一種電動汽車智能整車熱管理系統及其方法
【專利摘要】本發明公開了一種電動汽車整車智能熱管理系統及其方法，由車頭換熱器、乘客艙換熱器、電機、電控系統、電機水泵、四通換向閥、壓縮機、電磁閥、兩個三通球閥、蒸發器、水泵、電池組、熱管、電池換熱器組成。使整車的空調系統、電機電控系統、電池組熱管理系統三大熱管理系統的熱量能夠充分地互相利用，減少散熱加熱對電池能量的需求。可以保證各個電池單體之間的溫度均衡。對電機電控系統進行液冷方式散熱，并與冷凝器耦合，充分利用外界冷源減少整車熱管理系統能耗。本發明可以在保證駕乘舒適性的情況下盡量延長續航里程，延長電池系統的使用壽命，降低電動汽車電池系統的使用成本。
【專利說明】
_種電動汽車智能整車熱管理系統及其方法
技術領域
[0001]本發明屬于電動汽車整車熱管理領域，具體涉及一種電動汽車智能整車熱管理系統及其方法，適用于電動汽車在行駛過程中的整車熱管理。
技術背景
[0002]電動汽車以電池組作為動力來源，以電機驅動車輪行駛，對環境的影響相比于傳統汽車小很多，具有良好的發展前景。但是目前電動汽車許多技術尚未成熟，尤其是目前較低的電池容量無法滿足續航里程，從而許多廠商為了盡可能延長續航里程而犧牲了駕乘舒適性，即便如此由于常用的電動汽車熱管理系統常常無法達到電動汽車大功率運行時的散熱(加熱)要求，導致電池散熱(加熱)不充分，縮短了電池的使用壽命，大大增加了使用成本。
[0003]目前純電動汽車電池熱管理系統、電機和電機驅動熱管理系統、空調熱管理系統三大熱管理系統在很多電動車車型中仍然常常被孤立，在獨立運行中許多潛在的低品位能量互相利用的機會被浪費，進而浪費大量寶貴的電池電能。
[0004]其中電池組作為電動汽車最重要的能量來源，直接影響電動汽車的性能。而電池組尤其是鋰電池組對工作環境溫度較為敏感，溫度較高時，電池材料的老化速度加快，循環使用壽命會迅速衰減;溫度較低時，電池充放電容量減小，經常在低溫環境中工作，電池將會受到不可逆的容量衰減；電機和電機驅動熱管理系統雖然使用環境溫度范圍較大，但是過高的使用溫度會大大縮短電機轉子的使用壽命，尤其在大功率的使用條件下有必要進行強制散熱;而空調系統的運行直接影響了駕乘人員的舒適性，進而影響大眾的購買意愿。不能從內燃機獲取驅動壓縮機運行的動力將會耗費大量電池電能。
[0005]目前大部分的乘客艙與電池組加熱系統均為PTC電加熱，電能轉化效率低，電能浪費嚴重。
【發明內容】
[0006]針對上述存在問題，本發明的目的是提供一種電動汽車智能整車熱管理系統及其方法，使整車的熱量能夠充分地互相利用，減少散熱加熱對電池能量的需求，同時使電池組和電機電控系統在不同功率不同環境溫度的行駛狀態下始終保持合適的工作溫度，以及各個電池單體之間的溫度均衡，在保證駕乘舒適性的情況下盡量延長續航里程。可以延長電池系統的使用壽命，降低電動汽車電池系統的使用成本。
[0007]本發明的目的是通過以下技術方案實現的:
[0008]—種電動汽車智能整車熱管理系統，由熱栗空調系統、電機電控冷卻系統和電池熱管理系統互相耦合組成；將電機電控冷卻系統、熱栗空調系統以及電池熱管理系統的散熱需求在冷凝器處相耦合，充分利用環境冷源給整車散熱。將電池組部分與熱栗空調部分在三通球閥處耦合，滿足電池大功率輸出時的電池散熱需求。將乘客艙加熱系統、電池加熱系統的管道相耦合，利用三通球閥改變加熱流體的流動方向從而實現各種條件的加熱以及熱量互相利用。比較電池組換熱器出口制冷劑溫度與外界環境的溫度，使用電磁閥控制電池組冷卻液是否與外界空氣進行換熱。使用四通換向閥、電磁閥、三通球閥滿足所有乘客艙、電池組的獨立、聯合或互相加熱冷卻的情況。
[0009]其中熱栗空調系統由車頭換熱器、四通換向閥、壓縮機、乘客艙換熱器、三通球閥一、三通球閥二組成，其中壓縮機入口與四通換向閥D 口相連，四通換向閥B 口與車頭換熱器相連，四通換向閥C 口流經三通球閥一后與乘客艙換熱器相連，車頭換熱器和乘客艙換熱器于三通球閥二處匯合；
[0010]電機電控冷卻系統由車頭換熱器、電動機、電控系統、電機水栗按順序串聯組成，其中從車頭換熱器流出的低溫冷卻液將首先冷卻電控系統；
[0011 ]電池熱管理系統由車頭換熱器、電磁閥、水栗、電池、熱管、電池換熱器組成，包含兩個回路及電池箱，其中外回路由電磁閥、車頭換熱器、水栗、電池換熱器組成，內回路由水栗、三通球閥一、乘客艙換熱器、三通球閥二、電池換熱器組成，電池箱包括電池和熱管。
[0012]進一步的，電池組內部結構中熱管橫插在每列電池之間，剩余空間以相變材料填充，電池組與熱管進行密封處理，電池組外殼為隔熱材料，只有熱管露出部分與外界換熱。
[0013]進一步的，電池組熱管理系統的外部冷卻介質為空調制冷劑，并可以通過三通球閥一、三通球閥二與熱栗空調系統相通。
[0014]進一步的，所述的車頭換熱器具有三個進出水通道，內部管道獨立并且根據迎風順序排序為電池組制冷劑管道、空調制冷劑管道、電控系統冷卻液管道。
[0015]本發明還公開了一種所述系統的電動汽車智能整車熱管理方法，其具體如下:
[0016]僅電池有加熱需求時:壓縮機開啟，四通換向閥的C口作為高溫高壓制冷劑出口，三通球閥一的A 口和B 口接通，電磁閥關閉，三通球閥二的B 口和C 口接通；
[0017]僅乘客艙有加熱需求時:壓縮機開啟，四通換向閥的C口作為高溫高壓制冷劑出口，三通球閥一的A 口、C 口接通，電磁閥關閉，三通球閥二的A 口、B 口接通；
[0018]乘客艙與電池都有加熱需求時:壓縮機開啟，四通換向閥的C口作為高溫高壓制冷劑出口，三通球閥一全通，電磁閥關閉，三通球閥二全通；
[0019]僅乘客艙有降溫需求時:壓縮機開啟，四通換向閥的B口作為高溫高壓制冷劑出口，三通球閥一的A 口和C 口接通，電磁閥關閉，三通球閥二的A 口和B 口接通；
[0020]僅電池有降溫需求，且環境溫度低于從電池換熱器流出的高溫制冷劑時:水栗開啟，電磁閥開啟，三通球閥一的B口關閉，三通球閥二的C口關閉；若冷量不足則啟動壓縮機，四通換向閥的B 口作為高溫高壓制冷劑出口，三通球閥二的B 口和C口接通，三通球閥一的A口和B 口接通；
[0021]僅電池有降溫需求，且環境溫度高于從電池換熱器流出的高溫制冷劑時:啟動壓縮機，電磁閥關閉，四通換向閥的B 口作為高溫高壓制冷劑出口，三通球閥二的B 口、C口接通，三通球閥一的A 口、B 口接通；
[0022]乘客艙和電池組都有降溫需求:在僅電池有降溫需求的基礎上(即環境溫度低于或高于從電池換熱器流出的高溫制冷劑兩件情況的操作基礎上)，兩個三通球閥變為全通；
[0023]乘客艙有加熱需求而電池組有降溫需求時:水栗開啟，三通球閥一的B 口和C口接通，三通球閥二的A 口和C 口接通，利用電池的散熱為乘客艙加熱。
[0024]乘客艙有降溫需求而電池組有加熱需求的情況基本不存在，所以不做特殊操作。
[0025]進一步的，電池熱管理系統中水栗、壓縮機的轉速控制為邏輯門配合PID，即在邏輯門的每個區間中由PID控制冷卻液流量與壓縮機轉速，當電池溫度低于20°C時熱栗空調啟用對電池組制熱，當電池溫度高于30 0C時電池組冷卻系統工作。
[0026]進一步的，電池組與乘客艙的加熱均是熱栗加熱。
[0027]本發明與現有技術相比，所具有的有益效果是:本發明與現有技術相比，所具有的有益效果是:
[0028]1、使整車的空調系統、電機電控系統、電池組熱管理系統三大熱管理系統的熱量能夠充分地互相利用，減少散熱加熱對電池能量的需求；
[0029]2、使用熱栗空調系統代替原有的制冷空調與PTC電加熱系統，可以將電池的加熱效率提升數倍；
[0030]3、電池箱中的相變材料可以最大限度地保證電池單體間的溫度均衡，并且在小功率運行時無需外界散熱；
[0031]4、分條件控制電池散熱方式，充分利用外界冷源減少整車熱管理系統能耗；
[0032]5、除電機電控系統因為降溫要求不高使用冷卻液冷卻外，主要的冷卻介質僅為制冷劑，設計簡單；
[0033]6、可以分別滿足電池與乘客艙加熱散熱的各種使用需求；
[0034]7、可以在保證駕乘舒適性的情況下盡量延長續航里程，延長電池系統的使用壽命，降低電動汽車電池系統的使用成本。
【附圖說明】
[0035]圖1一種電動汽車智能整車熱管理系統的結構示意圖；
[0036]圖2電池組熱管理控制流程圖。
【具體實施方式】
[0037]如圖1所示，一種電動汽車智能整車熱管理系統，由熱栗空調系統、電機電控冷卻系統和電池熱管理系統互相耦合組成；將電機電控冷卻系統、熱栗空調系統以及電池熱管理系統的散熱需求在冷凝器處相耦合，充分利用環境冷源給整車散熱。將電池組部分與熱栗空調部分在三通球閥處耦合，滿足電池大功率輸出時的電池散熱需求。將乘客艙加熱系統、電池加熱系統的管道相耦合，利用三通球閥改變加熱流體的流動方向從而實現各種條件的加熱以及熱量互相利用。比較電池組換熱器出口制冷劑溫度與外界環境的溫度，使用電磁閥控制電池組冷卻液是否與外界空氣進行換熱。使用四通換向閥、電磁閥、三通球閥滿足所有乘客艙、電池組的獨立、聯合或互相加熱冷卻的情況。
[0038]其中熱栗空調系統由車頭換熱器1、四通換向閥5、壓縮機6、乘客艙換熱器9、三通球閥一8、三通球閥二 1組成，其中壓縮機6入口與四通換向閥D 口相連，四通換向閥B 口與車頭換熱器I相連，四通換向閥C 口流經三通球閥一 8后與乘客艙換熱器9相連，車頭換熱器I和乘客艙換熱器9于三通球閥二 10處匯合；
[0039]電機電控冷卻系統由車頭換熱器1、電動機2、電控系統3、電機水栗4按順序串聯組成，其中從車頭換熱器I流出的低溫冷卻液將首先冷卻電控系統；
[0040]電池熱管理系統由車頭換熱器1、電磁閥7、水栗11、電池12、熱管13、電池換熱器14組成，包含兩個回路及電池箱，其中外回路由電磁閥7、車頭換熱器1、水栗11、電池換熱器14組成，內回路由水栗11、三通球閥一8、乘客艙換熱器9、三通球閥二 1、電池換熱器14組成，電池箱包括電池12和熱管13。
[0041 ]進一步的，電池組內部結構中熱管13橫插在每列電池之間，剩余空間以相變材料填充，電池組與熱管進行密封處理，電池組外殼為隔熱材料，只有熱管露出部分與外界換熱。
[0042]根據本發明的一個實施例，電池組熱管理系統的外部冷卻介質為空調制冷劑，并可以通過三通球閥一8、三通球閥二 1與熱栗空調系統相通。
[0043]根據本發明的一個實施例，所述的車頭換熱器具有三個進出水通道，內部管道獨立并且根據迎風順序排序為電池組制冷劑管道、空調制冷劑管道、電控系統冷卻液管道。
[0044]本發明還公開了一種所述系統的電動汽車智能整車熱管理方法，其具體如下:
[0045]I)僅電池有加熱需求時:壓縮機6開啟，四通換向閥5的C口作為高溫高壓制冷劑出口，三通球閥一8的A 口和B 口接通，電磁閥7關閉，三通球閥二 1的B 口和C 口接通；
[0046]2)僅乘客艙有加熱需求時:壓縮機6開啟，四通換向閥5的C 口作為高溫高壓制冷劑出口，三通球閥一8的A 口、C 口接通，電磁閥7關閉，三通球閥二 1的A 口、B 口接通；
[0047]3)乘客艙與電池都有加熱需求時:壓縮機6開啟，四通換向閥5的C口作為高溫高壓制冷劑出口，三通球閥一8全通，電磁閥7關閉，三通球閥二 10全通；
[0048]4)僅乘客艙有降溫需求時:壓縮機6開啟，四通換向閥5的B口作為高溫高壓制冷劑出口，三通球閥一8的A 口和C 口接通，電磁閥7關閉，三通球閥二 1的A 口和B 口接通；
[0049]5)僅電池有降溫需求，且環境溫度低于從電池換熱器14流出的高溫制冷劑時:水栗11開啟，電磁閥7開啟，三通球閥一 8的B 口關閉，三通球閥二 1的C 口關閉；若冷量不足則啟動壓縮機6，四通換向閥5的B 口作為高溫高壓制冷劑出口，三通球閥二 10的B 口和C口接通，三通球閥一8的A 口和B 口接通；
[0050]6)僅電池有降溫需求，且環境溫度高于從電池換熱器14流出的高溫制冷劑時:啟動壓縮機6，電磁閥7關閉，四通換向閥5的B口作為高溫高壓制冷劑出口，三通球閥二 10的B口、C 口接通，三通球閥一8的A 口、B 口接通；
[0051]7)乘客艙和電池組都有降溫需求:在5)和6)的基礎上兩個三通球閥變為全通；
[0052]8)乘客艙有加熱需求而電池組有降溫需求時:水栗11開啟，三通球閥一8的B口和C口接通，三通球閥二 1的A 口和C 口接通，利用電池的散熱為乘客艙加熱。
[0053]乘客艙有降溫需求而電池組有加熱需求的情況基本不存在，所以不做特殊操作。
[0054]如圖2所示，為電池組熱管理控制流程圖，電池熱管理系統中水栗、壓縮機的轉速控制為邏輯門配合PID，即在邏輯門的每個區間中由PID控制冷卻液流量與壓縮機轉速，當電池溫度低于20°C時熱栗空調啟用對電池組制熱，當電池溫度高于30°C時電池組冷卻系統工作。
[0055]根據本發明的一個實施例，電池組與乘客艙的加熱均是熱栗加熱。
【主權項】
1.一種電動汽車智能整車熱管理系統，由熱栗空調系統、電機電控冷卻系統和電池熱管理系統互相耦合組成； 其中熱栗空調系統由車頭換熱器(I)、四通換向閥(5)、壓縮機(6)、乘客艙換熱器(9)、三通球閥一 (8)、三通球閥二(10)組成，其中壓縮機(6)入口與四通換向閥D 口相連，四通換向閥B 口與車頭換熱器(I)相連，四通換向閥C 口流經三通球閥一 (8)后與乘客艙換熱器(9)相連，車頭換熱器(I)和乘客艙換熱器(9)于三通球閥二(10)處匯合； 電機電控冷卻系統由車頭換熱器(I)、電動機(2)、電控系統(3)、電機水栗(4)按順序串聯組成，其中從車頭換熱器(I)流出的低溫冷卻液將首先冷卻電控系統； 電池熱管理系統由車頭換熱器(I)、電磁閥(7)、水栗(II)、電池(12)、熱管(13)、電池換熱器(14)組成，包含兩個回路及電池箱，其中外回路由電磁閥(7)、車頭換熱器(I)、水栗(11)、電池換熱器(14)組成，內回路由水栗(11)、三通球閥一(8)、乘客艙換熱器(9)、三通球閥二(10)、電池換熱器(14)組成，電池箱包括電池(12)和熱管(13)。2.按照權利要求1所述的一種電動汽車智能整車熱管理系統，其特征在于電池組內部結構中熱管(13)橫插在每列電池之間，剩余空間以相變材料填充，電池組與熱管進行密封處理，電池組外殼為隔熱材料，只有熱管露出部分與外界換熱。3.按照權利要求1所述的一種電動汽車智能整車熱管理系統，其特征在于電池組熱管理系統的外部冷卻介質為空調制冷劑，并可以通過三通球閥一 (8)、三通球閥二(10)與熱栗空調系統相通。4.按照權利要求1所述的一種電動汽車智能整車熱管理系統，其特征在于所述的車頭換熱器具有三個進出水通道，內部管道獨立并且根據迎風順序排序為電池組制冷劑管道、空調制冷劑管道、電控系統冷卻液管道。5.按照權利要求1所述系統的電動汽車智能整車熱管理方法，其特征在于具體如下: 1)僅電池有加熱需求時:壓縮機(6)開啟，四通換向閥(5)的C口作為高溫高壓制冷劑出口，三通球閥一 (8)的A 口和B 口接通，電磁閥(7)關閉，三通球閥二( 1)的B 口和C 口接通； 2)僅乘客艙有加熱需求時:壓縮機(6)開啟，四通換向閥(5)的C口作為高溫高壓制冷劑出口，三通球閥一 (8)的A 口、C 口接通，電磁閥(7)關閉，三通球閥二( 1)的A 口、B 口接通； 3)乘客艙與電池都有加熱需求時:壓縮機(6)開啟，四通換向閥(5)的C口作為高溫高壓制冷劑出口，三通球閥一 (8)全通，電磁閥(7)關閉，三通球閥二( 1)全通； 4)僅乘客艙有降溫需求時:壓縮機(6)開啟，四通換向閥(5)的B口作為高溫高壓制冷劑出口，三通球閥一 (8)的A 口和C 口接通，電磁閥(7)關閉，三通球閥二( 1)的A 口和B 口接通； 5)僅電池有降溫需求，且環境溫度低于從電池換熱器(14)流出的高溫制冷劑時:水栗(II)開啟，電磁閥(7)開啟，三通球閥一(8)的B口關閉，三通球閥二(1)的C口關閉；若冷量不足則啟動壓縮機(6)，四通換向閥(5)的B口作為高溫高壓制冷劑出口，三通球閥二(10)的B 口和C 口接通，三通球閥一 (8)的A 口和B 口接通； 6)僅電池有降溫需求，且環境溫度高于從電池換熱器(14)流出的高溫制冷劑時:啟動壓縮機(6)，電磁閥(7)關閉，四通換向閥(5)的B口作為高溫高壓制冷劑出口，三通球閥二(10)的B 口、C 口接通，三通球閥一(8)的A 口、B 口接通； 7)乘客艙和電池組都有降溫需求:在5)和6)的基礎上兩個三通球閥變為全通； 8)乘客艙有加熱需求而電池組有降溫需求時:水栗(II)開啟，三通球閥一 (8)的B 口和C口接通，三通球閥二 (1)的A 口和C 口接通，利用電池的散熱為乘客艙加熱。6.按照權利要求5所述的電動汽車整車熱管理方法，其特征在于電池熱管理系統中水栗、壓縮機的轉速控制為邏輯門配合PID，即在邏輯門的每個區間中由PID控制冷卻液流量與壓縮機轉速，當電池溫度低于20°C時熱栗空調啟用對電池組制熱，當電池溫度高于30°C時電池組冷卻系統工作。7.按照權利要求5所述的一種電動汽車整車熱管理方法，其特征在于電池組與乘客艙的加熱均是熱栗加熱。
【文檔編號】B60H1/00GK106004337SQ201610523976
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年7月4日
【發明人】俞小莉, 嚴仁遠, 黃瑞, 王俊杰, 沈天浩
【申請人】浙江大學