环系统可以得到更高效或更经济实用的热量转移方式。
[0018]
本发明冷却液集中循环的电动汽车热管理系统的使用方法包括以下步骤：：
[0019]
对电池冷却液循环系统耦合入集中的热交换冷却液循环系统进行选择；
[0020]
对传动系统组件冷却液循环系统耦合入集中的热交换冷却液循环系统进行选择；
[0021]
对热泵空调制冷剂循环开启制冷功能还是制热功能进行选择；
[0022]
对集中的热交换冷却液循环系统通断风冷散热器支路，风冷散热器直通旁路，空调舱外换热器支路，空调舱内换热器支路，空调舱外换热器直通旁路进行选择。
[0023]
该使用方法使本发明冷却液集中循环的电动汽车热管理系统得到更合理的使用，尤其具有如下优点：
[0024]
1、电池可以单独采用带加热功能的循环水泵加热升温；但室外温度很低时，也可以利用空调在制热模式下对电池进行加热升温以缩短时间，提高效率；
[0025]
2、电池、电机及电控等进行冷却，可以采用风冷散热器冷却，也可以综合使用空调系统制热或制冷模式进行冷却，提升系统整体运行能效；
[0026]
3、反过来，冬天，空调系统制热时，可以利用电池、电机及电控冷却系统的热能提升车舱温度及解决空调舱外热交换器结霜问题，提高热效率，实现热能利用回收。。
[0027]
进一步地，可以使用第一四通阀将电池冷却液循环系统切换到与集中的热交换冷却液循环系统分开的位置还是串联连接的位置。该设计比多阀通断结构简单，控制可靠。
[0028]
进一步地，可以使用第二四通阀将传动系统组件冷却液循环系统切换到与集中的热交换冷却液循环系统分开的位置还是串联连接的位置。该设计比多阀通断结构简单，控制可靠。
[0029]
进一步地，热泵空调制冷剂循环开启制冷功能包括将第三电磁四通阀(a-b，c-d)导通的步骤；热泵空调制冷剂循环开启制热功能包括将第三电磁四通阀(a-c，b-d)导通的步骤。该设计使得热泵空调制冷剂循环系统采用一个管路可以实现制冷及制热功能。
[0030]
进一步地，热交换冷却液循环系统通断包括将第一电磁二通阀导通风冷散热器支路和将第三电磁二通阀导通空调舱内换热器支路或将第四电磁二通阀导通空调舱外换热器支路或空调舱外换热器直通旁路的步骤。该设计使得热交换冷却液循环系统可以选择采用风冷散热器还是空调舱内换热器还是空调舱外换热器进行换热。
[0031]
可以选择的，热交换冷却液循环系统通断还包括将第二电磁二通阀导通风冷散热器直通旁路和将第三电磁二通阀导通空调舱内换热器支路或将第四电磁二通阀导通空调舱外换热器支路或空调舱外换热器直通旁路的步骤。该设计使得热交换冷却液循环系统在一些应用场景下可以不通过风冷散热器而直通空调换热器进行换热，提高能效；也可以不通过空调舱外换热器换热而直接回流。可以适应各种场景实际情况，提供更合理选择。
[0032]
下面结合附图对本发明的原理、结构以及效果进行详细说明。
附图说明
[0033]
图1是本发明实施例冷却液集中循环的电动汽车热管理系统管路图；
[0034]
图2是本发明实施例电池单独采用带加热功能循环水泵加热的系统循环图；
[0035]
图3是本发明实施例空调制热模式和电池加热的系统循环图；
[0036]
图4是本发明实施例风冷散热器增加了直通旁路的空调制热模式和电池加热的系统循环图；
[0037]
图5是本发明实施例空调制热模式和电池冷却的系统循环图；
[0038]
图6是本发明实施例空调室外换热器增加了直通管路的空调制热模式和电池冷却的系统循环图；
[0039]
图7是本发明实施例空调制冷模式和电池冷却的系统循环图；
[0040]
图8是本发明实施例空调制冷模式下集成电池、电机、风冷散热的综合热管路系统循环图；
[0041]
图9是本发明实施例空调制热模式下集成电池、电机、风冷散热的综合热管路系统循环图；
[0042]
图10是本发明实施例电池冷却液循环系统和传动系统组件冷却液循环系统具有单独的风冷散热的管路图。
[0043]
附图标记说明：
[0044]
101-压缩机 102-第三电磁四通阀 103-空调舱外换热器 104-节流元件 105-空调舱内换热器 107-汽液分离器 109-舱外风扇 110-舱内风扇；
[0045]
201-风冷散热器 202-散热器风扇 203-第一电磁二通阀 204-第二电磁二通阀 205-第三电磁二通阀 206-第四电磁二通阀 207-第二电磁三通阀；
[0046]
301-电池组 302-带加热功能的循环水泵 303-第一电磁四通阀 304-第一冷却液系统膨胀水箱 305-电池风扇散热器 306-电池风扇；
[0047]
401-驱动电子装置 402-电机组 403-充电器 404-第二电磁四通阀 405-第二冷却液系统膨胀水箱 406-循环水泵 407-电机风扇散热器 408-电机风扇。
具体实施方式
[0048]
首先介绍本发明实施例涉及的应用场景：
[0049]
——电动汽车中的电池通常存在工作温度的要求，包括最高工作温度和最低工作温度。因此，需要对电动汽车的电池进行热管理。进一步地，随着室外温度的变化，人们对舱内温度也有不同的需求，例如，在夏季，人们通常需要舱内的温度比较低一些，此时，一般需要对舱内进行制冷；而在冬季，人们通常又需要舱内的温度比较高一些，此时，一般需要对舱内进行加热。因此，通常还需要对电动汽车的舱内进行热管理。进一步地，电池、电机及电控工作一定时间后，特别是在夏季，温度会升高。因此，需要对它们进行散热降温管理。另外，热管理通常需要用到电动汽车的车外换热器。然而，在一些应用场景中，尤其是在冬季，当外界环境温度较低时，车外换热器容易结霜，导致其工作不稳定，影响系统性能，从而导致热管理效率降低。
[0050]
基于上述情况，本发明提供了如图1所示的冷却液集中循环的电动汽车热管理系统，其集成了热泵空调制冷剂循环、电池冷却液循环和传动系统组件冷却液循环的综合热管理系统，该热管理系统可以对舱内和电池、电机及电控同时进行热管理，并解决对车外换热器进行除霜的问题。其中，空调舱内换热器、空调舱外换热器作为空调制冷剂循环和集中的热交换冷却液循环系统的介质，将空调制冷剂循环的热量或冷量转移到集中的热交换冷却液循环系统中，实现集中的热交换冷却液循环系统和热泵空调的耦合运行。其中，电池冷却液循环系统、电机和电控冷却液循环系统可以单独运行，也可以分别通过第一电磁四通阀303、第二电磁四通阀404耦合到集中的热交换冷却液循环一起运行。
[0051]
所述热泵空调制冷剂循环包括：压缩机101分别连接第三电磁四通阀102、汽液分离器107，第三电磁四通阀102再连接空调舱外换热器103和空调舱内换热器105及汽液分离器107；空调舱外换热器103和空调舱内换热器105之间设有节流元件104；空调舱外换热器103侧设有舱外风扇109，空调舱内换热器105设有舱内风扇110用于散热。
[0052]
所述电池冷却液循环包括：带加热功能的循环水泵302联接第一电磁四通阀303、第一冷却液系统膨胀水箱304、电池组301形成循环回路，其中第一电磁四通阀303可以耦合联接到所述的集中的热交换冷却液循环系统。
[0053]
所述传动系统组件冷却液循环包括循环水泵406，用于系统回路内循环冷却液，传动系统组件冷却液循环用于冷却电机组402，优选地，还联接有驱动电子装置401、充电器403。与第二电磁四通阀404、第二冷却液膨胀水箱405形成循环回路。其中第二电磁四通阀404可以耦合联接到所述的集中的热交换冷却液循环系统。
[0054]
图2为电池单独采用带加热功能的循环水泵加热的系统循环图，主要用于不太寒冷的冬天室外。此时：
[0055]
——带加热功能的循环水泵302依次联接第一电磁四通阀303、第一冷却液系统膨胀水箱304、电池组301形成循环回路。带加热功能的循环水泵302开启加热功能将冷却液加热到电池工作温度需求，并循环流过电池组供热。
[0056]
图3为空调制热模式和电池加热系统循环图，主要是寒冷的冬季，用于带加热功能的循环水泵302不足以维持电池组301最佳工作温度时，需要通过空调舱内换热器105将制冷剂的热量转移到冷却液循环中。此时：
[0057]
——热泵空调制冷剂循环为：制冷剂通过压缩机101压缩成高温高压蒸汽经过第三电磁四通阀102(a-b导通)进入到空调舱内换热器105给车内供热，并通过空调舱内换热器105和集中的热交换冷却液循环系统换热，然后制冷剂经过节流元件104到空调舱外换热
器103蒸发，然后经过第三电磁三四通阀102(c-d导通)回到汽液分离器107最后回到压缩机101；
[0058]
——电池组冷却液循环为：带加热功能的循环水泵302开启加热功能和联接第一电磁四通阀303、并通过第一电磁四通阀303与集中的热交换冷却液循环系统串联联接，集中的热交换冷却液循环系统第一电磁二通阀203打开，接着通过风冷散热器201的冷却液管路，此时散热风扇202关闭不散热，接着到空调舱内换热器105与制冷剂管路换热，并通过打开集中的热交换冷却液循环系统第三电磁二通阀205循环回流回电池组301供热。此时集中的热交换冷却液循环系统的第四电磁二通阀206关闭。
[0059]
优选地，可以在风冷散热器201的支路旁增加一直通旁路，经由集中的热交换冷却液循环系统第二电磁二通阀204打开，此时集中的热交换冷却液循环系统第一电磁二通阀203关闭，冷却液通过这一直通旁路通过空调舱内换热器105换热。这样可以进一步减少通过风冷散热器201的管路的热量损耗。上述具体原理结构见图4。
[0060]
图5为空调制热模式和电池冷却系统循环图，主要用于春秋季或类似工况下车辆高速运行或进行电池快充时，车内需要空调制热，而电池组301需要进行冷却。需要通过风冷散热器201和/或空调舱外换热器103将冷却液循环中的热量转移到制冷剂循环系统。此时：
[0061]
——制冷剂循环为：制冷剂通过压缩机101压缩成高温高压蒸汽经过第三电磁三四通阀102(a-b导通)进入到空调舱内换热器105给车内供热，并通过空调舱内换热器105和集中的热交换冷却液循环系统换热，然后制冷剂经过节流元件104到空调舱外换热器103蒸发，然后经过第三电磁三四通阀102(c-d导通)回到汽液分离器107最后回到压缩机101；
[0062]
——电池组冷却液循环为：带加热功能的循环水泵302不开启加热功能联接第一电磁四通阀303、并通过第一电磁四通阀303与集中的热交换冷却液循环系统串联联接，集中的热交换冷却液循环系统第一电磁二通阀203打开，接着通过风冷散热器201的管路，此时散热风扇202打开吹风散热，接着到空调舱外换热器103与制冷剂管路换热，并通过打开的集中的热交换冷却液循环系统第三电磁二通阀206循环回流回电池组301散热。此时集中的热交换冷却液循环系统的第三电磁二通阀205关闭。
[0063]
进一步的，可以在空调舱外换热器103的支路旁增加一直通旁路，通过第二电磁三通阀207控制开启空调舱外换热器103支路或直通旁路。在空调制冷系统蒸发温度较高时，冷却液通过直通旁路而不通过空调舱外换热器103换热，这样可以保障空调制冷系统的能效较高，提供更好的舱内加热性能。在空调制冷系统蒸发温度较低，甚至空调舱外换热器103结霜时，第二电磁三通阀207开启空调舱外换热器103冷却液支路，通过空调舱外换热器103换热，空调舱外换热器103温度升高化霜，提高空调系统制热能力。上述具体原理结构见图6。
[0064]
图7为空调制冷模式和电池冷却(热负荷较大时)系统循环图，主要用于夏季室外热负荷较大时。车内需要空调制冷，电池组301也需要进行冷却。需要通过风冷散热器201和/或空调舱内换热器105将冷却液循环中的热量转移到制冷剂循环系统。此时：
[0065]
——制冷剂循环为：制冷剂通过压缩机101压缩成高温高压蒸汽经过第二电磁四通阀102(a-c导通)进入到空调舱外换热器103，此时舱外风扇109开启，制冷剂然后经过节流元件104到空调舱内换热器105蒸发，舱内风扇110开启，给车辆舱内制冷降温，并同时和
集中的热交换冷却液循环系统换热，制冷剂然后经过第三电磁三四通阀102(b-d导通)回到汽液分离器107最后回到压缩机101；
[0066]
——电池组冷却液循环为：带加热功能的循环水泵302不开启加热功能联接第一电磁四通阀303、并通过第一电磁四通阀303与集中的热交换冷却液循环系统串联联接，集中的热交换冷却液循环系统第一电磁二通阀203打开，接着通过风冷散热器201的管路，此时散热风扇202打开吹风散热，接着到空调舱内换热器105与制冷剂管路换热，并通过打开集中的热交换冷却液循环系统第三电磁二通阀205循环回流回电池组301散热。此时集中的热交换冷却液循环系统的第四电磁二通阀206关闭。
[0067]
进一步的，当空调制冷模式和电池冷却(热负荷较小时如在车辆行驶较慢或停车时)，电池组发热不高，冷却液循环可以不经过空调舱内换热器105换热，集中的热交换冷却液循环系统第三电磁二通阀205关闭。而通过第二三通阀开启(df导通)，集中的热交换冷却液循环系统第四电磁二通阀206开通，冷却液回流回电池组301散热。仅靠风冷散热器201散热就可以满足电池组散热需求。
[0068]
图8为空调制冷模式和电池冷却及电机及电控冷却时的系统循环图，主要用于夏季室外热负荷较大时。车内需要空调制冷，电池组301、驱动电子装置401、电机组402、充电器403也需要进行冷却。需要通过风冷散热器201和/或空调舱内换热器105将冷却液循环中的热量转移到制冷剂循环系统及空气中。此时：
[0069]
——制冷剂循环为：制冷剂通过压缩机101压缩成高温高压蒸汽经过第二电磁四通阀102(a-c导通)进入到空调舱外换热器103，此时舱外风扇109开启，制冷剂然后经过节流元件104到空调舱内换热器105蒸发，舱内风扇110开启，给车辆舱内制冷降温，并同时和集中的热交换冷却液循环系统换热，制冷剂然后经过第三电磁三四通阀102(b-d导通)回到汽液分离器107最后回到压缩机101；
[0070]
——冷却液循环为：带加热功能的循环水泵302不开启加热功能联接第一电磁四通阀303、并通过第一电磁四通阀303耦合，实现电池组冷却液循环与集中的热交换冷却液循环系统串联联接，集中的热交换冷却液循环系统第一电磁二通阀203打开，接着通过风冷散热器201的管路，此时散热风扇202打开吹风散热，接着通过第二电磁四通阀404耦合，实现集中的热交换冷却液循环系统与传动系统组件冷却液循环系统串联联接，接着依次通过电控冷却液系统膨胀水箱405、循环水泵406、驱动电子装置401、电机组402、充电器403，到空调舱内换热器105与制冷剂管路换热，并通过打开集中的热交换冷却液循环系统第三电磁二通阀205循环回流回电池组301散热。此时集中的热交换冷却液循环系统的第四电磁二通阀206关闭。
[0071]
进一步的，当冷却热负荷较小时(如在车辆行驶较慢或停车时)，电池组及电机等发热不高，冷却液循环可以不经过空调舱内换热器105换热，集中的热交换冷却液循环系统第三电磁二通阀205关闭。而通过第二三通阀开启(df导通)，集中的热交换冷却液循环系统第四电磁二通阀206开通，冷却液通过空调舱外换热器103的直通旁路回流过电池组301散热。仅靠风冷散热器201散热就可以满足冷却液循环散热需求。
[0072]
图9为空调制热模式和电池冷却及电机及电控冷却时的系统循环图，主要用于冬季或类似工况下车辆高速运行或进行电池快充时，车内需要空调制热，而电池组301、驱动电子装置401、电机组402、充电器403需要进行冷却。需要通过风冷散热器201和/或空调舱
外换热器103将冷却液循环中的热量转移到制冷剂循环系统及空气中。此时：
[0073]
——制冷剂循环为：制冷剂通过压缩机101压缩成高温高压蒸汽经过第三电磁三四通阀102(a-b导通)进入到空调舱内换热器105给车内供热，并通过空调舱内换热器105和集中的热交换冷却液循环系统换热，然后制冷剂经过节流元件104到空调舱外换热器103蒸发，然后经过第三电磁三四通阀102(c-d导通)回到汽液分离器107最后回到压缩机101；
[0074]
——冷却液循环为：带加热功能的循环水泵302不开启加热功能联接第一电磁四通阀303、并通过第一电磁四通阀303耦合，实现电池组冷却液循环与集中的热交换冷却液循环系统串联联接，集中的热交换冷却液循环系统第一电磁二通阀203打开，接着通过风冷散热器201的管路，此时散热风扇202打开吹风散热，接着通过第二电磁四通阀404耦合，实现集中的热交换冷却液循环系统与传动系统组件冷却液循环系统串联联接，冷却剂依次通过电控冷却液系统膨胀水箱405、循环水泵406、驱动电子装置401、电机组402、充电器403，接着到空调舱外换热器103与制冷剂管路换热，并通过打开集中的热交换冷却液循环系统第四电磁二通阀206循环回流回电池组301散热。此时集中的热交换冷却液循环系统的第三电磁二通阀205关闭。
[0075]
进一步的，可以在空调舱外换热器103的支路旁增加一直通旁路，通过第二电磁三通阀207控制开启空调舱外换热器103支路还是直通旁路。在空调制冷系统蒸发温度较高时，冷却液通过直通旁路而不需要通过空调舱外换热器103换热，这样可以保障空调制冷系统的能效较高，提供更好的舱内加热性能。在空调制冷系统蒸发温度较低，甚至空调舱外换热器103结霜时，第二电磁三通阀207开启空调舱外换热器103冷却液支路，通过空调舱外换热器103换热，空调舱外换热器103温度升高化霜，提高空调系统制热能力。
[0076]
图10是本发明提供的另一实施例——电池冷却液循环系统和传动系统组件冷却液循环系统具有单独的风冷散热的管路图。在温度较低的气候条件小，车辆低速运行情况下，电池冷却液循环系统可以不耦合到集中的热交换冷却液循环系统而单独采用电池风扇散热器304及电池风扇305散热；传动系统组件冷却液循环系统可以不耦合到集中的热交换冷却液循环系统而单独采用电机风扇散热器407及电机风扇408散热。
[0077]
以上所述仅为本发明的优选实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的权利要求保护范围之内。

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