实现延迟结霜与快速除霜的车用热管理系统及控制方法

本发明涉及电动汽车热管理，具体涉及一种实现延迟结霜与快速除霜的车用热管理系统及控制方法。

背景技术：

1、随着新能源电动汽车的广泛应用和普及，对于减少环境污染和缓解化石能源短缺问题起到了显著作用。然而，在冬季，电动汽车由于缺乏传统发动机产生的余热，转而依赖热泵空调系统为乘客提供温暖。热泵空调系统通过车外换热器从环境中吸收热量，以满足车内的供暖需求，实现冬季供热功能。

2、但现有的汽车热泵空调系统在冬季供热时存在一个显著的缺点，即现有的汽车热泵空调系统以环境中的空气为热源，在空气湿度较大的环境下车外换热器容易结霜。环境中的空气经过车外换热器放热，当空气温度降低至露点温度以下且车外换热器表面温度低于冰点时，车外换热器表面就会结霜。结霜会缩小空气流通通道，增加传热热阻，恶化热泵空调系统的性能，使热泵空调系统供热能力下降，影响乘员舱的舒适性。当热泵空调系统无法为电池提供足够热量时，甚至会影响到电动汽车的安全性。因此，抑制结霜过程、在霜层形成后进行除霜对于电动汽车正常运行至关重要。

3、为了克服这一问题，目前汽车热泵空调系统主要采用热气旁通除霜和逆循环除霜两种方式。然而，热气旁通除霜需要较长的时间来融化霜层，并且功耗较高；而逆循环除霜相较于热气旁通除霜，虽然能在较短时间内去除霜层，除霜功耗更低，但会造成乘员舱温度大幅波动，进而影响乘员舱的舒适性。

4、因此，如何实现在低温高湿度的环境下，延缓车外换热器结霜，以及快速高效地除霜并保证乘员舱的舒适性，已成为当前本领域技术人员亟待攻克的技术难题。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种实现延迟结霜与快速除霜的车用热管理系统及控制方法，以克服现有技术中车外换热器结霜，导致热泵空调系统供热能力下降，影响乘员舱的舒适性的问题。

2、本发明通过下述技术方案来解决上述技术问题：

3、一种实现延迟结霜与快速除霜的车用热管理系统，包括co2热泵空调系统和冷却液系统；

4、co2热泵空调系统由压缩机的第一端依次连接工质第三截止阀的第一端、工质第三截止阀的第二端、车内co2换热器、第一全通节流阀、回热器的c口、回热器的d口、车外co2换热器、第二板式换热器的b口、第二板式换热器的a口、工质第五截止阀、气液分离器的第一端、气液分离器的第二端、回热器的b口、回热器的a口至压缩机的第二端，形成回路；

5、压缩机的第一端还经工质第四截止阀连接至第二板式换热器的a口，回热器的c口依次经第二全通节流阀、第一板式换热器的a口、第一板式换热器的b口、工质第一截止阀的第二端、工质第一截止阀的第一端连接至工质第三截止阀的第二端，

6、工质第一截止阀的第二端经工质第二截止阀连接于气液分离器的第一端；车内co2换热器的第一侧边设置有车内风机；

7、冷却液系统由第一板式换热器的d口依次连接第二电子水泵的第一端、第二电子水泵的第二端、第一三通阀的b口、第一三通阀的c口、水路车外换热器、第二板式换热器的c口、第二板式换热器的d口、第二三通阀的b口、第二三通阀的c口、第四水路截止阀的第一端、第四水路截止阀的第二端、第一电子水泵至第一板式换热器的c口，形成回路；

8、第一板式换热器的d口还依次连接第二水路截止阀、储热水箱、第三水路截止阀至第四水路截止阀的第二端，第四水路截止阀的第一端经电池电机换热模块的b口、电池电机换热模块的a口、膨胀水箱、第一水路截止阀至第二电子水泵的第一端，第二三通阀的a口连接第一三通阀的c口，第一三通阀的a口连接第二板式换热器的c口，水路车外换热器的侧边设置有车外风机；

9、电池电机换热模块包括电机、电池以及用于给电机、电池换热的换热部件，其中，电机设置有温度传感器，用于监测电机温度；水路车外换热器设置有温度传感器，用于监测环境温度；车内co2换热器的第一侧边设置有温度传感器，用于监测乘员舱温度；电池电机换热模块的a口设置有温度传感器，用于监测电池电机换热模块a口的冷却液温度；储热水箱内部设置有温度传感器，用于监测储热水箱中的冷却液温度；车外co2换热器与第二板式换热器之间设置有温度传感器，用于监测车外co2换热器的co2蒸发温度；压缩机的第一端设置有流量计、温度传感器及压力传感器，分别用于监测工质co2的质量流量、压缩机第一端温度及压缩机第一端压力；车内co2换热器第一端和第二端均设有温度传感器和压力传感器，分别用于监测车内co2换热器的进口、出口的温度和压力。

10、一种基于实现延迟结霜与快速除霜的车用热管理系统的控制方法，使用上述的实现延迟结霜与快速除霜的车用热管理系统，

11、系统包括以下方案：常规制热方案、余热供热延迟结霜方案一、余热供热延迟结霜方案二、蓄能供热延迟结霜方案、快速除霜方案一、乘员舱供热+快速除霜方案、快速除霜方案二、快速除霜方案三及快速除霜方案四；

12、控制方法包括延迟结霜控制方法和快速除霜控制方法，其中，延迟结霜控制方法为：

13、当tamb>7℃时，系统采用常规制热方案，压缩机启动，第一全通节流阀、工质第三截止阀及工质第五截止阀开启；第二全通节流阀、工质第一截止阀、工质第二截止阀、工质第四截止阀、第一水路截止阀、第二水路截止阀、第三水路截止阀及第四水路截止阀关闭；第一三通阀的a口、b口及c口关闭，第二三通阀的a口、b口及c口关闭；

14、当tamb<7℃，tm>30℃，te>30℃时，系统采用余热供热延迟结霜方案一；

15、当tamb<7℃，tm>30℃，10℃<te≤30℃时，系统采用余热供热延迟结霜方案二；

16、当tamb<7℃，tm≤30℃或te≤10℃时，系统采用蓄能供热延迟结霜方案；

17、快速除霜控制方法为：

18、s1、当系统采用常规制热方案时，每间隔5分钟，获取以下参数：压缩机第一端工质co2的质量流量m、车内co2换热器进口即第一端压力p1、车内co2换热器进口即第一端温度t1、车内co2换热器出口即第二端压力p2和车内co2换热器出口即第二端温度t2；

19、s2、查询co2的物性参数表，结合步骤s1获取的参数，得到车内co2换热器第一端的co2焓值h1及车内co2换热器第二端的焓值h2：

20、

21、

22、s3、根据步骤s2得到的焓值及s1获取的压缩机第一端工质co2的质量流量，计算常规制热方案运行的制热量：

23、

24、s4、对比当前获取的制热量q与上一次获取的制热量q0；

25、当q>0.9q0时，系统仍采用常规制热方案；

26、当0.8q0<q≤0.9q0时，系统采用乘员舱供热+快速除霜方案；热量分配由第一全通节流阀根据乘员舱温度和环境温度控制，第一全通节流阀的开度为：

27、当0.6q0<q≤0.8q0时，判断ttank-tcom<10℃是否成立，若不成立，系统采用快速除霜方案二，若成立，则采用快速除霜方案一；

28、当q≤0.6q0时，判断ttank-tcom<10℃是否成立，若不成立，系统采用快速除霜方案四，若成立，则采用快速除霜方案三；

29、系统采用快速除霜方案四时，热量分配由第一全通节流阀根据乘员舱温度和储热水箱中的冷却液温度控制，第一全通节流阀的开度为：

30、

31、其中，tamb为环境温度，tm为电机温度，te为电池电机换热模块a口的冷却液温度；d1为第一全通节流阀的开度，tcab为乘员舱温度，tcom为压缩机第一端温度，ttank为储热水箱中的冷却液温度。

32、进一步地，当系统采用余热供热延迟结霜方案一时，在常规制热方案的基础上，开启第一水路截止阀，第一三通阀的b口、c口及第二三通阀的b口、c口；同时，控制第二电子水泵全速运行。

33、进一步地，当系统采用余热供热延迟结霜方案二时，在常规制热方案的基础上，开启第一水路截止阀，第一三通阀的a口、b口及第二三通阀的b口、c口；同时，控制第二电子水泵全速运行。

34、进一步地，当系统采用蓄能供热延迟结霜方案时，在常规制热方案的基础上，开启第二水路截止阀、第三水路截止阀、第四水路截止阀、第一三通阀的a口、b口及第二三通阀的b口、c口；

35、同时，当ttank-tamb>10℃且0<tamb<7℃时，通过控制第二电子水泵的转速调节冷却液流量，使tevp=0℃；

36、当ttank-tamb>10℃且tamb≥7℃时，通过控制第二电子水泵的转速调节冷却液流量，使tevp=tamb-2℃；

37、当ttank<tamb+10℃时，关闭第二电子水泵；

38、第二电子水泵的转速为：

39、

40、其中，nw为第二电子水泵转速，ncom为压缩机转速，tevp为车外co2换热器的co2蒸发温度。

41、进一步地，当系统采用快速除霜方案一时，在常规制热方案的基础上，关闭第一全通节流阀、工质第三截止阀及工质第五截止阀；开启第二全通节流阀、工质第二截止阀、工质第四截止阀、第二水路截止阀及第三水路截止阀；

42、同时，控制第一电子水泵全速运行。

43、进一步地，当系统采用乘员舱供热+快速除霜方案时，在快速除霜方案一的基础上，开启第一全通节流阀和工质第三截止阀。

44、进一步地，当系统采用快速除霜方案二时，在快速除霜方案一的基础上，开启第四水路截止阀，第一三通阀的a口、b口及第二三通阀的b口、c口；

45、同时，关闭第一电子水泵，控制第二电子水泵全速运行。

46、进一步地，当系统采用快速除霜方案三时，在快速除霜方案二的基础上，开启第一全通节流阀和工质第一截止阀；关闭第二全通节流阀。

47、进一步地，当系统采用快速除霜方案四时，在快速除霜方案一的基础上，开启第一全通节流阀和工质第一截止阀。

48、与现有技术相比，本发明的积极进步效果在于：

49、本发明提供的实现延迟结霜与快速除霜的车用热管理系统，包括co2热泵空调系统和冷却液系统，利用冷却液系统的储热水箱和电池电机换热模块为co2热泵空调系统提供热量，通过调节两个系统间的阀门控制，实现延迟结霜和快速除霜功能。相较于现有技术，本系统提供的延迟结霜功能，通过余热供热延迟结霜方案一、余热供热延迟结霜方案二及蓄能供热延迟结霜方案，可以充分利用车内热源，既无需牺牲热泵空调的性能，也无需消耗额外能量即可实现延迟结霜，能有效延缓结霜时间，确保车用热管理系统能长时间保持无霜状态，稳定运行；本系统提供的快速除霜功能通过快速除霜方案一、快速除霜方案二、快速除霜方案三及快速除霜方案四，能够缩短除霜时间，并且降低能耗；同时，通过乘员舱供热+快速除霜方案能够实现除霜需求和乘员舱舒适性需求的平衡。

50、本发明提供的基于实现延迟结霜与快速除霜的车用热管理系统的控制方法，包括延迟结霜控制方法和快速除霜控制方法，通过监控多个关键部件的温度，并合理利用储热水箱和电池电机换热模块的热量，有效解决了电动汽车在低温高湿工况下车外换热器结霜频繁、除霜缓慢以及除霜过程中乘员舱舒适性较差的问题。

51、本发明不仅能延缓结霜时间，实现快速除霜，而且能够实现整车能量的互补与高效利用。