一种基于蓄能模块的车用热管理系统及其多功能控制方法

本发明涉及电动汽车热管理，具体涉及一种基于蓄能模块的车用热管理系统及其多功能控制方法。

背景技术：

1、在面临环境污染与化石能源枯竭的双重压力下，新能源电动汽车逐渐普及。相较于传统的燃油汽车，电动汽车不仅具有环保优势，还承载着更为复杂的冷热需求。除了确保乘客的舒适度，电动车还需调控电池、电机系统的温度，以维系其安全、高效的运行状态。为此，一个独立的热管理系统显得至关重要。然而，现行的电动车热管理系统在技术上仍存在诸多瓶颈：

2、第一、在炎热的夏季，车内温度往往较高，乘客在进入车内后，通常期望乘员舱能迅速降至一个舒适的温度。然而，当前的热泵空调系统在启动时面临一些限制：由于压缩机启动时的转速受限，并且热力循环的建立需要一定时间，系统在初始阶段能提供的制冷量相对较低，这导致制冷速度不够快，乘员舱的温度下降缓慢，从而影响乘客的舒适度。

3、第二、在热泵空调系统中，由于压缩机存在最低转速限制，系统所能提供的制冷或制热量也存在一个最小值。当实际需求负荷较小时，压缩机仅需在低转速下短暂运行即可满足这一负荷。然而，这种情况会导致热泵空调系统频繁起停，不仅增加系统的能耗，还会缩短压缩机的使用寿命。

4、第三、热管理系统中电池、电机产生的热量通常通过热泵空调系统采用余热回收的方式加以利用，而当电池、电机发热量过大时，无法回收的余热只能通过室外换热器释放到外界空气中，从而造成能量浪费。

5、因此，如何实现快速制冷、避免热泵空调系统频繁起停、充分高效地利用整车能量成为了电动汽车热管理现阶段面临的挑战。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种基于蓄能模块的车用热管理系统及其多功能控制方法，以解决现有技术中乘员舱制冷速度慢、小负荷工况下压缩机频繁起停以及电池、电机无法回收余热的问题。

2、为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

3、一种基于蓄能模块的车用热管理系统，包括co2热泵空调系统和冷却液系统；co2热泵空调系统和冷却液系统通过室外风机及板式换热器相互耦合；冷却液系统包括第一电子水泵、储能水箱、电池、电机换热模块、膨胀水箱、第二电子水泵、冷却液第一电子截止阀、冷却液第二电子截止阀、冷却液第三电子截止阀、冷却液室外换热器、冷却液第四电子截止阀、冷却液第五电子截止阀；冷却液系统由储能水箱依次连接冷却液第五电子截止阀、冷却液第三电子截止阀、第二电子水泵、膨胀水箱、冷却液室外换热器及电池、电机换热模块及冷却液第二电子截止阀，形成回路；冷却液第四电子截止阀并联于冷却液室外换热器；冷却液第一电子截止阀经第一电子水泵连接板式换热器的a口与c口的管路，并联于冷却液第五电子截止阀、储能水箱及冷却液第二电子截止阀的管路；co2热泵空调系统包括压缩机，冷媒室外换热器，回热器，冷媒第一全通节流阀，冷媒第二全通节流阀，冷媒室内换热器，气液分离器，四通换向阀，冷媒第一电子截止阀，冷媒第二电子截止阀及冷媒第三电子截止阀；co2热泵空调系统由压缩机依次连接四通换向阀、冷媒室外换热器、回热器的高压侧、冷媒第二全通节流阀、冷媒第二电子截止阀、冷媒室内换热器、四通换向阀、气液分离器及回热器的低压侧，形成回路；冷媒第三电子截止阀经板式换热器的b口与d口连接冷媒第一全通节流阀的管路，并联于冷媒第二全通节流阀、冷媒第二电子截止阀及冷媒室内换热器的管路；冷媒第一电子截止阀并联于冷媒第二电子截止阀、冷媒室内换热器及冷媒第三电子截止阀的管路；co2热泵空调系统还包括室内风机，用于通过冷媒室内换热器向乘员舱供热和供冷；室外风机，用于将环境空气送入冷却液室外换热器和冷媒室外换热器；其中，冷媒室内换热器、储能水箱、乘员舱以及电池、电机换热模块的出口和电池的内部均设置有温度传感器。

4、一种基于蓄能模块的车用热管理系统的多功能控制方法，使用上述车用热管理系统，通过在储能水箱的充能模式一、充能模式二、充能模式三、储能模式、放能模式一及放能模式二之间的切换，对乘员舱进行制冷和制热的切换控制以及对电池进行冷却和加热的切换控制；

5、通过在充能模式一、储能模式及放能模式一之间切换，实现快速制冷功能；通过在充能模式一、储能模式及放能模式二之间切换，实现co2热泵空调系统充冷+冷却电池功能；通过在充能模式三、储能模式及放能模式二之间切换，实现co2热泵空调系统充热+保温电池功能；通过在充能模式二、储能模式及放能模式二之间切换，实现电池、电机充热+保温电池功能。

6、进一步地，储能水箱为充能模式一时，启动压缩机，四通换向阀的a口与b口连通，c口与d口连通，冷却液第二电子截止阀、冷却液第五电子截止阀、第一电子水泵、冷却液第一电子截止阀、冷媒第一全通节流阀、冷媒第二电子截止阀及冷媒第三电子截止阀连通开启，第二电子水泵、冷却液第三电子截止阀、冷却液第四电子截止阀及冷媒第一电子截止阀关闭；乘员舱有制冷需求时，开启冷媒第二全通节流阀连通，乘员舱无制冷需求时，关闭冷媒第二全通节流阀连通；储能水箱为充能模式二时，启动压缩机，四通换向阀的a口与d口连通，b口与c口连通，冷却液第二电子截止阀、冷却液第五电子截止阀、第一电子水泵、冷却液第一电子截止阀、冷媒第一全通节流阀、冷媒第二电子截止阀及冷媒第三电子截止阀连通开启，第二电子水泵、冷却液第三电子截止阀、冷却液第四电子截止阀及冷媒第一电子截止阀关闭；乘员舱有制冷需求时，开启冷媒第二全通节流阀连通，乘员舱无制冷需求时，关闭冷媒第二全通节流阀连通；储能水箱为充能模式三时，冷却液第二电子截止阀、冷却液第五电子截止阀和第二电子水泵、冷却液第三电子截止阀及冷却液第四电子截止阀开启，第一电子水泵和冷却液第一电子截止阀关闭。

7、进一步地，储能水箱为储能模式时，冷却液第二电子截止阀和冷却液第五电子截止阀关闭。

8、进一步地，储能水箱为放能模式一时，启动压缩机，四通换向阀的a口与b口连通，c口与d口连通，冷却液第二电子截止阀、冷却液第五电子截止阀、第一电子水泵、冷却液第一电子截止阀、冷媒第一全通节流阀、冷媒第二电子截止阀及冷媒第一电子截止阀开启，冷媒第二全通节流阀连通和冷媒第三电子截止阀连通关闭。

9、进一步地，储能水箱为放能模式二时，冷却液第二电子截止阀、冷却液第五电子截止阀、第二电子水泵、冷却液第三电子截止阀及冷却液第四电子截止阀开启，第一电子水泵和冷却液第一电子截止阀关闭。

10、进一步地，当车用热管理系统处于快速制冷功能时，包括以下步骤：

11、步骤一、将基于蓄能模块的车用热管理系统设置为储能水箱的充能模式一；

12、步骤二、获取储能水箱的温度，判断温度是否小于-20℃，若判断为否，返回步骤一，若判断为是，执行步骤三；

13、步骤三、设置储能水箱为储能模式；

14、步骤四、获取储能水箱的温度，判断温度是否大于-10℃，若判断为是，返回步骤一，若判断为否，执行步骤五；

15、步骤五、获取乘员舱的温度，判断温度是否大于30℃，若判断为否，返回步骤三，若判断为是，执行步骤六；

16、步骤六、设置储能水箱为放能模式一；

17、步骤七、获取乘员舱的温度，判断温度是否小于25℃，若判断为是，返回步骤二，若判断为否，执行步骤八；

18、步骤八、获取冷媒室内换热器的蒸发温度和储能水箱的温度，判断两者的温差是否小于5℃，若判断为否，返回步骤六，若判断为是，执行步骤九；

19、步骤九、打开冷媒第二全通节流阀，关闭冷媒第一全通节流阀、冷媒第一电子截止阀及冷却液第二电子截止阀、冷却液第五电子截止阀，并返回步骤七。

20、进一步地，当车用热管理系统处于co2热泵空调系统充冷+冷却电池功能时，包括以下步骤：

21、步骤一、将基于蓄能模块的车用热管理系统设置为储能水箱的充能模式一；

22、步骤二、获取储能水箱的温度，判断温度是否小于-20℃，若判断为否，返回步骤一，若判断为是，执行步骤三；

23、步骤三、设置储能水箱为储能模式；

24、步骤四、获取储能水箱的温度，判断温度是否大于-10℃，若判断为是，返回步骤一，若判断为否，执行步骤五；

25、步骤五、获取电池的温度，判断温度是否大于35℃，若判断为否，返回步骤三，若判断为是，执行步骤六；

26、步骤六、设置储能水箱为放能模式二；

27、步骤七、获取电池的温度，判断温度是否小于15℃，若判断为是，返回步骤二，若判断为否，执行步骤八；

28、步骤八、获取储能水箱的温度，判断电池的温度和储能水箱的温度的差值是否小于5℃，若判断为否，返回步骤六，若判断为是，执行步骤九；

29、步骤九、启动压缩机，连通四通换向阀的a、b口和c、d口，打开第一全通节流阀、冷媒第三电子截止阀及第一电子水泵、冷却液第一电子截止阀，关闭冷媒第一电子截止阀及冷却液第二电子截止阀、冷却液第五电子截止阀，并返回步骤七。

30、进一步地，当车用热管理系统处于co2热泵空调系统充热+保温电池功能时，包括以下步骤：

31、步骤一、设置储能水箱为不工作状态；

32、步骤二、获取电池、电机换热模块出口的温度，判断温度是否大于40℃，若判断为否，返回步骤一，若判断为是，执行步骤三；

33、步骤三、设置储能水箱为充能模式三；

34、步骤四、获取储能水箱的温度，判断温度是否大于35℃，若判断为否，返回步骤三，若判断为是，执行步骤五；

35、步骤五、设置储能水箱为储能模式；

36、步骤六、获取储能水箱的温度，判断温度是否小于20℃，若判断为是，返回步骤一，若判断为否，执行步骤七；

37、步骤七、获取电池的温度，判断电池温度是否小于15℃，若判断为否，返回步骤五，若判断为是，执行步骤八；

38、步骤八、设置储能水箱为放能模式二；

39、步骤九、获取电池的温度，判断温度是否大于25℃，若判断为是，返回步骤一，若判断为否，执行步骤十；

40、步骤十、获取储能水箱的温度，判断储能水箱与电池的温差是否小于5℃，若判断为否，返回步骤八，若判断为是，执行步骤十一；

41、步骤十一、启动压缩机，连通四通换向阀的a、d口和b、c口，打开冷媒第三电子截止阀及冷媒第一全通节流阀、冷媒第二电子截止阀，关闭冷媒第一电子截止阀及冷却液第二电子截止阀、冷却液第五电子截止阀，并返回步骤九。

42、进一步地，当车用热管理系统处于电池、电机充热+保温电池功能时，包括以下步骤：

43、步骤一、设置储能水箱为充能模式二；

44、步骤二、获取储能水箱的温度，判断温度是否大于80℃，若判断为否，返回步骤一，若判断为是，执行步骤三；

45、步骤三、设置储能水箱为储能模式；

46、步骤四、获取储能水箱的温度，判断温度是否小于50℃，若判断为是，返回步骤一，若判断为否，执行步骤五；

47、步骤五、获取电池的温度，判断电池温度是否小于15℃，若判断为否，返回步骤三，若判断为是，执行步骤六；

48、步骤六、设置储能水箱为放能模式二；

49、步骤七、获取电池的温度，判断温度是否大于25℃，若判断为是，返回步骤二，若判断为否，执行步骤八；

50、步骤八、获取储能水箱的温度，判断储能水箱与电池的温差是否小于5℃，若判断为否，返回步骤六，若判断为是，执行步骤九；

51、步骤九、启动压缩机，连通四通换向阀的a、d口和b、c口，打开冷媒第三电子截止阀及冷媒第一全通节流阀、冷媒第二电子截止阀，关闭冷媒第一电子截止阀及冷却液第二电子截止阀、冷却液第五电子截止阀，并返回步骤七。

52、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

53、本发明提供一种基于蓄能模块的车用热管理系统，包括co2热泵空调系统，冷却液系统，与常规的车用热管理系统相比，本发明可以通过将储能水箱的冷量快速释放给co2热泵空调系统，进而实现乘员舱快速降温，解决常规热管理系统启动时供冷不足的问题，增加了常规热管理系统不具备的快速制冷功能，提高乘员舱舒适性。本发明还可以通过在加热/冷却电池时，优先采用储能水箱对电池供热/供冷的方式，延长co2热泵空调系统停机时间，并通过co2热泵空调系统完成对电池或乘员舱的供冷/供热后，额外对储能水箱充冷/充热的方式，延长了热泵空调系统工作时间，从而减小热泵空调系统启停频率，解决了常规热管理系统小负荷工况下，热泵空调系统的频繁起停问题，延长热管理系统寿命。本发明还可以通过储能水箱储存电池、电机高发热量时的热量，实现回收储存电池、电机的热量，并通过储存的热量对电池的保温，实现了能量的高效利用。同时，在冷却液系统设置有膨胀水箱，用于稳定冷却液压力，保证冷却液系统安全可靠的运行。

54、本发明还提供了一种基于蓄能模块的车用热管理系统快速制冷功能的控制方法，通过合理切换储能水箱的充能模式一、储能模式及放能模式一，实现乘员舱快速降温，提高乘员舱舒适性。在乘员舱有制冷需求时，储能水箱能迅速释放冷量，将乘员舱温度快速降低至25℃；在乘员舱无快速制冷需求时，利用co2热泵空调系统来维持储能水箱的温度在-10℃至-20℃的蓄冷状态，使其保持可以快速响应制冷需求。

55、本发明还提供了一种基于蓄能模块的车用热管理系统co2热泵空调充冷+冷却电池功能的控制方法，通过合理切换储能水箱的充能模式一、储能模式及放能模式二，优先采用储能水箱向电池提供冷，并减小co2热泵空调系统启停频率。在电池有冷量需求时，优先由储能水箱快速供冷，若储能水箱冷量不足，则启动co2热泵空调系统供冷，并在满足电池冷量需求后，由co2热泵空调系统继续给储能水箱充冷；在电池无冷量需求时，利用co2热泵空调系统维持储能水箱处于-10℃~-20℃的蓄冷状态，使其保持可以快速响应冷却电池需求。

56、本发明还提供了一种基于蓄能模块的车用热管理系统co2热泵空调充热+保温电池功能的控制方法，通过合理切换储能水箱在充能模式二、储能模式及放能模式二之间切换，优先采用储能水箱向电池提供热能，并减小热泵空调系统启停频率。在电池有热量需求时，优先由储能水箱快速供热，若储能水箱热量不足，则启动co2热泵空调系统供热，并在满足电池热量需求后，再由co2热泵空调系统给储能水箱充热；在电池无热量需求时，利用co2热泵空调系统维持储能水箱处于50℃~80℃的蓄热状态；使其保持可以快速响应保温电池需求。

57、本发明还提供了一种基于蓄能模块的车用热管理系统电池、电机充热+保温电池功能的控制方法，通过合理切换储能水箱的充能模式三、储能模式及放能模式二，实现回收储存电池、电机的热量，并通过储能水箱储存的热量对电池保温，实现能量的回收及高效利用。在电池温度高于40℃时，以电池为热源对储能水箱充能，并在电池有热量需求且储能水箱有充足热量时，优先采用储能水箱给电池供热，当储能水箱无法满足电池供热需求时，再启动co2热泵空调系统给电池供热。