一种用于车辆热管理的跨临界CO2装置

一种用于车辆热管理的跨临界co2装置
技术领域
1.本实用新型属于新能源汽车热泵空调及热管理技术领域，特别涉及一种用于车辆热管理的跨临界co2装置。


背景技术：

2.电动汽车的续航里程强依赖于电池的充放电特性，而电池的充放电特性又受电池温度场的影响，对新能源汽车电池、电机、电控设备的精细化温度管理是保障其综合续航的有效手段；另一方面，电动汽车冬季制热缺少余热可以利用，当前冬季制热效率低，耗能高，成为电动车续航的又一制约；此外，电动汽车热管理系统领域还面临着强温室效应工质替代的问题。针对以上三个问题，跨临界co2热管理系统成为解决瓶颈问题的有效技术路线之一。
3.目前，现有车辆跨临界co2热管理系统的技术方案中均采用室内两个蒸发器串联后与电池换热冷板并联的方案，或是采用一个换热器作为蒸发器再与电池换热冷板并联，以实现电池的加热、冷却和乘员舱的制冷制热功能。然而，上述这种现有布置方式会造成电池和乘员舱的能量匹配困难，依靠并联支路节流阀进行能量调节，而电池换热冷板多采用二次回路(示例性的，乙二醇水溶液)，其具有非常大的热惯性，导致系统稳定性差、能量分配控制难。


技术实现要素：

4.本实用新型的目的在于提供一种用于车辆热管理的跨临界co2装置，以解决上述存在的一个或多个技术问题。具体的，本实用新型的装置可解决当前车辆跨临界co2热管理系统中电池和乘员舱的能量匹配困难、水路大滞后导致系统稳定性差控制难的技术问题；本实用新型通过提出新的配置结构，彻底放开了电池回路能量分配问题，可大幅增加系统稳定性。
5.为达到上述目的，本实用新型采用以下技术方案：
6.本实用新型提供的一种用于车辆热管理的跨临界co2装置，包括：压缩机、室外换热器、室内次换热器、室内主换热器、回热器、电池换热板、气液分离器、第一电磁阀、第二电磁阀、第三电磁阀、第四电磁阀、第五电磁阀、第一双向全通节流阀、第二双向全通节流阀、第三双向全通节流阀、第四双向全通节流阀、室外风机和室内鼓风机；
7.所述室内次换热器、室内主换热器和室内鼓风机置于空调箱内，所述空调箱设置有风门；所述室外风机用于乘员舱外提供室外换热器的强制对流风量；所述室内鼓风机用于空调箱内为乘员舱提供风量；
8.所述压缩机的出口经所述第一电磁阀、所述室外换热器与所述回热器的高压侧进口相连通；所述回热器的高压侧出口一路经所述电池换热冷板、所述第四双向全通节流阀与所述主换热器的进口相连通，所述回热器的高压侧出口另一路经所述第五电磁阀、所述第一双向全通节流阀与所述室内次换热器的进口相连通，所述主换热器的出口与所述室内
次换热器的出口汇合后，经所述第四电磁阀、所述气液分离器、所述回热器的低压侧与所述压缩机的进口相连通；其中，所述室内次换热器的出口与所述第四电磁阀之间设置有所述第二双向全通节流阀；
9.所述第二电磁阀一端连接在所述压缩机的出口和所述第一电磁阀中间，另一端连接在所述第五电磁阀和所述第一双向全通节流阀之间；所述第三电磁阀一端连接在所述室外换热器和所述第一电磁阀中间，另一端连接在所述气液分离器与所述第四电磁阀之间。
10.本实用新型系统的进一步改进在于，所述室内主换热器与所述室内次换热器之间设置有比例调节风门。
11.本实用新型系统的进一步改进在于，乘员舱制冷同时电池冷却模式时，所述第一电磁阀、所述第四电磁阀和所述第五电磁阀均打开，所述第二电磁阀和所述第三电磁阀均关闭；所述第二双向全通节流阀处于全通状态。
12.本实用新型系统的进一步改进在于，仅乘员舱制冷模式时，所述第一电磁阀、所述第四电磁阀和所述第五电磁阀均打开，所述第二电磁阀和所述第三电磁阀均关闭；所述第二双向全通节流阀处于全通状态；所述电池换热冷板的水路侧流量关闭。
13.本实用新型系统的进一步改进在于，仅电池冷却模式时，所述第一电磁阀和所述第四电磁阀均打开，所述第二电磁阀、所述第三电磁阀和所述第五电磁阀均关闭；所述第二双向全通节流阀处于全通状态；所述空调箱的风门以及所述室内鼓风机均关闭。
14.本实用新型系统的进一步改进在于，乘员舱制热同时电池加热模式时，所述第一电磁阀、所述第四电磁阀和所述第五电磁阀关闭，所述第二电磁阀和所述第三电磁阀均打开；所述第一双向全通节流阀、所述第二双向全通节流阀、所述第四双向全通节流阀均处于全通状态。
15.本实用新型系统的进一步改进在于，仅乘员舱制热模式时，所述第一电磁阀、所述第四电磁阀和所述第五电磁阀关闭，所述第二电磁阀和所述第三电磁阀均打开；所述第一双向全通节流阀、所述第二双向全通节流阀、所述第四双向全通节流阀均处于全通状态；所述电池换热冷板的水路侧流量关闭。
16.本实用新型系统的进一步改进在于，仅电池加热模式时，所述第一电磁阀、所述第四电磁阀和所述第五电磁阀关闭，所述第二电磁阀和所述第三电磁阀均打开；所述第一双向全通节流阀、所述第二双向全通节流阀、所述第四双向全通节流阀均处于全通状态；所述空调箱的风门以及所述室内鼓风机关闭。
17.本实用新型系统的进一步改进在于，除霜除雾模式时，所述第一电磁阀、所述第四电磁阀和所述第五电磁阀关闭，所述第二电磁阀和所述第三电磁阀均打开；所述第三双向全通节流阀基于预设情况处于全开或节流状态；所述第二双向全通节流阀处于节流状态；
18.化霜模式时，所述第一电磁阀和所述第四电磁阀均打开，所述第二电磁阀、所述第三电磁阀和所述第五电磁阀均关闭；所述第四双向全通节流阀处于全通状态；所述第三双向全通节流阀处于节流状态；所述空调箱的风门以及所述室内鼓风机关闭。
19.本实用新型系统的进一步改进在于，乘员舱制热同时电池余热回收模式时，所述第一电磁阀、所述第四电磁阀和所述第五电磁阀关闭，所述第二电磁阀和所述第三电磁阀均打开；所述第四双向全通节流阀处于节流状态。
20.与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果：
21.本实用新型提供的用于车辆热管理的跨临界co2装置，电池换热板始终与室内主换热器串联，可保证电池换热冷板内的co2工质均处于干度较小的状态，能够增加换热特性，可改善电池、乘员舱能量分配控制复杂性；可完全开放电池的取热量，从co2系统主动给电池分配能量转变为电池主动从co2系统吸收能量的转变。其中，室内主换热器和室内次换热在制冷模式下并联，可增加换热能力减小压降，提高系统性能；室内主换热器和室内次换热在制热模式下串联，可保障逆流换热，适应co2工质特性，提高系统性能。
22.本实用新型中，在室内主换热器和室内次换热器之间设置有比例调节风门，可以在乘员舱和电池同时有加热需求的工况下，通过比例调节风门的开启程度保障加热电池的水温。
附图说明
23.为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单的介绍；显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
24.图1是本实用新型实施例的一种用于车辆热管理的跨临界co2装置的示意图；
25.图中，1、压缩机；2、室外换热器；3、室内次换热器；4、室内主换热器；5、回热器；6、电池换热板；7、气液分离器；8、第一电磁阀；9、第二电磁阀；10、第三电磁阀；11、第四电磁阀；12、第一双向全通节流阀；13、第五电磁阀；14、第二双向全通节流阀；15、第三双向全通节流阀；16、电池换热板水路；17、室外风机；18、空调箱；19、第四双向全通节流阀；20、室内鼓风机；21、比例调节风门。
具体实施方式
26.为了使本技术领域的人员更好地理解本实用新型方案，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本实用新型保护的范围。
27.需要说明的是，本实用新型的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本实用新型的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
28.下面结合附图对本实用新型做进一步详细描述：
29.请参阅图1，本实用新型实施例的一种用于车辆热管理的跨临界co2装置，包括：压缩机 1、室外换热器2、室内次换热器3、室内主换热器4、回热器5、电池换热板6、气液分离器7、第一电磁阀8、第二电磁阀9、第三电磁阀10、第四电磁阀11、第五电磁阀13、第一双向全通
节流阀12、第二双向全通节流阀14、第三双向全通节流阀15、第四双向全通节流阀19、室外风机17、空调箱18和室内鼓风机20。
30.其中，室外换热器2是用于乘员舱外与空气进行热交换的换热装置；室内主换热器4是用于空调箱18内与空气进行热交换，以提高乘员舱合适的冷风或暖风的主要换热装置；室内次换热器3是用于空调箱18内与空气进行热交换，以提高乘员舱合适的冷风或暖风的次要换热装置；电池换热板6是用于给电池提供热管理所需要适宜温度冷水或热水的换热装置；室外风机17是用于乘员舱外提供室外换热器2的强制对流风量的装置；空调箱18是用于提供乘员舱舒适冷风或暖风的，可包括换热装置、风道及风门调节装置总成；室内鼓风机20是用于空调箱18内为乘员舱提供适宜风量的装置。
31.本实用新型实施例中，压缩机1的出口依次连接第一电磁阀8、室外换热器2、回热器5 的高压侧，后分为两路，一路经电池换热冷板、第四双向全通节流阀19、室内主换热器4，另一路经第五电磁阀13、第一双向全通节流阀12、室内次换热器3、第二双向全通节流阀14，两路汇合后经第四电磁阀11、气液分离器7、回热器5的低压侧后流回压缩机1。第二电磁阀 9一端连接在压缩机1和第一电磁阀8中间，另一端连接在第五电磁阀13和第一双向全通节流阀12中间。第三电磁阀10一端连接在室外换热器2和第一电磁阀8中间，另一端连接在气液分离器7与第四电磁阀11中间。
32.本实用新型实施例提供的用于车辆热管理的跨临界co2装置，电池换热板始终与室内主换热器串联，可保证电池换热冷板内的co2工质均处于干度较小的状态，增加换热特性；可改善电池、乘员舱能量分配控制复杂性；可完全开放电池的取热量，从co2系统主动给电池分配能量转变为电池主动从co2系统吸收能量的转变。另外，室内主换热器和室内次换热器在制冷模式下并联，可增加换热能力减小压降，提高系统性能；室内主换热器和室内次换热器在制热模式下串联，可保障逆流换热，适应co2工质特性，提高系统性能。
33.本实用新型实施例中，在室内主换热器4和室内次换热器3之间设置有比例调节风门21，可以在乘员舱和电池同时有加热需求的工况下，通过比例调节风门21的开启程度保障加热电池的水温。
34.本实用新型实施例提供的用于车辆热管理的跨临界co2装置，包含乘员舱制冷与电池冷却模式、仅乘员舱制冷模式、乘员舱制热与电池制热模式、仅乘员舱制热模式、仅电池冷却模式、仅电池加热模式、除霜除雾模式、乘员舱制热与电池余热回收模式。
35.本实用新型实施例具体的，乘员舱制冷与电池冷却模式为：第一电磁阀8、第四电磁阀11、第五电磁阀13打开，第二电磁阀9、第三电磁阀10关闭，co2工质经压缩机1压缩后经第一电磁阀8、室外换热器2、回热器5的高压侧，后分为两路，一路经第三双向全通节流阀15、电池换热板6、第四双向全通节流阀19、室内主换热器4，另一路经第五电磁阀13、第一双向全通节流阀12、室内次换热器3、第二双向全通节流阀14，两路汇合后经第四电磁阀11、气液分离器7、回热器5的低压侧后流回压缩机1。第二双向全通节流阀14处于全通状态。
36.本实用新型实施例具体的，仅电池冷却模式为：第五电磁阀13关闭，其余co2侧的阀件状态与乘员舱制冷与电池冷却模式相同，流路也相同。在该模式下，关闭室外风机17并关闭空调箱18的所有风门。
37.本实用新型实施例具体的，仅乘员舱制冷模式为：co2侧的阀件状态与乘员舱制冷与电池冷却模式相同，流路也相同。在该模式下，通过关闭电池换热板水路16流量实现。
38.本实用新型实施例具体的，乘员舱制热与电池加热模式为：第一电磁阀8、第四电磁阀11、第五电磁阀13关闭，第二电磁阀9、第三电磁阀10打开，co2工质经压缩机1压缩后经第二电磁阀9、第一双向全通节流阀12流入室内次换热器3，后经第二双向全通节流阀14流入室内主换热器4实现乘员舱的加热功能，自室内主换热器4经第四双向全通节流阀19流入电池换热冷板，进一步给电池加热，后经第三双向全通节流阀15节流降压降温进入室外换热器2 吸收空气热量，经第三电磁阀10、气液分离器7流入压缩机1，完成一个循环。第一双向全通节流阀12和第二双向全通节流阀14、第四双向全通节流阀19均处于全通状态。
39.本实用新型实施例具体的，仅电池加热模式为：co2侧的阀件状态与乘员舱制热与电池加热模式相同，流路也相同。在该模式下，通过关闭室外风机17并关闭空调箱18的所有风门实现。
40.本实用新型实施例具体的，仅乘员舱制热模式为：co2侧的阀件状态与乘员舱制热与电池加热模式相同，流路也相同。在该模式下，通过关闭电池换热板水路16流量实现。
41.本实用新型实施例具体的，除霜除雾模式为：co2侧的阀件状态与乘员舱制热与电池加热模式相同，流路也相同。在该模式下，第三双向全通节流阀15视具体情况决定处于全开或节流状态，与需求除湿量的大小相关。第二双向全通节流阀14处于节流状态，降温降压，实现主换热器冷却除湿。
42.本实用新型实施例具体的，化霜模式为：第一电磁阀8、第四电磁阀11打开，第二电磁阀9、第三电磁阀10、第五电磁阀13关闭，co2工质经压缩机1压缩后经第一电磁阀8、室外换热器2、回热器5的高压侧，后经第三双向全通节流阀15、电池换热板16、第四双向全通节流阀19、主换热器，经第四电磁阀11、气液分离器7、回热器5的低压侧后流回压缩机1。第四双向全通节流阀19处于全通状态，第三双向全通节流阀15处于节流状态。室内鼓风机 20以及空调箱18风门处于关闭状态。该模式下co2工质可以吸收来自电池换热冷板的热量，达到快速化霜的目的。
43.本实用新型实施例具体的，乘员舱制热与电池余热回收模式为：co2侧的阀件状态与乘员舱制热与电池加热模式相同，流路也相同。在该模式下，第四双向全通节流阀19处于节流状态，实现对电池热量的回收。这里依然可以通过水路的切换实现对电池、电机等余热的同时回收，水路的切换为常规操作方式。
44.本实用新型实施例的一种上述用于车辆热管理的跨临界co2装置的控制方法，包括以下步骤：
45.记录电池换热冷板靠近第四双向全通节流阀19一端的co2温度为t1，室内主换热器4 制冷模式下的出口co2温度为t3，空调箱18的出风温度为t2，室内次换热器3制冷模式下的出口温度为t4，电池换热板6的出水温度为t5，出水为管路16，压缩机1的排气压力为p。
46.乘员舱制冷与电池冷却模式的控制方法为：第三双向全通节流阀15与t1建立pid调节关系，第四双向全通节流阀19与室内主换热器4的预设出口过热度建立调节关系，即保证t4 的温度始终为当地压力对应保温温度加x度，x为预设出口过热度(示例性的，x的推荐值为 5)，从而保证次室内换热器处于微两相状态，增加室内次换热器3的换热能力。由于室内次换热器3的处于风侧下游，换热温差小。第一双向全通节流阀12与压缩机1排气压力p建立pid 调节关系，压缩机1的转速与空调箱18的出风温度建立pid调节关系。
47.仅电池冷却模式的控制方法为：第三双向全通节流阀15与排气压力p建立pid调节
关系，压缩机1与t5建立调节关系。t5的具体值与电池的状态相关，在10～30℃范围内依据电池的实际状态选择。
48.仅乘员舱制冷模式的控制方法为：第一双向全通节流阀12与出风温度t2建立pid调节关系，压缩机1与排气压力p建立pid调节关系，第三双向全通节流阀15与室内主换热器4 的预设出口过热度建立调节关系，即保证t4的温度始终为当地压力对应饱和温度加x度，x 为预设过热度(示例性的，x推荐值为5)，第四双向全通节流阀19处于全通状态，关闭流经电池换热冷板的水路流量，关闭的方法即可以通过关闭水泵实现，也可以通过切换或旁通水路流量实现，具体视实际系统的电池、电机冷却水路为准。
49.乘员舱制热与电池加热模式的控制方法为：由于电池换热冷板在加热模式处于室内主换热器4的下游，容易因进风温度低产生的室内主换热器4出口co2工质温度低，而导致无法加热电池的现象。因此，比例调节风门21与t1建立pid条件关系，通过间接减少hvac内室内主换热器4和是室内次换热器3的换热能力，从而改变主换热器的出口co2工质温度t1与进风温度的换热温差，以达到控制t1实现对电池加热的功能，t1的推荐值为45℃。压缩机1 与t2建立pid调节控制关系，第三双向全通节流阀15与排气压力p建立pid调节控制关系。当比例调节风门21完全关闭后，t1还不能达到目标值时，进入选择模式，若电池加热仍处于优先级，此时将hvac内的鼓风机转速调为自动调节具有优先级，并每隔5分钟降低一挡风量，至t1满足温度需求；若电池已不处于急需加热的状态，则维持比例调节风门21完全关闭的状态进行运行。
50.仅电池加热模式的控制方法为：第三双向全通节流阀15与排气压力p建立pid调节关系，压缩机1与t5建立调节关系。
51.仅乘员舱制热模式的控制方法为：压缩机1与t2建立pid调节控制关系，第三双向全通节流阀15与排气压力p建立pid调节控制关系，第四双向全通节流阀19处于全通状态，关闭流经电池换热冷板的水路流量，关闭的方法即可以通过关闭水泵实现，也可以通过切换或旁通水路流量实现，具体视实际系统的电池、电机冷却水路为准。
52.除霜除雾模式的控制方法为：压缩机1与t2建立pid调节控制关系，t2为目标量，第二双向全通节流阀14与t1建立pid调节控制关系，t1的推荐值为0℃，并监控排气压力p的值，若排气压力p值超过14mpa后t1仍达不到控制目标，则关闭室外风机17，并关闭车前端的进风格栅，保证没有风进过室外换热器2。
53.化霜模式的控制方法为：第四双向全通节流阀19处于全通状态，第三双向全通节流阀15 的开度调节为全开度值的百分之75％，关闭室外风机17，并关闭车前端的进风格栅，保证没有风进过室外换热器2，关闭室内鼓风机20。若电池的温度大于10℃，则在化霜启动前开启电池换热冷板的水路流量，在化霜阶段利用电池的余热进行化霜。
54.乘员舱制热与电池余热回收模式的控制方法为：启动该模式后，关闭室外风机17，并关闭车前端的进风格栅，压缩机1与t2建立调节关系，保障送风温度，第四双向全通节流阀19 与排气压力p建立pid控制关系，保障性能，第三双向全通节流阀15处于全通状态，并监测 t1位置的温度；当t1温度小于设定值时t01，t01推荐设定值为8℃，具体根据电池实际能力可以做调整，开启闭风机，并开启车前端的进风格栅，将第三双向全通节流阀15改为与排气压力p建立pid调节关系，第四双向全通节流阀19改为与排气压力t1建立pid控制关系，压缩机1的控制关系保持不变。其中，乘员舱制热与电池余热回收模式的控制中，在当t1温
度小于设定值时t01，开启闭风机，并开启车前端的进风格栅前，前先断开第四双向全通节流阀19与排气压力p建立pid控制关系，并将双向全通节流阀的开度增加原有开度的10％，并保持定开度运行n分钟，n的推荐者为3，之后，闭风机，并关闭车前端的进风格栅前进行更改控制逻辑，保证切换过程的稳定性。
55.乘员舱制冷+电池冷却、仅乘员舱制冷、仅电池冷却模式下，始终检测t4的温度值，当 t4的温度值小于2℃时候，将室内鼓风机转速增加一挡，若电池换热冷板水路流量届时处于开启状态，则增加水路流量20％，其余保持届时的控制方式控制。以防止室内次换热器、主换热器出现因蒸发温度低于0℃而产生结霜结冰。乘员舱制冷与电池冷却控制模式下，最优排气压力p值得标定，与t1、t3、t4值以及室外换热器的出口温度相关。仅乘员舱制冷控制模式下，最优排气压力p值得标定，与t3、t4值以及室外换热器的出口温度相关。仅电池冷却控制模式下，最优排气压力p值得标定，与t5值以及室外换热器的出口温度相关。乘员舱制热与电池加热以及仅电池加热的控制模式下，最优排气压力p值得标定，与电池换热冷板靠近第三双向全通节流阀一侧的co2工质出口温度以及环境温度相关。乘员舱制热与余热回收的控制方式下，在开启闭风机，并开启车前端的进风格栅前，最优排气压力p值的标定与室内主换热器靠近第四双向全通节流阀一端的co2出口温度、t1值相关；在开启闭风机，并开启车前端的进风格栅后，最优排气压力p值的标定与室内主换热器靠近第四双向全通节流阀一端的 co2出口温度、t1、环境温度值相关。
56.本实用新型公开一种车辆二氧化碳热管理装置及其控制方法，所述系统第一双向全通节流阀、室内次换热器、第二双向全通节流阀依次串联为一路；第三双向全通节流阀、电池换热板、第四双向全通节流阀、室内主换热器依次串联为一路；两路形成大并联，并在第一双向全通节流阀和第三双向全通节流阀之间设置有第五电磁阀。通过电池换热冷板和室内主换热器的串联，实现电池能量由传统方案由系统侧主动分配到电池水侧按需索取的转变，通过主换热器出口过热度的控制解决水路大滞后导致在能量分配控制中产生的系统控制延迟、稳定性差的问题。本实用新型通过系统布局和合理的控制方法，保障制冷、制热均适应co2的换热特性，保障性能，同时保障了控制的稳定性。
57.最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本实用新型进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本实用新型的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本实用新型精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本实用新型的权利要求保护范围之内。