浸没式电池液冷与空调耦合的车用热管理系统及控制方法

本发明涉及汽车热管理，特别涉及浸没式电池液冷与空调耦合的车用热管理系统及控制方法。

背景技术：

1、动力电池作为电动汽车的心脏，决定车辆的续航里程和工作稳定性能等，受到世界各大车企的极大关注与重点研究。而动力电池的温度控制对于电动汽车具有重要作用。

2、动力电池的最佳使用温度在15℃至35℃之间，温度过高或过低时都会对电池性能造成很大的影响。电池包温度过高时：1)使用安全性降低。高温会加速电池内部的氧化还原反应，增加电池失控和着火的风险，从而造成安全事故；2)性能减弱、寿命下降。高温会加速电池活性材料的分解与损失，导致电池容量衰减和循环寿命大幅降低。电池包温度过低时：1)容量降低、效率下降。低温会使电极中极性物质材料的活性降低，离子迁移动力性能减弱，导致可利用容量显著降低，同时低温导致电池内阻升高，更多的能量以热量的形式耗散，整体效率降低；2)影响使用寿命。低温时电池充放电过程的化学反应速率减慢，电极表面出现溶解-析出物，长期运行会对电池产生损伤，影响使用寿命。以近两年中国电动汽车测评(ev-test)公布试验车辆的结果分析，许多电动汽车型号的低温里程衰减30％左右，主要是因为部分电池能量用于车内空调低温制热，同时电池偏离理想工作温度会导致输出能量降低。

3、因此，密切关注和管理好电池包温度，使其在最佳工作温度范围内运行，是保证电池性能和寿命的关键。

4、现在较为成熟的常规电池冷却系统如风冷和冷板式冷却存在冷却效率低和均温性较差的问题。

5、申请人在对电动汽车的电池包进行研究后发现，电动汽车热管理系统的主要难点在于：1.电动汽车上的动力电池均温性较差，常规的电池热管理往往会使电池处于局部温度过高或者局部温度过低，而电池热管理系统往往根据部分区域的温度采集进行响应，使得电池的整体热管理并不理想；2.电动汽车本身空间有限，对电池采取较为复杂的热管理系统往往会造成与电动汽车空间需求之间的矛盾；3.电动车动力电池储能分别独立用于ptc电加热和汽车空调系统，两者综合的能效较低，大大影响续航里程。

技术实现思路

1、为了实现将动力电池温度和温差控制在合适的范围内，同时又能提升制冷制热效率，从而提升续整车航里程，并且无需占用过多空间的目的，本发明提供了浸没式电池液冷与空调耦合的车用热管理系统。

2、一种浸没式电池液冷与空调耦合的车用热管理系统，包括车内空调系统、浸没式电池液冷系统；所述浸没式电池液冷系统包括工作区、液冷换热器，所述工作区中可放置电池组，所述工作区内的工作液体可使置于其中的电池组处于浸没状态，工作液体可以吸收电池组释放的热量或者向电池组释放热量；所述车内空调系统包括压缩机、四通换向阀、空调车内换热装置、节流装置、空调车外换热器，所述空调车内换热装置、所述节流装置、所述空调车外换热器依次连接，所述空调车内换热器、所述空调车外换热器、所述压缩机与所述四通换向阀连接；所述车内空调系统包括耦合支路、余热回收支路，所述耦合支路与所述空调车内换热装置并联，所述余热回收支路与所述空调车外换热器并联，所述浸没式电池液冷与空调耦合的车用热管理系统包括低温冷启动状态、双供热状态、车舱供热电池冷却状态、双制冷孤立状态、双制冷耦合状态，在低温冷启动状态下，车内空调系统不向车舱内提供热量，经过液冷换热器向电池组提供热量；在双供热状态下，车内空调系统既向车舱内提供热量，也经过液冷换热器向电池组提供热量；在车舱供热电池冷却状态下，车内空调系统向车舱内提供热量，向电池组提供冷量；在双制冷孤立状态下，车内空调系统既不向电池组提供热量也不提供冷量；在双制冷耦合状态下，车内空调系统既向车舱内提供冷量，也经过液冷换热器向电池组提供冷量，在所述低温冷启动状态、双供热状态、车舱供热电池冷却状态、双制冷耦合状态时，所述车内空调系统中的制冷剂可以经所述耦合支路或所述余热回收支路流经所述液冷换热器。这样，采用浸没式液冷系统，使得动力电池温度和温差可以控制在合适的范围内，同时通过耦合支路、余热回收支路的设置，实现车内空调系统与浸没式电池液冷系统之间的热量交换，提升制冷制热效率，从而提升续整车续航里程，并且，无需设置两套单独的压缩式制冷循环系统，提高了整车的空间利用率，并且具有低温冷启动状态、双供热状态、车舱供热电池冷却状态、双制冷孤立状态、双制冷耦合状态应对不同的工况，从而提高舒适性以及相应的效能。

3、进一步，所述空调车内换热装置包括车内蒸发器、车内冷凝器，所述车内蒸发器并联蒸发器阀控旁通支路，所述车内冷凝器并联冷凝器阀控旁通支路，在所述双供热状态、车舱供热电池冷却状态，所述蒸发器阀控旁通支路打开，所述冷凝器阀控旁通支路关闭，所述车内空调系统的制冷剂通过蒸发器阀控旁通支路实现对车内蒸发器的旁通，同时，车内空调系统的制冷剂流经车内冷凝器；在双制冷孤立状态、双制冷耦合状态，所述冷凝器阀控旁通支路打开，所述蒸发器阀控旁通支路关闭，所述车内空调系统的制冷剂通过冷凝器阀控旁通支路实现对车内冷凝器的旁通，同时，车内空调系统的制冷剂流经车内蒸发器。设置不同的换热器分别实现蒸发和冷凝的作用，可以提高整个系统的效率。

4、进一步，所述浸没式电池液冷系统包括液冷系统车外换热器、泵；所述泵、液冷系统车外换热器、液冷换热器、工作区顺序连接；所述液冷系统车外换热器并联换热器阀控旁通支路，在所述低温冷启动状态、双供热状态、车舱供热电池冷却状态时，换热器阀控旁通支路开启，浸没式电池液冷系统中的工作液体通过换热器阀控旁通支路实现对液冷系统车外换热器的旁通。

5、进一步，所述浸没式电池液冷系统包括加热器，所述加热器设置于所述泵与所述液冷换热器中间，所述加热器并联加热器阀控旁通支路，在所述双供热状态、车舱供热电池冷却状态、双制冷孤立状态、双制冷耦合状态，所述加热器阀控旁通支路打开，浸没式电池液冷系统中的工作液体通过加热器阀控旁通支路实现对加热器的旁通。在低温冷启动状态时，可以同过加热器辅助加热，加快电池的升温速度。

6、进一步，所述车内空调系统包括第壹三通阀、第贰三通阀、第叁三通阀、电动阀，所述第壹三通阀、第贰三通阀、第叁三通阀、电动阀控制所述耦合支路或余热回收支路中的制冷剂流向及状态；所述液冷换热器第一端口、第二端口，所述第壹三通阀设置于所述四通换向阀与所述四通换向阀与所述空调车内换热装置之间，另一端口与所述液冷换热器的第一端口连接；所述第贰三通阀设置于所述节流装置与所述空调车外换热器之间，另一端口与所述液冷换热器的第二端口连接；所述第叁三通阀设置于所述空调车外换热器与所述四通换向阀之间，另一端口与所述液冷换热器的第一端口连接；所述电动阀的一个端口与所述节流装置与所述空调车内换热装置之间的线路连接，另一端与所述液冷换热器的第二端口连接。通过设置三通阀及电动阀控制，控制起来较为方便。进一步，所述浸没式电池液冷系统的工作液体为氟化液或矿物油或硅油

7、本发明提供了浸没式电池液冷与空调耦合的车用热管理系统的控制方法，定义通过空调车内换热装置的管道为车舱换热支路，定义通过空调车外换热器的管道为车外换热支路，具体包括如下状态设置：

8、低温冷启动状态：控制第壹三通阀、第贰三通阀、第叁三通阀、电动阀、四通换向阀，使耦合支路处于流通状态，使车舱换热支路处于非流通状态，使车外换热支路处于流通状态，使余热回收支路处于非流通状态；使流出所述四通换向阀的高温高压制冷剂顺序流入所述液冷换热器、所述节流装置、所述空调车外换热器，并经所述四通换向阀流回所述压缩机；所述浸没式电池液冷系统中的工作液体经所述泵加压后经所述换热器阀控旁通支路后流入加热器，然后再流入所述液冷换热器后再进入所述工作区，加热电池组；

9、双供热状态：控制第壹三通阀、第贰三通阀、第叁三通阀、电动阀、四通换向阀，使耦合支路处于流通状态，使车舱换热支路处于流通状态，使车外换热支路处于流通状态，使余热回收支路处于非流通状态；使流出所述四通换向阀的高温高压制冷剂由第壹三通阀分流，其中一部分流经所述液冷换热器加热浸没式电池液冷系统中的工作液体，另一部分流经所述空调车内换热装置加热车舱，换热之后的两股制冷剂汇合，然后流经所述节流装置、所述空调车外换热器、所述四通换向阀后流入所述压缩机；所述浸没式电池液冷系统中的工作液体经所述泵加压后经所述换热器阀控旁通支路及所述加热器阀控旁通支路流入液冷换热器后进入所述工作区，加热电池组；

10、车舱供热电池冷却状态：控制第壹三通阀、第贰三通阀、第叁三通阀、电动阀、四通换向阀，使耦合支路处于非流通状态，使车舱换热支路处于流通状态，使车外换热支路处于非流通状态，使余热回收支路处于流通状态；使流出所述四通换向阀的高温高压制冷剂顺序流入所述空调车内换热装置、所述节流装置、所述液冷换热器，然后经所述四通换向阀后流入所述压缩机；所述浸没式电池液冷系统中的工作液体经所述泵加压后经所述换热器阀控旁通支路及所述加热器阀控旁通支路流入液冷换热器后在进入所述工作区，加热电池组；

11、双制冷孤立状态：控制第壹三通阀、第贰三通阀、第叁三通阀、电动阀、四通换向阀，使耦合支路处于非流通状态，使车舱换热支路处于流通状态，使车外换热支路处于流通状态，使余热回收支路处于非流通状态；使流出所述四通换向阀的高温高压制冷剂顺序流经所述空调车外换热器、所述节流装置、所述空调车内换热装置后经所述四通换向阀流入所述压缩机；所述浸没式电池液冷系统中的工作液体经所述泵加压后流入所述液冷系统车外换热器后流入加热器阀控旁通支路，然后流入所述液冷换热器后再进入所述工作区，冷却电池组；

12、双制冷耦合状态：控制第壹三通阀、第贰三通阀、第叁三通阀、电动阀、四通换向阀，使耦合支路处于流通状态，使车舱换热支路处于流通状态，使车外换热支路处于流通状态，使余热回收支路处于非流通状态；流出所述四通换向阀的高温高压制冷剂顺序流经空调车外换热器、所述节流装置，流出所述节流装置的制冷剂分流，一部分流入空调车内换热装置，另一部分流经所述液冷换热器，经所述第壹三通阀汇流后经所述四通换向阀流入压缩机；所述浸没式电池液冷系统中的工作液体经所述泵加压后流入液冷系统车外换热器，流出液冷系统车外换热器的工作液体经所述加热器阀控旁通支路后流入所述液冷换热器，在工作液体获得冷量后进入所述工作区，冷却电池组。