一种纯电动商用车整车热管理系统及方法与流程

1.本发明涉及电动汽车整车热管理领域，尤其涉及一种纯电动商用车整车热管理系统及方法。


背景技术：

2.当前区别于传统的内燃机汽车，电动汽车的整车热特性随动力系统的改变发生了很大变化。纯电动汽车的整车热管理不仅要满足乘员舱舒适驾乘的要求，还要通过电动机、电池、制冷单元、热泵单元等各部分间热量的转移，实现整车热量的统一管理，维持各部件始终处于安全的工作温度。
3.现阶段纯电动商用车的热管理未能实现整车系统性的热量管理。存在但不局限于以下问题：
4.a)电池包热管理系统为独立模块，即该模块拥有独立的制冷和ptc加热装置，导致整车存在除驾驶室hvac(供热、通风与空气调节)系统制冷装置外的第二套制冷装置，造成整车部件冗余、成本增加；
5.b)驾驶室冬季采暖近依赖于水暖或风暖ptc加热器，直接导致冬季电动车的续航历程缩减20％左右；
6.c)现有的装有热泵的纯电动商用车，其热泵单元直接从外界环境吸热，效率较低，制热效果不佳；
7.d)冬季电池包在低功率状态下完全依赖电池模块的ptc对电池进行加热，造成电池电量的额外消耗；
8.e)电动机散热系统(包含逆变器、充电器、电机控制器等)的热量直接通过散热器排到外界环境中，造成热量的浪费。


技术实现要素：

9.本发明提供一种纯电动商用车整车热管理系统，系统从整车角度出发，实现整车热量的统一管理。
10.系统包括：hvac子系统；hvac子系统包括：压缩机、制冷三通阀、冷凝器、膨胀阀、蒸发器、电池以及热泵；
11.压缩机的第一端通过制冷三通阀的a端口和b端口与冷凝器输入端连接；压缩机的第一端还通过制冷三通阀的a端口和c端口与热泵的制冷剂输入端连接；
12.冷凝器的输出端和热泵的制冷剂输出端分别与膨胀阀的输入端连接；膨胀阀的输出端分别与电池的制冷剂输入端和蒸发器的输入端连接；电池的制冷剂输出端和蒸发器的输出端分别与压缩机的第二端连接。
13.进一步需要说明的是，还包括：电池热管理子系统；
14.电池热管理子系统包括：液冷电池包、四通阀、第一水泵、电池比例三通阀以及第一水加热器；
15.液冷电池包输出端通过四通阀的c端和b端与第一水泵输入端连接；第一水泵输出端通过电池比例三通阀的a端和c端与电池的冷却液输入端连接；电池的冷却液输出端通过第一水加热器与液冷电池包输入端连接。
16.进一步需要说明的是，还包括：电动机散热子系统；
17.电动机散热子系统包括：电动机、散热器比例三通阀、散热器模块以及第二水泵；
18.电动机输出端通过散热器比例三通阀的a端和b端与散热器模块输入端连接；散热器模块输出端通过四通阀的a端和d端与第二水泵输入端连接；第二水泵输出端与电动机连接；
19.四通阀的工作模式为a端和b端连通，c端和d端连通。
20.进一步需要说明的是，电动机输出端通过散热器比例三通阀的a端和c端与热泵的冷却液输入端连接；热泵的冷却液输出端和散热器模块输出端分别通过四通阀的a端和d端与第二水泵输入端连接；第二水泵输出端与电动机连接。
21.进一步需要说明的是，蒸发器设置在驾驶室内，驾驶室内还设有暖风子系统；
22.暖风子系统包括：暖芯、第三水泵以及第二水加热器；
23.暖芯输出端与第二水加热器输入端连接，第二水加热器输出端与第三水泵输入端连接第三水泵输出端与暖芯输入端连接；第二水加热器对冷却液进行加热，并通过暖芯对驾驶室进行供暖。
24.进一步需要说明的是，hvac子系统中使用的制冷剂包括但不限于r134a、r407c、r1234yf、co2等；
25.电池包热管理子系统使用的冷却液包括但不限于乙二醇/水溶液。
26.本发明还提供一种纯电动商用车整车热管理方法，方法包括：蒸发器中的低温、低压制冷剂从驾驶室中吸收热量，经过压缩机变为高温、高压制冷剂，经过制冷三通阀的a端口和b端口，流入冷凝器，并向外界环境排放热量变为中温、高压制冷剂，再经过膨胀阀变为低温、低压制冷剂，使驾驶室内的温度处于预设温度范围；
27.经过膨胀阀变为低温、低压的制冷剂在通过电池，从电池中吸收热量，使电池运行在预设的温度范围内；
28.再流回压缩机变为高温、高压制冷剂。
29.进一步需要说明的是，方法还包括：冷却液吸收液冷电池包产生的热量，依次通过四通阀的c端和b端、第一水泵、电池比例三通阀的a端和c端进入电池，将热量传递给电池，并与电池的低温、低压的制冷剂进行热量交换；
30.热量交换后的冷却液通过第一水加热器回流到液冷电池包。
31.进一步需要说明的是，方法还包括：冷却液从电动机吸收热量，通过散热器比例三通阀的a端和b端，流入散热器模块对冷却液进行冷却，冷却后的冷却液通过四通阀的a端和d端以及第二水泵流回电动机，对电动机进行冷却。
32.进一步需要说明的是，冬季行车工况下，电动机自然散热的同时，流出电动机的冷却液流入热泵
33.冷却液从电动机吸收热量，一部分经过散热器比例三通阀的a端和c端将热量传递给热泵，与热泵中的低温、低压制冷剂换热；
34.热泵中的制冷剂从冷却液吸收热量后，经过制冷三通阀的a端口和c端口，流回到
压缩机变为高温、高压制冷剂；
35.压缩机将高温、高压制冷剂输出至蒸发器向驾驶室放热变为中温、高压制冷剂，经过膨胀阀变为低温、低压制冷剂，再通过冷凝器以及制冷三通阀的b端口和a端口流回到压缩机变为高温、高压制冷剂。
36.从以上技术方案可以看出，本发明具有以下优点：
37.本发明提供的纯电动商用车整车热管理系统减少了压缩机、蒸发器、冷凝器等部件的冗余，节省了电池包冷却模块的成本；在整车能效比方面，提高了车辆整车的能力利用率，特别是在冬季，有效利用了电机废热，在冬季可将驾驶室采暖的耗电功率从10kw将至3kw，大大提高了车辆的行驶里程；在驾驶室舒适性方面，提高了驾驶室冬季的采暖效果。
38.本发明利用热泵系统通过从电动机冷却液循环回路中吸收热量，转移至驾驶室进行制暖，避免冬季纯电动商用车续航里程大大缩减、驾驶室制暖效果不佳的问题，
39.本发明使用两位四通阀的串联模式，实现电机等产生的热量对电池包进行加热，解决了冬季电池包在低功率状态下，仅依赖于内置ptc加热造成电量浪费的问题，
附图说明
40.为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，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。
41.图1为纯电动商用车整车热管理系统示意图；
42.图2为电动机自然散热以及空调同时为驾驶室和电池包提供冷量示意图；
43.图3为电动机散热后的余热为电池包加热的示意图；
44.图4为电动机冷却液回路吸热为驾驶室提供热量示意图；
45.图5为冬季驻车工况下的系统运行实施例示意图。
46.附图标记说明：
47.1-压缩机，2-制冷三通阀，3-冷凝器，4-膨胀阀，5-蒸发器，6-电池，7-热泵，8-第三水泵，9-第二水加热器，10-暖芯，11-液冷电池包，12-四通阀，13-第一水泵，14-电池比例三通阀，15-第一水加热器，16-电动机，17-散热器比例三通阀，18-散热器模块，19-第二水泵。
具体实施方式
48.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
49.如图1所示，本发明提供的纯电动商用车整车热管理系统主要涉及hvac子系统、电动机散热子系统以及电池热管理子系统，三个子系统各自独立的同时也相互配合，交换热量，提升整车资源管理利用率，从整车角度出发，实现整车热量的统一管理。
50.本发明提供的纯电动商用车整车热管理系统首先针对现阶段纯电动商用车电池包和驾驶室hvac系统两套制冷装置冗余的问题，采用一套制冷系统同时为电池包和驾驶室供冷。hvac是heating,ventilation and air conditioning的英文缩写，就是供热通风与
空气调节。
51.还针对冬季纯电动商用车续航里程大大缩减、驾驶室制暖效果不佳的问题，本发明利用热泵系统通过从电动机冷却液循环回路中吸收热量，转移至驾驶室进行制暖。
52.还针对冬季电池包在低功率状态下，仅依赖于内置ptc加热造成电量浪费的问题，本发明使用两位四通阀的串联模式，实现电机等产生的热量对电池包进行加热。
53.本发明在实现空调功能时，系统主要运行的部件为压缩机、制冷三通阀、冷凝器、膨胀阀、蒸发器所组成的第一空调制冷循环以及压缩机、制冷三通阀、冷凝器、膨胀阀、电池所组成的第二空调制冷循环。
54.本发明在实现热泵功能时，系统主要运行的部件为压缩机、蒸发器、膨胀阀、热泵、制冷三通阀所组成的热泵循环。空调系统和热泵系统各部件的连接方式如下：压缩机可分别与制冷三通阀的a端口和蒸发器的输出端连接，以满足制冷剂的正流和反流，实现热泵模式和制冷模式。
55.本发明在实现暖风功能时，系统主要运行的部件为水泵、第二水加热器、暖芯组成。
56.本发明所表述的电池包冷却液回路或电池包热管理系统指液冷电池包、四通阀、第一水泵、电池比例三通阀、电池、第一水加热器组成的系统。
57.本发明所表述的电动机冷却液回路或电动机散热系统指电动机、散热器比例三通阀、热泵、散热器模块、四通阀、第二水泵组成的系统。
58.具体来讲，本发明系统中的hvac子系统包括：压缩机1、制冷三通阀2、冷凝器3、膨胀阀4、蒸发器5、电池6以及热泵7；
59.压缩机1的第一端通过制冷三通阀2的a端口和b端口与冷凝器3输入端连接；压缩机1的第一端还通过制冷三通阀2的a端口和c端口与热泵7的制冷剂输入端连接；冷凝器3的输出端和热泵7的制冷剂输出端分别与膨胀阀4的输入端连接；膨胀阀4的输出端分别与电池6的制冷剂输入端和蒸发器5的输入端连接；电池6的制冷剂输出端和蒸发器5的输出端分别与压缩机1的第二端连接。
60.压缩机1的第一端和第二端可以根据实际运行需要，输入端和输出端来使用。本发明所表述的“连接”含义为制冷剂或冷却液管道的物理连接。
61.本发明的压缩机为电动压缩机，包括但不局限于电动涡旋压缩机；制冷三通阀为两位三通阀，可以实现a-b或a-c流路的切换；冷凝器为风冷式换热器，包括但不局限于管带式紧凑换热器，仅有1条制冷剂换热管道；膨胀阀包括但不局限于热力膨胀阀、电子膨胀阀；蒸发器为风冷式换热器，包括但不局限于管带式紧凑换热器，仅有1条制冷剂换热管道；电池为水冷式换热器，有两条换热管道，具体为制冷剂换热管道和冷却液换热管道；热泵chiller为水冷式换热器，有两条换热管道，具体为制冷剂换热管道和冷却液换热管道。
62.本发明涉及的电池热管理子系统包括：液冷电池包11、四通阀12、第一水泵13、电池比例三通阀14以及第一水加热器15；
63.液冷电池包11输出端通过四通阀12的c端和b端与第一水泵13输入端连接；第一水泵13输出端通过电池比例三通阀14的a端和c端与电池6的冷却液输入端连接；电池6的冷却液输出端通过第一水加热器15与液冷电池包11输入端连接。
64.作为本发明的电动机散热子系统包括：电动机16、散热器比例三通阀17、散热器模
块18以及第二水泵19；电动机16输出端通过散热器比例三通阀17的a端和b端与散热器模块18输入端连接；散热器模块18输出端通过四通阀12的a端和d端与第二水泵19输入端连接；第二水泵19输出端与电动机16连接；四通阀12的工作模式为a端和b端连通，c端和d端连通。
65.电动机16输出端通过散热器比例三通阀17的a端和c端与热泵7的冷却液输入端连接；热泵7的冷却液输出端和散热器模块18输出端分别通过四通阀12的a端和d端与第二水泵19输入端连接；第二水泵19输出端与电动机16连接。
66.本发明为了对驾驶室内的温度进行调节，驾驶室内设置暖风子系统；蒸发器5设置在驾驶室内，暖风子系统包括：暖芯10、第三水泵8以及第二水加热器9；暖芯10输出端与第二水加热器9输入端连接，第二水加热器9输出端与第三水泵8输入端连接第三水泵8输出端与暖芯10输入端连接；第二水加热器9对冷却液进行加热，并通过暖芯10对驾驶室进行供暖。
67.其中，第三水泵8为电驱动水泵，可附带水箱；第二水加热器9为水暖示热敏电阻加热器；暖芯10为风冷式换热器，可自带电子风扇，仅有1条冷却液换热管道；液冷电池包11指内置冷却液流道的电池包；四通阀12为两位四通阀，可以实现a-b和c-d以及a-d和b-c两种模式切换，第一水泵13为电驱动水泵，可附带水箱；电池比例三通阀14为比例三通阀，可实现a-b或a-c全开模式，或a-b和a-c间比例开度模式，用以实现调节a-b和a-c两流路间的流量；第一水加热器15为水暖示热敏电阻加热器；电动机16为液冷电动机，可附带电机控制器、逆变器、充电器等部件，附带部件与电动机在冷却液回路中为串联连接；散热器比例三通阀17为比例三通阀，可实现a-b或a-c全开模式，或a-b和a-c间比例开度模式，用以实现调节a-b和a-c两流路间的流量；散热器模块18为风冷式散热器，包括但不局限于管带式换热器，可自带电子风扇，仅有1条冷却液换热管道；第二水泵19为电驱动水泵。
68.本发明涉及的系统中设计了两种循环工质，即为制冷剂和冷却液。空调及热泵运行过程使用的制冷剂包括但不限于r134a、r407c、r1234yf、co2等；电池、电动机、暖风回路使用得冷却液包括但不限于乙二醇/水溶液。
69.如图2至5所示，基于上述纯电动商用车整车热管理系统，本发明还提供纯电动商用车整车热管理方法，方法包括：蒸发器5中的低温、低压制冷剂从驾驶室中吸收热量，经过压缩机1变为高温、高压制冷剂，经过制冷三通阀2的a端口和b端口，流入冷凝器3，并向外界环境排放热量变为中温、高压制冷剂，再经过膨胀阀4变为低温、低压制冷剂，使驾驶室内的温度处于预设温度范围20℃-25℃。
70.经过膨胀阀4变为低温、低压的制冷剂在通过电池6，从电池6中吸收热量，使电池6运行在预设的温度范围内；之后再流回压缩机1变为高温、高压制冷剂。
71.本发明的纯电动商用车的热管理系统在不同季节、不同工况下有多种工作模式，各模式下响应单元不同，包含但不限于图2、图3、图4、图5所展示的4种典型工况。如图2示例性展示的工况为夏季行车工况下，电动机自然散热可满足自身的温度要求，空调系统同时为驾驶室和电池包提供冷量。图2工况中，响应为空调的制冷剂回路、电池包冷却液回路和电动机冷却液回路。空调单元第一制冷剂回路的功能为：蒸发器5中的低温、低压制冷剂从驾驶室中吸收热量，经过压缩机1变为高温、高压制冷剂，经过制冷三通阀2的a-b流路，再经过冷凝器3向外界环境排放热量变为中温、高压制冷剂，通过膨胀阀4变为低温、低压制冷剂。实现为驾驶室环境提供冷量，维持驾驶室处于适宜温度，通常是在20℃～25℃。
72.进一步的讲，空调系统的第二制冷剂回路的功能为：电池6中的低温、低压制冷剂从电池包冷却液回路中吸收热量，经过压缩机1变温高温、高压制冷剂，经过冷凝器3向外界环境排放热量变为中温、高压制冷剂，经过膨胀阀4变为低温、低压制冷剂。实现为电池包冷却液回路提供冷量，进一步地与电池包冷却液回路结合维持电池包处于适宜的温度，通常是在20℃-35℃。
73.电池包冷却液回路的功能为：冷却液吸收液冷电池包产生的热量，经过电池比例三通阀14的a-c流路，将热量传递到电池6的低温、低压制冷剂中。电池比例三通阀14的a-b流路与a-c为并联关系，用于调节输送到电池6热量，避免空调单元第二制冷回路冷量的浪费。
74.对于本发明的电动机冷却液回路来讲，冷却液吸收电动机16产生的热量，输送到散热器模块18，最终将热量排放到外界环境中。
75.这里，四通阀12的工作模式为并联模式，即a-d通，或b-c通。电池包冷却液回路和电动机冷却液回路各自独立循环，两回路为并联关系。
76.本发明的方法还包括：冷却液吸收液冷电池包11产生的热量，依次通过四通阀12的c端和b端、第一水泵13、电池比例三通阀14的a端和c端进入电池6，将热量传递给电池6，并与电池6的低温、低压的制冷剂进行热量交换；
77.热量交换后的冷却液通过第一水加热器15回流到液冷电池包11。维持电池包处于适宜温度15℃～30℃。
78.本发明的方法还包括：冷却液从电动机16吸收热量，通过散热器比例三通阀17的a端和b端，流入散热器模块18对冷却液进行冷却，将热量通过散热器排放到外界环境中。冷却后的冷却液通过四通阀12的a端和d端以及第二水泵19流回电动机16，对电动机16进行冷却。
79.本发明在冬季驻车情况下，驻车热泵单元从外界环境中吸收热量，结合暖风回路产生的热量，为驾驶室提供热量，以维持驾驶室处于适宜温度。由于驻车热泵单元的工作效率较低，不足以为驾驶室提供足够的热量，但在一定程度上减少了仅依靠第二水加热器9供热的耗电量。
80.本发明的方法中，冷凝器3中的低温、低压制冷剂从外界环境中吸收热量，经过制冷三通阀2的a-b流路，经过压缩机1变为高温、高压制冷剂，在蒸发器5中向驾驶室放热变为中温、高压制冷剂，经过膨胀阀4变为低温、低压制冷剂。
81.在对驾驶室内进行加热时，冷却液将第二水加热器9产生的热量经暖芯10传递到驾驶室，实现对驾驶室内的加温。
82.本发明中体积的工况仅为示例性地工况。电动汽车不同季节、不同行驶状态下产生的工况众多，响应单元模式众多。但不同模式依赖于本发明所阐述的热管理系统架构的，本发明也意图包含这些模式。
83.本发明提供的纯电动商用车整车热管理方法能够实现同时或单独为电池包热管理系统和驾驶室hvac系统提供冷量；电动机散热系统可以实现独立地自然散热；热泵单元能够实现从电动机散热系统的冷却液回路或外界环境中吸收热量，为驾驶室提供热量；电动机散热系统的冷却液回路可以与电池包冷却液回路进行串联，为电池包加热提供可控热量；电池包热管理子系统和水暖单元自带水ptc加热器，可以满足驻车加热和部件需要大功
率热量的需求。
84.本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等如果存在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，以便这里描述的本发明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。
85.对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。