一种电动商用车的热管理系统及方法与流程

1.本发明属于纯电动汽车领域，尤其涉及一种纯电动商用车用低温热泵空调及相应的热管理系统及方法。


背景技术：

2.纯电动汽车冬季制热受到严重的制约，采用ptc电加热进行乘员舱采暖会严重影响纯电动汽车的续航里程，而车用热泵空调技术能够有效的提升纯电动汽车在低温下的里程焦虑。
3.虽然以r134a为制冷剂的热泵空调技术已经取得一定的发展，然而随着环境温度的不断降低，r134a热泵系统的制热效率不断衰减，且在低于一定的环境温度下热泵系统将无法正常运行。
4.在湿度较大的低温环境下，空气源热泵的室外换热器上存在的水蒸气因低于其凝华温度而结霜，从而影响换热效率，导致热泵机组不能正常工作。


技术实现要素：

5.本发明提供一种纯电动商用车用低温热泵空调及相应的热管理系统，系统用以解决低温下r134a热泵空调无法正常工作或运行效率低等问题。
6.系统包括：制冷空调回路、热泵空调回路、电池冷却回路、电机dc/dc冷却/余热利用回路以及ptc加热回路；
7.制冷空调回路用于给车辆的乘员舱提供制冷需求，还对电池、电机、dc/dc进行冷却；
8.热泵空调回路基于电机dc/dc冷却/余热利用回路以及ptc加热回路的热源，并基于驾驶员的控制指令，向乘员舱提供制热需求；
9.电池冷却回路通过三流体板式换热器与空调制冷回路相连，对电池进行冷却；
10.电机dc/dc冷却/余热利用回路通过第三三通调节阀、三流体板式换热器与热泵空调回路相连；
11.ptc加热回路通过第三三通调节阀、三流体板式换热器与热泵空调回路相连，给热泵空调回路提供热源。
12.进一步需要说明的是，制冷空调回路包括：电动涡旋压缩机、气液分离器、室外冷凝器、第一电子膨胀阀、第二电子膨胀阀、室内蒸发器、第一三通阀以及第二三通调节阀；
13.电动涡旋压缩机第一端与第一三通阀第一端连接；第一三通阀第二端与室外冷凝器第一端连接；室外冷凝器第二端与第一电子膨胀阀第一端连接；室外冷凝器上安装有电子扇；
14.第一电子膨胀阀第二端和第二电子膨胀阀第二端分别与第二三通调节阀第一端连接；第一三通阀第三端与室内冷凝器第一端连接，室内冷凝器第二端与第二电子膨胀阀第一端连接；室内冷凝器上安装有鼓风机；
15.室内蒸发器第一端通过气液分离器与电动涡旋压缩机第一端连接；室内蒸发器第二端与第二三通调节阀第三端连接；室内蒸发器上安装有鼓风机。
16.进一步需要说明的是，电动涡旋压缩机、气液分离器、鼓风机、室内冷凝器、第二电子膨胀阀以及三流体板式换热器组成热泵空调回路。
17.进一步需要说明的是，电池冷却回路包括：第一电子水泵、动力电池液冷板、三流体板式换热器以及第二三通调节阀；
18.第一电子水泵第一端与三流体板式换热器第一端连接，第一电子水泵第二端与动力电池液冷板第一端连接，动力电池液冷板第二端与三流体板式换热器第二端连接；
19.三流体板式换热器第三端通过气液分离器与电动涡旋压缩机第一端连接；三流体板式换热器第四端与第二三通调节阀第二端连接。
20.进一步需要说明的是，第二电子水泵、dc/dc冷却水套、第三三通调节阀、第二三通调节阀、三流体板式换热器组成了电机dc/dc冷却/余热利用回路；
21.第二电子水泵第一端通过dc/dc冷却水套与第三三通调节阀第一端连接；第三三通调节阀第二端与三流体板式换热器第六端连接；第二电子水泵第二端与三流体板式换热器第五端连接。
22.进一步需要说明的是，ptc加热回路包括：第三电子水泵、ptc水暖加热器、第三三通调节阀、第二三通调节阀以及三流体板式换热器；
23.第三电子水泵第二端与三流体板式换热器第五端连接；
24.第三电子水泵第一端通过ptc水暖加热器与第三三通调节阀第三端连接。
25.本发明还提供一种电动商用车的热管理方法，方法包括：
26.启动制冷模式，电动涡旋压缩机运行，制冷剂通过第一三通阀，室外冷凝器，第一电子膨胀阀，第二三通调节阀，室内蒸发器，气液分离器，再回流至电动压缩机形成制冷循环；
27.制冷模式的工质为r134a；室外冷凝器与室内冷凝器分别配置有电子扇和鼓风机，为换热器提供气流与制冷剂进行热交换。
28.进一步需要说明的是，电机dc/dc冷却/余热模式启动，电动涡旋压缩机运行，制冷剂通过第一三通阀，室外冷凝器，第一电子膨胀阀，第二三通调节阀，三流体板式换热器，之后回流到电动涡旋压缩机形成电池模组与电机、dc/dc冷却循环；
29.其中第二三通调节阀调控进入室内蒸发器和三流体板式换热器的制冷剂流量，平衡乘员舱、电池模组、电机、dc/dc模块的制冷需求。
30.进一步需要说明的是，ptc加热回路运行时，电动涡旋压缩机运行，制冷剂通第一三通阀，室内冷凝器，第二电子膨胀阀，第二三通调节阀，三流体板式换热器，气液分离器，再回到电动涡旋压缩机形成制热循环；室内冷凝器的鼓风机，能够对冷气流进行加热为乘员舱采暖。
31.当环境温度低于-11℃或车辆刚起步时，采用所述的ptc加热回路为热泵系统提供热源；
32.第三电子水泵，ptc水暖加热器，第三三通调节阀，三流体板式换热器，第二电子水泵形成冷却液循环，冷却液的温度被加热至1℃即为热泵回路提供的热源。
33.进一步需要说明的是，当车辆运行一定时间后，用于电机冷却的水温上升到预设
温度后，采用其余热对热泵空调回路提供热源；
34.具体循环为：热源依次通过第二电子水泵，dc/dc冷却水套，第三三通调节阀，三流体板式换热器再回流第二电子水泵。
35.从以上技术方案可以看出，本发明具有以下优点：
36.本发明提供的电动商用车的热管理系统以热泵空调、驱动电机热管理系统、动力电池热管理系统为核心的集成式整车热管理系统是实现能量高效利用的有效途径。
37.其中，本发明采用三流体的板式换热器作为水冷机，不仅可以满足乘员舱的制冷需求，同时也对电池及电机进行冷却。本发明在制热模式下，空调回路与ptc加热回路、电池加热回路、电机电控冷却回路耦合，三流体板式换热器作为水源蒸发器，低温工况下采用ptc对冷却液进行加热，加热后的冷却液可作为制热空调系统蒸发器的热源，这样在低温下也能保证热泵空调的正常运行，同时也避免了空气源热泵室外蒸发器结霜。
38.本发明的车辆行驶过程中，可关闭ptc加热回路，利用电机余热回路对冷却液进行加热，确保热泵系统的制热功能；本发明能够实现极低温环境下的热泵制热功能，可大幅度提升纯电动商用车低温下的续航里程。
附图说明
39.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。
40.图1为电动商用车的热管理系统架构图；
41.图2为单独空调制冷模式示意图；
42.图3为空调制冷、电池冷却、电机dc/dc冷却模式示意图；
43.图4为利用ptc加热回路作为热源的热泵空调制热模式示意图；
44.图5为利用电机dc/dc余热作为热源的热泵空调制热模式示意图。
具体实施方式
45.如图1是电动商用车的热管理系统中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的元件及模块，而非按照实际实施时的元件及模块数目，其实际实施时各元件及模块的功能、数量及作用可为一种随意的改变，且其模块的功能和用途也可能更为复杂。
46.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。
47.如图1所示，电动商用车的热管理系统包括：制冷空调回路、热泵空调回路、电池冷却回路、电机dc/dc冷却/余热利用回路以及ptc加热回路；
48.制冷空调回路用于给车辆的乘员舱提供制冷需求，还对电池、电机、dc/dc进行冷却；
49.如图2所示，本发明中的制冷空调回路包括：电动涡旋压缩机1、气液分离器12、室
外冷凝器4、第一电子膨胀阀5、第二电子膨胀阀7、室内蒸发器9、第一三通阀2以及第二三通调节阀11；
50.电动涡旋压缩机1第一端与第一三通阀2第一端连接；第一三通阀2第二端与室外冷凝器4第一端连接；室外冷凝器4第二端与第一电子膨胀阀5第一端连接；室外冷凝器4上安装有电子扇3；
51.第一电子膨胀阀5第二端和第二电子膨胀阀7第二端分别与第二三通调节阀11第一端连接；第一三通阀2第三端与室内冷凝器6第一端连接，室内冷凝器6第二端与第二电子膨胀阀7第一端连接；室内冷凝器6上安装有鼓风机8；
52.室内蒸发器9第一端通过气液分离器12与电动涡旋压缩机1第一端连接；室内蒸发器9第二端与第二三通调节阀11第三端连接；室内蒸发器9上安装有鼓风机8。制冷空调回路能同时满足乘员舱的制冷需求以及电池与电机、dc/dc的冷却需求。
53.启动制冷模式，电动涡旋压缩机1运行，制冷剂通过第一三通阀2，室外冷凝器4，第一电子膨胀阀5，第二三通调节阀11，室内蒸发器9，气液分离器12，再回流至电动压缩机1形成制冷循环；
54.制冷模式的工质为r134a；室外冷凝器4与室内冷凝器6分别配置有电子扇3和鼓风机8，能够为换热器提供气流与制冷剂进行热交换，满足了对驾驶室内的制冷需要。
55.本发明的热泵空调回路是基于电机dc/dc冷却/余热利用回路以及ptc加热回路的热源，并基于驾驶员的控制指令，向乘员舱提供制热需求；
56.对于本发明的热泵空调回路来讲，电动涡旋压缩机1、气液分离器12、鼓风机8、室内冷凝器6、第二电子膨胀阀7以及三流体板式换热器11组成热泵空调回路。
57.通过三通阀分别调节流入室内冷凝器与三流体板式换热器中制冷剂流量，完成乘员舱和电池、电机dc/dc的制冷需求；此时三流体板式换热器的作用是电池冷却器与电机冷却器的集成。当系统处于制冷模式时，控制第三三通阀，使冷却液只在电机dc/dc冷却回路中循环流动。
58.本发明中的电池冷却回路通过三流体板式换热器11与空调制冷回路相连，对电池进行冷却；
59.如图3所示，电池冷却回路包括：第一电子水泵14、动力电池液冷板13、三流体板式换热器11以及第二三通调节阀11；
60.第一电子水泵14第一端与三流体板式换热器11第一端连接，第一电子水泵14第二端与动力电池液冷板13第一端连接，动力电池液冷板13第二端与三流体板式换热器11第二端连接；
61.三流体板式换热器11第三端通过气液分离器12与电动涡旋压缩机1第一端连接；三流体板式换热器11第四端与第二三通调节阀11第二端连接。
62.本发明中，电机dc/dc冷却/余热利用回路通过第三三通调节阀和三流体板式换热器与热泵空调回路相连；
63.具体来讲，第二电子水泵16、dc/dc冷却水套15、第三三通调节阀17、第二三通调节阀11、三流体板式换热器11组成了电机dc/dc冷却/余热利用回路；第二电子水泵16第一端通过dc/dc冷却水套15与第三三通调节阀17第一端连接；第三三通调节阀17第二端与三流体板式换热器11第六端连接；第二电子水泵16第二端与三流体板式换热器11第五端连接。
64.本发明涉及的ptc加热回路通过第三三通调节阀17、三流体板式换热器11与热泵空调回路相连，给热泵空调回路提供热源。
65.如图4所示，ptc加热回路包括：第三电子水泵18、ptc水暖加热器19、第三三通调节阀17、第二三通调节阀11以及三流体板式换热器11；第三电子水泵18第二端与三流体板式换热器11第五端连接；第三电子水泵18第一端通过ptc水暖加热器19与第三三通调节阀17第三端连接。当低温热泵空调系统及相应的热管理系统处于制热模式下时，第二三通调节阀和第三三通调节阀并联所述的热泵空调回路与ptc加热回路。
66.如图1至图5所示，以下是本公开实施例提供的电动商用车的热管理方法的实施例，该方法与上述各实施例的电动商用车的热管理系统属于同一个发明构思，在电动商用车的热管理方法的实施例中未详尽描述的细节内容，可以参考上述电动商用车的热管理系统的实施例。
67.参考图2，当乘员舱存在制冷需求时，电动涡旋压缩机1运行
→
制冷剂通过第一三通阀2
→
室外冷凝器4
→
第一电子膨胀阀5
→
第二三通调节阀11
→
室内蒸发器9
→
气液分离器12
→
电动涡旋压缩机1形成制冷循环，制冷的工质为r134a。室外冷凝器4和室内冷凝器6分别配置有电子扇3和鼓风机8，能够为换热器提供气流与制冷剂进行热交换。
68.参考图3，当电池模组与电机、dc/dc模块发出冷却需求时，电动涡旋压缩机1
→
第一三通调节阀2
→
室外冷凝器4
→
第一电子膨胀阀5
→
第二三通调节阀11
→
三流体换热器11
→
气液分离器12
→
电动涡旋压缩机1形成电池模组与电机、dc/dc冷却循环。
69.其中第二三通调节阀11调整分别进入室内冷凝器6和三流体板式换热器11的制冷剂流量，平衡乘员舱、电池模组与电机、dc/dc模块的制冷需求。
70.具体而言，电动涡旋压缩机1将低温低压的气态制冷剂压缩成高温高压的气态制冷剂，高温高压的气态制冷剂通过室外冷凝器4冷凝成高温高压的液体制冷剂，随后进入第一电子膨胀阀5后节流降压，变为低温低压的雾状制冷剂，通过第二三通调节阀11将低温低压的制冷剂分别两部分，一部分进入室内蒸发器9用以乘员舱降温，另一部分进入三流体换热器11给电池模组与电机、dc/dc进行冷却。
71.电池冷却回路冷却液的具体循环为：第一电子水泵14
→
电池模组液冷板13
→
三流体换热器11
→
第一电子水泵14；
72.电机、dc/dc冷却回路冷却液的具体循环为:第二电子水泵16
→
电机、dc/dc冷却水套15
→
第三三通调节阀17
→
三流体换热器11
→
第二电子水泵16。
73.在发明的实施方式中，制冷剂不仅可以分别为电池或电机、dc/dc进行冷却，也可以同时对两者进行冷却，这取决于电池及电机、dc/dc的温度信号反馈；同时第一电子水泵14和第二电子水泵16可通过温度信号反馈进行冷却液流量调节，对制冷剂携带的冷量进行最优匹配。
74.根据本发明的实施例，可提供低温环境下的热泵采暖模式；
75.一般而言，常规空气源r134a热泵最低的工作温度约为-11℃，这是因为随着室外温度的不断降低，制冷剂的蒸发压力不断下降，而压缩机的压比增大，导致比功增加；且压缩机的吸气比容增加，系统的循环工质流量减小，最终导致系统的制热量和cop都下降。
76.此外由于压缩机压比的增大会导致压缩机排气温度升高从而严重影响压缩机工作的安全性和使用寿命。同时在低温环境中，空气源热泵的室外蒸发器会结霜从而影响热
泵的正常运行，通常空气源热泵也会增加融霜模式。
77.参考图4，本发明中，当环境温度较低，乘员舱存在采暖需求时，电动涡旋压缩机1
→
第一三通调节阀2
→
室内冷凝器6
→
第二电子膨胀阀7
→
第二三通调节阀11
→
三流体换热器11
→
气液分离器12
→
电动涡旋压缩机1形成制热循环；所述的室内冷凝器6配置有鼓风机8，能够对冷气流进行加热为乘员舱采暖。
78.当环境温度低于-11℃或车辆刚起步时，采用所述的ptc加热回路为热泵系统提供热源，第三电子水泵18
→
ptc水暖加热器19
→
第三三通调节阀17
→
三流体换热器11
→
第二电子水泵16形成冷却液循环，冷却液的温度仅需要被加热至1℃即可为热泵回路提供稳定的热源。
79.传统空气源热泵需辅以ptc加热器的方案在环境温度低于-11℃时，采用ptc对乘员舱进行加热时，需要将冷却液直接加热至》41℃或将冷空气加热至》41℃，因此本发明所述的热泵空调在低温时的能耗要远低于传统空气源热泵的能耗。
80.当车辆运行一定时间后，所述的电机冷却系统的水温上升到一定程度后，可采用其余热对所述的热泵空调系统提供稳定的热源，具体循环为:第二电子水泵16
→
电机、dc/dc冷却流道15
→
第三三通调节阀17
→
三流体换热器11
→
第二电子水泵16；
81.本发明的热泵空调系统的核心在于三流体换热器，系统在制冷模式下可作为电池冷却器与电机冷却器，制热模式下作为水源蒸发器。
82.热泵空调系统可覆盖所有的温度区间，避免了传统空气源热泵系统低温下运行效率低或无法运行或室外换热结霜等问题。
83.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。
84.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。