一种基于相变蓄热的水环热泵型电动汽车热管理系统
阅读说明：本技术 一种基于相变蓄热的水环热泵型电动汽车热管理系统 (Water-loop heat pump type electric automobile heat management system based on phase change heat storage ) 是由 赵兰萍 郑钦月 鲍国 杨志刚 于 2021-07-14 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种基于相变蓄热的水环热泵型电动汽车热管理系统,采用相变蓄热技术和水环热泵技术耦合的方式,动力总成散热子系统的输出端连接至比例三通阀的输入端,比例三通阀的第一输出端连接至相变蓄热器的输入端,第二输出端连接至第二电磁阀的输入端,相变蓄热器的输出端连接至第二电磁阀的输入端。与现有技术相比,本发明可以高效回收系统产生的余热,并在合适的时候释放余热,克服能量在供需上存在的数量、形态和时间的差异。相变蓄热单元的增设不仅可以实现低温下高效制热,避免在低温下使用空气源热泵造成的结霜、热效率低、甚至无法运行等问题,还可以实现高温下高效冷却,从而减小前端散热器面积、降低风阻、提高续航里程。(The invention relates to a phase-change heat storage based water loop heat pump type electric automobile heat management system, which adopts a mode of coupling a phase-change heat storage technology and a water loop heat pump technology, wherein the output end of a power assembly heat dissipation subsystem is connected to the input end of a proportional three-way valve, the first output end of the proportional three-way valve is connected to the input end of a phase-change heat accumulator, the second output end of the proportional three-way valve is connected to the input end of a second electromagnetic valve, and the output end of the phase-change heat accumulator is connected to the input end of the second electromagnetic valve. Compared with the prior art, the invention can efficiently recover the waste heat generated by the system, release the waste heat at a proper time and overcome the difference of quantity, form and time of energy supply and demand. The additional arrangement of the phase change heat storage unit can realize efficient heating at low temperature, avoid the problems of frosting, low heat efficiency, even incapability of running and the like caused by using an air source heat pump at low temperature, and realize efficient cooling at high temperature, thereby reducing the area of a front-end radiator, reducing the wind resistance and improving the endurance mileage.)
技术领域
本发明涉及电动汽车热管理系统，尤其是涉及一种基于相变蓄热的水环热泵型电动汽车热管理系统。
背景技术
随着电动汽车的迅猛发展，其续航能力、电池寿命、安全性、舒适性、高效性等问题开始突显，成为掣肘电动汽车发展的重要因素。作为电动汽车核心组成部件，电池、电机、电控单元、空调系统与上述问题密切相关，而对其性能影响最大的因素是温度。电动汽车热管理系统是乘员舱、电池和动力总成的集成温控系统，主要分为三部分：乘员舱热管理子系统(空调制冷与制热)、电池热管理子系统(电池冷却与加热)、动力总成热管理子系统(电机与电控冷却)，作用是保证乘客的舒适度及驾驶安全，控制电池、电机、电控等动力部件工作在合理的温度范围内。因此，一套高性能热管理系统对增加续航里程、增加电池使用寿命、降低电池能耗、提升整车可靠性和舒适性起决定性作用。
对于电动汽车乘员舱热管理子系统，冬季低温制热是关键难点。与传统燃油车不同，电动汽车没有发动机余热为制热系统提供热源。目前，绝大部分电动汽车采用风热PTC电加热器进行制热，其能效比始终小于1，需要消耗电功率达5kW甚至以上才能保证车内热舒适要求，部分车型在采用风热PTC进行制热时续航里程衰减了30％～50％，严重增加了乘客里程焦虑。热泵系统能效比始终大于1，是替代风热PTC制热的优良方案。目前，绝大部分有关热泵系统应用于电动汽车的技术仅采用空气源热泵。然而，电动汽车采用空气源热泵会导致以下问题：
(1)压缩机在低温下吸气温度低，导致系统效率低、功耗大、制热性能差，在极端低温下甚至无法运行；
(2)车外蒸发器容易结霜甚至结冰，但除霜困难，严重影响换热效率；
(3)能量有效利用率低，无法有效利用电机、电控、电池产生的余热；
(4)舒适性差，除霜模式下需要切换到制冷模式，但除霜时间较长，严重影响热舒适性。
电池作为动力来源，对电动汽车动力性能、续航里程等性能起决定性作用。对于电池加热，一般仅采用水热PTC电加热器，但需要消耗大量电能；一些相关技术中仅利用电机余热，但电机余热无法满足所有行驶工况下电池加热的需求。
现有技术中，电动汽车热管理系统技术各个子系统相互独立、集成度低，导致车内空间利用率低，电机、电控发热量和电池余热未能得到有效利用。少数即使考虑到上述问题，但系统管路连接复杂、容易出故障、满足工况有限，对能量利用方式较为简单。另外，绝大部分电动汽车热管理系统技术缺乏一些必要场景应用的考虑，例如：高温下高效冷却、低温下高效制热、大功率行驶工况下余热存储、小功率行驶工况下存储余热释放等。
此外，对于电动汽车动力总成热管理子系统，首先，夏季高温下，绝大部分相关技术仅利用前端散热器冷却，然而，电机功率密度高、输出电压变化剧烈、发热量大，对冷却系统提出了更高要求。其次，冬季低温下，电机与电控的热量一般是靠低温散热器和风扇直接散失到空气中，并未得到充分利用。
发明内容
本发明的目的就是为了提供一种基于相变蓄热的水环热泵型电动汽车热管理系统。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种基于相变蓄热的水环热泵型电动汽车热管理系统，动力总成散热子系统、电池热管理子系统、乘员舱热管理子系统，还包括比例三通阀、相变蓄热器、第二电磁阀、水冷冷凝器和前端散热器，所述动力总成散热子系统的输出端连接至比例三通阀的输入端，所述比例三通阀的第一输出端连接至相变蓄热器的输入端，第二输出端连接至第二电磁阀的输入端，所述相变蓄热器的输出端连接至第二电磁阀的输入端，电池热管理子系统的输出端连接至第二电磁阀的输入端，所述第二电磁阀的输出端连接至前端散热器的输入端，所述前端散热器的输出端连接至水冷冷凝器的第一输入端并经由水冷冷凝器的第一输出端分别连接至动力总成散热子系统和电池热管理子系统的输入端，所述水冷冷凝器的第二输入端连接至乘员舱热管理子系统的输出端，第二输出端连接至乘员舱热管理子系统的输入端。
所述动力总成散热子系统包括第一水泵、电控模块和电机模块，所述第一水泵的输出端通过电控模块和电机模块后连接至比例三通阀的输入端。
所述系统还包括膨胀水箱，该膨胀水箱连接至水冷冷凝器和动力总成散热子系统之间的管路上。
所述电池热管理子系统包括第二水泵、电池模块和第一电磁阀，所述第二水泵的输出端连接至电池模块的输入端，所述电池模块的一个输出端连接至第一电磁阀的第一端，所述第一电磁阀的第二端分别连接至比例三通阀的第二输出端、相变蓄热器的输出端和第二电磁阀的输入端。
所述乘员舱热管理子系统包括车内蒸发器、车内冷凝器、电子压缩机、三通阀、车外冷却器、气液分离器、第一电子膨胀阀、流量调节阀和第二电子膨胀阀，所述电子压缩机的输出端连接至三通阀的输入端，输入端分别连接至气液分离器、车内蒸发器的输出端和车外冷却器的第一输出端，所述三通阀的第一输出端连接至水冷冷凝器的第二输入端，第二输出端连接至车内冷凝器的输入端，所述车内蒸发器的输入端通过第一电子膨胀阀连接至水冷冷凝器的第二输出端，并依次通过第一电子膨胀阀和流量调节阀连接至车内冷凝器的输出端，所述车内冷凝器的输出端还通过第二电子膨胀阀连接至车外冷却器的输入端。
所述乘员舱热管理子系统包括车内换热器、电子压缩机、三通阀、车外冷却器、气液分离器、第一电子膨胀阀、流量调节阀和第三电磁阀，所述电子压缩机的输出端连接至三通阀的输入端，输入端分别连接至气液分离器和车外冷却器的第一输出端，以及通过第三电磁阀连接车内换热器的第一端，所述三通阀的第一输出端连接至水冷冷凝器的第二输入端，第二输出端连接至车内换热器的第一端，所述车内换热器第二段通过第一电子膨胀阀连接至水冷冷凝器的第二输出端，并依次通过第一电子膨胀阀、流量调节阀和第二电子膨胀阀连接至车外冷却器的第一输入端。
所述电池热管理子系统还包括第三水泵，所述第三水泵设于第二水泵和电池模块之间，所述电池模块的输出端还连接至车外冷却器的第一端，所述第三水泵的输入端连接至车外冷却器的第二端，所述车外冷却器的第一端和第二端连通。
所述电池热管理子系统还包括热水电加热器，所述热水电加热器设于车外冷却器和第三水泵之间。
所述乘员舱热管理子系统还包括热风电加热器。
所述系统还包括与前端散热器配合的风扇。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1)增设了相变蓄热器，通过结合相变蓄热器和水环热泵的方式，可以克服能量在供需上存在的数量、形态和时间的差异，高效回收动力系统中各部件产生的余热，并在合适的时候释放余热，充分利用车内热源，实现电动汽车高效节能，由系统余热、少量电能提供低温热源。在极端低温工况下，水环热泵可以避免由空气源热泵造成的一系列问题。
2)可以满足极端高温、高温、常温、低温、极端低温五大环境工况及爬坡、高速、中低速三大行驶工况的需求，能够实现乘员舱内制冷、制热、除湿，满足乘客的舒适性需求，同时能够实现对电池、电机及电控等动力部件在不同工况下的温度控制，满足动力部件工作在合理的温度范围内。
3)采用水冷冷凝器作为制冷回路的放热装置，可以解决目前使用冷凝器普遍存在的体型较大、占用空间较多、不利于存放的问题。
4)电池热管理子系统配置两个水泵，可以在不同的工况下适当开启，从而更加节能。
5)由于相变蓄热单元的增设可以降低前端散热器负荷，可以减小前端散热器面积，从而减小迎风面积、降低风阻、提高续航里程。
附图说明
图1为本发明第一种实施方式的结构示意图；
图2为本发明第一种实施方式下常温工况示意图；
图3为本发明第一种实施方式下高温工况示意图；
图4为本发明第一种实施方式下极端高温工况示意图；
图5为本发明第一种实施方式下低温工况示意图；
图6为本发明第一种实施方式下极端低温工况示意图；
图7为本发明第二种实施方式的结构示意图；
其中：1、膨胀水箱，2、第一水泵，3、电控模块，4、电机模块，5、比例三通阀，6、相变蓄热器，7、前端散热器，8、风扇，9、水冷冷凝器，10、第二水泵，11、第三水泵，12、电池模块，13、热水电加热器，14、车外冷却器，15、第一电磁阀，16、气液分离器，17、电子压缩机，18、三通阀，19、第一电子膨胀阀，20、车内蒸发器，21、流量调节阀，22、车内冷凝器，23、第二电子膨胀阀，24、热风电加热器，25、第二电磁阀，26、车内换热器，27、第三电磁阀。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
一种基于相变蓄热的水环热泵型电动汽车热管理系统，如图1所示，动力总成散热子系统、电池热管理子系统、乘员舱热管理子系统，还包括比例三通阀5、相变蓄热器6、第二电磁阀25、水冷冷凝器9和前端散热器7，动力总成散热子系统的输出端连接至比例三通阀5的输入端，比例三通阀5的第一输出端连接至相变蓄热器6的输入端，第二输出端连接至第二电磁阀25的输入端，相变蓄热器6的输出端连接至第二电磁阀25的输入端，电池热管理子系统的输出端连接至第二电磁阀25的输入端，第二电磁阀25的输出端连接至前端散热器7的输入端，前端散热器7的输出端连接至水冷冷凝器9的第一输入端并经由水冷冷凝器9的第一输出端分别连接至动力总成散热子系统和电池热管理子系统的输入端，水冷冷凝器9的第二输入端连接至乘员舱热管理子系统的输出端，第二输出端连接至乘员舱热管理子系统的输入端。
增设了相变蓄热器6，通过结合相变蓄热器6和水环热泵的方式，可以克服能量在供需上存在的数量、形态和时间的差异，高效回收动力系统中各部件产生的余热，并在合适的时候释放余热，充分利用车内热源，实现电动汽车高效节能，由系统余热、少量电能提供低温热源。在极端低温工况下，水环热泵可以避免由空气源热泵造成的一系列问题。
在一些实施例中，动力总成散热子系统包括第一水泵2、电控模块3和电机模块4，第一水泵2的输出端通过电控模块3和电机模块4后连接至比例三通阀5的输入端。系统还包括膨胀水箱1，该膨胀水箱连接至水冷冷凝器9和动力总成散热子系统之间的管路上。
在一些实施例中，电池热管理子系统包括第二水泵10、电池模块12和第一电磁阀15，第二水泵10的输出端连接至电池模块12的输入端，电池模块12的一个输出端连接至第一电磁阀15的第一端，第一电磁阀15的第二端分别连接至比例三通阀5的第二输出端、相变蓄热器6的输出端和第二电磁阀25的输入端。
如图1所示，在一种实施方式下，乘员舱热管理子系统包括车内蒸发器20、车内冷凝器22、电子压缩机17、三通阀18、车外冷却器14、气液分离器16、第一电子膨胀阀19、流量调节阀21和第二电子膨胀阀23，电子压缩机17的输出端连接至三通阀18的输入端，输入端分别连接至气液分离器16、车内蒸发器20的输出端和车外冷却器14的第一输出端，三通阀18的第一输出端连接至水冷冷凝器9的第二输入端，第二输出端连接至车内冷凝器22的输入端，车内蒸发器20的输入端通过第一电子膨胀阀19连接至水冷冷凝器9的第二输出端，并依次通过第一电子膨胀阀19和流量调节阀21连接至车内冷凝器22的输出端，车内冷凝器22的输出端还通过第二电子膨胀阀23连接至车外冷却器14的输入端。
电池热管理子系统还包括第三水泵11，第三水泵11设于第二水泵10和电池模块12之间，电池模块12的输出端还连接至车外冷却器14的第一端，第三水泵11的输入端连接至车外冷却器14的第二端，车外冷却器13的第一端和第二端连通。电池热管理子系统还包括热水电加热器13，热水电加热器13设于车外冷却器14和第三水泵11之间。乘员舱热管理子系统还包括热风电加热器24。系统还包括与前端散热器7配合的风扇8。
下面以如图1所示的实施方式下，分别对应常温、高温、极端高温、低温、极端低温六大环境工况。
如图2所示，常温工况下，乘员舱不需要进行温度调节，关闭乘员舱热管理子系统。若处于中低速行驶工况，电池发热功率较小、不需要冷却，仅需对电机进行冷却，即仅运行动力总成热管理系统，开启第一水泵2，关闭第二水泵10和第一电磁阀15，冷却介质通过第一水泵2进入电控模块3和电机模块4带走热量，接着进入相变蓄热器6进行高效蓄热，降低前端散热器7散热负荷，在前端散热器7经由风扇8冷却，再次通过第一水泵2进入电机模块，循环往复。若处于爬坡或高速行驶工况，电池发热功率增大，即需要运行电池和动力总成热管理系统，开启第一水泵2、第二水泵10和第一电磁阀15，一路冷却介质通过第一水泵2进入电控模块3和电机模块4带走热量，接着进入相变蓄热器6进行高效蓄热，利用比例三通阀5调节进入相变蓄热器6的冷却介质流量，接着一路冷却介质通过第二水泵10进入电池模块12，然后两路冷却介质汇合后进入前端散热器7，经由风扇8对流换热冷却，接着继续分为两路，循环往复。
如图3所示，高温工况下，对于乘员舱热管理子系统，经过电子压缩机17压缩后的高温高压制冷剂气体在水冷冷凝器9中放热，放热冷却后的制冷剂经过第一电子膨胀阀19节流膨胀，节流后的低温制冷剂气体在车内蒸发器20中吸热，实现乘员舱制冷，随后制冷剂通过气液分离器16后回到电子压缩机17中，循环往复。若处于中低速行驶工况，电池发热功率较小、不需要冷却，仅需对电机进行冷却，即运行动力总成热管理系统及乘员舱热管理子系统，开启第一水泵2，关闭第二水泵10和第一电磁阀15，冷却介质通过第一水泵2进入电控模块3和电机模块4带走热量，接着进入相变蓄热器6进行高效蓄热，然后进入前端散热器7，经由风扇8对流换热冷却，在水冷冷凝器9中换热后再次通过第一水泵2进入电机模块，循环往复。若处于爬坡或高速行驶工况，电池发热功率增大，即需要运行三个系统；对于动力总成热管理系统和电池热管理子系统，开启第一水泵2、第二水泵10和第一电磁阀15，一路冷却介质通过第一水泵2进入电控模块3和电机模块4带走热量，进入相变蓄热器6进行高效蓄热，利用比例三通阀5调节进入相变蓄热器6的冷却介质流量，接着一路冷却介质通过第二水泵10进入电池模块12，然后两路冷却介质汇合后进入前端散热器7，经由风扇8对流换热冷却，在水冷冷凝器9中换热后接着继续分为两路，循环往复。
如图4所示，极端高温工况下，对于乘员舱热管理子系统，经过电子压缩机17压缩后的高温高压制冷剂气体在水冷冷凝器9中放热，放热冷却后的制冷剂经过第一电子膨胀阀19节流膨胀，节流后的低温制冷剂气体在车内蒸发器20中吸热，实现乘员舱制冷，随后制冷剂通过气液分离器16后回到电子压缩机17中，循环往复。若处于中低速行驶工况，电池发热功率较小，开启第一水泵2、第三水泵11和第一电磁阀15，一路冷却介质通过第一水泵2进入电控模块3和电机模块4带走热量，接着进入相变蓄热器6进行高效蓄热，一路冷却介质通过第三水泵11进入电池模块12，然后两路冷却介质汇合后进入前端散热器7，经由风扇8对流换热冷却，在水冷冷凝器9中换热后接着继续分为两路，循环往复，完成电池和动力总成热管理。若处于爬坡或高速行驶工况，电池发热功率增大，对于动力总成热管理系统，开启第一水泵2和第三水泵11，关闭第一电磁阀15和第二水泵11，冷却介质通过第一水泵2进入电控模块3和电机模块4带走热量，接着进入相变蓄热器6进行高效蓄热，随后进入前端散热器7，经由风扇8对流换热冷却，冷却水在水冷冷凝器9中换热后再次通过第一水泵2进入电机模块，循环往复；对于电池热管理子系统和乘员舱系统，在水冷冷凝器9中放热冷却后的制冷剂分为两路，一路经过第一电子膨胀阀19节流膨胀，节流后的低温制冷剂气体在车内蒸发器20中吸热，实现乘员舱制冷，另一路经过第二电子膨胀阀23节流膨胀，节流后的低温制冷剂气体在车外冷却器14中吸热，实现电池回路冷却，其中流量调节阀21调节进入车外冷却器14的制冷剂流量，随后两路制冷剂汇合通过气液分离器16后回到电子压缩机17中，循环往复。
如图5所示，低温工况下，关闭第二电磁阀25。对于乘员舱热管理子系统，经过电子压缩机17压缩后的高温高压制冷剂气体在车内冷凝器22放热，实现乘员舱制热，放热冷却后的制冷剂经过第二电子膨胀阀23节流膨胀，节流后的低温制冷剂气体在车外冷却器14中吸热，随后制冷剂通过气液分离器16后回到电子压缩机17中，循环往复；开启流量调节阀21，使一部分放热冷却后的制冷剂经第一电子膨胀阀19进入车内蒸发器20，实现除湿。若处于爬坡或高速行驶工况，电机和电池发热功率大，余热可以回收；对于电池和动力总成热管理系统，开启第一水泵2、第三水泵11和第一电磁阀15，通过第一水泵2进入电控模块3和电机模块4带走热量，接着利用比例三通阀5调节进入相变蓄热器6的冷却介质流量，在相变蓄热器6中存储余热，一路冷却介质通过第三水泵11进入电池模块12，随后冷却介质与电池回路冷却介质汇合通过车外冷却器14放热，然后冷却介质回到第一水泵2中，循环往复。若处于中低速工况，此时可以释放相变蓄热器6中储存的热量，对于动力总成热管理系统，开启第一水泵2、第三水泵10和第一电磁阀15，冷却介质通过第一水泵2进入电控模块3和电机模块4带走热量，接着利用比例三通阀5调节进入相变蓄热器6和旁通管路的冷却介质流量，释放爬坡或高速行驶工况下存储的热量，一路冷却介质通过第三水泵11进入电池模块12，随后冷却介质与电池回路冷却介质汇合通过车外冷却器14放热，然后冷却介质回到第一水泵2中，循环往复。
如图6所示，极端低温工况下，关闭第二电磁阀25。对于乘员舱热管理子系统，经过电子压缩机17压缩后的高温高压制冷剂气体在车内冷凝器22放热，实现乘员舱制热，放热冷却后的制冷剂经过第二电子膨胀阀23节流膨胀，节流后的低温制冷剂气体在车外冷却器14中吸收动力总成热管理和热水电加热器13的热量，随后制冷剂通过气液分离器16后再回到电子压缩机17中，循环往复，另外，开启热风电加热器28辅助加热；开启流量调节阀21，使一部分放热冷却后的制冷剂经第一电子膨胀阀19进入车内蒸发器20，实现除湿。此工况下，电池热量已经无法满足自身加热需求，需要对电池进行加热。因此，对于电池热管理子系统和动力总成热管理，开启第一水泵2、第二水泵11、热水电加热器13和第一电磁阀15，冷却介质通过第一水泵2进入电控模块3和电机模块4带走热量，接着通过比例三通阀5将蓄热器旁通，电池回路中冷却液通过第三水泵11进入电池模块12，与动力总成热管理回路的冷却介质汇合，在车外冷凝器14中放热，经过热水电加热器13分为两路，一路通过第一水泵2再次进入电机模块，一路通过第三水泵11进入电池模块12，循环往复。
如图7所示，在另一种实施方式下，乘员舱热管理子系统包括车内换热器26、电子压缩机17、三通阀18、车外冷却器14、气液分离器16、第一电子膨胀阀19、流量调节阀21和第三电磁阀27，电子压缩机17的输出端连接至三通阀18的输入端，输入端分别连接至气液分离器16和车外冷却器14的第一输出端，以及通过第三电磁阀27连接车内换热器26的第一端，三通阀18的第一输出端连接至水冷冷凝器9的第二输入端，第二输出端连接至车内换热器26的第一端，车内换热器26第二段通过第一电子膨胀阀19连接至水冷冷凝器9的第二输出端，并依次通过第一电子膨胀阀19、流量调节阀21和第二电子膨胀阀23连接至车外冷却器14的输入端，其第三电磁阀27来实现车内换热器26和电子压缩机17的输入端的连接的通断实现不同的工况的控制。具体的，车内仅设置一个车内换热器26，即车内换热器26在制冷模式下作为蒸发器，在制热模式下作为冷凝器。制冷模式下，打开第三电磁阀27；而在制热模式下，则需要关闭第三电磁阀27。
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