一种车用动力电池的热管理系统技术方案

本发明专利技术涉及车用动力电池的热管理系统，包括压缩机机组、四通换向阀、冷凝器风扇、外部换热器、电池换热器和电池单元。外部换热器、电池换热器通过管路连接，并通过四通换向阀与压缩机机组和闪蒸中间冷却单元连接；压缩机机组包含两个压缩机，并在它们之间连接闪蒸中间冷却单元，通过控制连接管路上各开关阀的开关，使两压缩机形成串连或并联结构，在制冷工况下，采用并联模式，增强电池的冷却效果；在热泵工况下，采用串联运行模式，并实现双级压缩，使得电池加温效率在低温条件下显著提高。本发明专利技术具有独立于车辆本身而对电池进行热管理的特点，解决动力电池在冬季低温条件下面临输出急剧下降的技术瓶颈，同时使得系统开发易于实现模块化和标准化。

A thermal management system of automotive power battery

【技术实现步骤摘要】
一种车用动力电池的热管理系统
本专利技术属于新能源车领域，包括BEV(纯电动汽车)、PHEV(插电式混合电动车)，HEV(混合电动车)，具体涉及对车载动力电池提供冷却和加温的热管理系统。
技术介绍
传统车辆的整车热管理系统通常包含发动机冷却系统和车内乘员空调系统，空调系统在夏季和热天通过一套蒸汽压缩制冷系统对座舱进行冷却，而在冬季或冷天则引用发动机排气所产生的热量对座舱进行加温。出于世界环保的需要和原油供应紧张，世界上出现了新能源车型，包括纯电驱动BEV和混合动力驱动类型HEV(混合动力驱动)和PHEV(插电式混合动力驱动)。就动力配置而言，最突出的事件是动力电池的引入，其用于提供驱动电机所需的动力源，以此降低燃油的需求甚至于完全取代燃油。新能源车型具有巨大未来，有可能大量取代内燃车型，甚至在数十年内完全取而代之。然而，新能源车型的环保和燃油效率的优势不得不付出代价，表现为技术开发难度大增和成本明显上升。目前成为主流的锂电类型(不限于锂电)动力电池的热管理，成为技术难点，即既要保证电池在夏季运行的诸多状态下其内部温度不能超出限定的温度，否则其寿命将会大打折扣；对于冬季低温环境中的运行，则问题更为严重。一方面，低温环境中座舱乘员需要加温，此时由于没有燃油车发动机排气热源的供应，使用电力加温成为不二选择，其能耗可能高达5000瓦；另一方面，在低环温条件下，动力电池的输出能力大幅度下降。二者结合，对续航里程形成本质性的影响。例如，三菱电动车iMiev在正常环温时，续航里程可达160KM，而在0℃时，使用电加温对座舱加温，导致可用里程剧减到不足60KM,其衰减幅度高达60％+！而在更低的环温条件下，形势更为严重。因此，较为复杂的空气热泵加温系统成为技术方向。典型案例是，2015年在美国刚刚上市的经典BEVBMWi3在环温高于-10℃时，开始应用热泵系统改进实验性。而在在环温低于-10℃，普通热泵系统也无法正常工作，因此不得不加装一个5500瓦的PTC加温器。当前的空调系统和整车热管理系统采取共用一台压缩机方案，既要满足空调系统在夏季对座舱制冷和冬季对座舱采暖的气候调节功能，又要同时满足对动力电池在高温运行时冷却和低温条件下加温的热管理功能，使得新能源车型热管理系统开发难度大增。相当于在当前的座舱气候控制系统上，多加了一个额外的负荷，并且座舱的冷却和电池冷却二者的冷源不应在同一蒸发温度上，实现合理高效运行甚是不易。现有技术通常通过一级水冷换热器对电池进行间接降温，换热效率低，控制难度大，沿程热损失大，部件成本高，开发周期长。事实上，必须针对一个车型开发一套热管理系统，致使系统开发很难实现模块化和标准化。进一步而言，兼顾电池加温的热泵系统导致热管理系统变得更为复杂，以上述BMW为例，该热泵系统增加了36个零部件，增重约7KG。以上形势使得新能源汽车在广大高寒地区及一般地区的冬季的实用性变得十分困难，在世界范围内，形成了技术瓶颈，阻滞了新能源车辆的广泛发展。鉴于上述形势，出现了动力电池单独冷却的设计，但其功能仅限于冷却功能的实现。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本专利技术的目的在于提供一种车用动力电池的热管理系统，能够对PHEV、HEV车辆的动力电池单独进行热管理的调节装置，即可冷却亦可加温，解决动力电池在冬季面临输出极具下降的瓶颈，同时使得热力系统开发易于实现模块化和标准化，单车开发大为简化。在本热管理系统设计中，采用由两台小排量压缩机组成的热泵系统，在制冷模式下，两台压缩机并联运行，增强电池的冷却效果；在热泵模式下，两台压缩机串联运行，并采用双级压缩技术，通过中间冷却器实现热泵效率在低温条件下显著提高，获得良好的电池加温效果。本专利技术的技术方案如下：本专利技术提出一种车用动力电池的热管理系统，兼有热天降低电池温度和冬季对电池加温的功能。包括压缩机机组、四通换向阀、冷凝器风扇、外部换热器、电池换热器和电池单元(即冷却对象)。所述外部换热器、电池换热器通过管路连接，并通过四通换向阀与压缩机机组和闪蒸中间冷却单元连接。所述压缩机机组包含两个压缩机，并在两个压缩机之间连接一个闪蒸中间冷却单元，通过控制连接管路上各开关阀的开关，使两个压缩机形成串连或并联结构，实现对电池单元的冷却或加温。当电池处于被冷却状态时，第一压缩机和第二压缩机与闪蒸中间冷却单元连通的管路上的开关阀全部断开，闪蒸中间冷却单元不参与工作，第一压缩机1和第二压缩机形成并联状态，四通换向阀处于缺省状态，冷媒经过四通换向阀2的A口通向外部换热器进行冷凝散热后，经节流装置膨胀降压后，在电池换热器7内蒸发吸收电池单元的热量，实现对电池的降温。冷媒然后流向四通换向阀，经过四通态换向阀2的B口回到两个压缩机的吸气端C点，冷媒通过并联的第一压缩机和第二压缩机后，在压缩机的输出端D点汇合，再流向四通换向阀的B’点，完成整个制冷循环。当电池处于被冷却状态时，两台压缩机共同并联工作制冷循环，可实现较小型压缩机联合完成较大的冷却任务，具有强大的制冷能力。当电池处于被加温状态时，使第一压缩机和第二压缩机并联的管路上的开关阀断开，第一压缩机和第二压缩机之间通过闪蒸中间冷却单元连通，四通换向阀处于转换状态，冷媒经过四通换向阀的B’口流向电池换热器7，冷媒流过电池换热器时冷凝放热对电池单元进行加温，然后冷媒经节流装置膨胀降压后进入外部换热器吸热蒸发，再经由四通换向阀的A口，流回到第二压缩机的进口端，通过闪蒸中间冷却单元和第一压缩机完成第二级压缩，再流向四通换向阀B点，完成整个热泵循环。工作原理：依据制冷热动力学原理，当系统蒸发压力过低时，采用多级压缩循环有助于显著提高系统热效率和制热/制热量。本专利技术中，热泵工况下拟采用双级压缩循环，其热力循环P-H图如图3所示。因此，当电池处于被加温状态时，压缩机组设计为串连联合工作，将对热泵系统在低环温工况下产生较好的制热效果。以R134A工质为例，当系统工作在低温蒸发温度时，其质量流量170KG/H降低到51，降幅达70％，而系统能效系数COP则可能降低到约0.5，低于PTC电加温的热效率0.9，因此十分不经济。而如本专利技术一样经过两级压缩，COP可达约2.0，在同等质量流量条件下，得以产生较大系统的制热量，使得工作对象动力电池的本体温度尽可能的优良以取得良好的电池动力输出，产生较长的行驶距离。进一步，所述闪蒸中间冷却单元内含一个单独的节流装置和闪蒸内冷器，电池换热器的出口与节流装置的进口H通过设置有第二开关阀的管路连接，第二压缩机的输出端与闪蒸内冷器的进口K通过设置有第五开关阀的管路连接，闪蒸内冷器的顶部出汽口J与第一压缩机的输入端通过管路连接，闪蒸内冷器的底部出液口L与外部换热器的冷凝液进口通过设置有第四开关阀的管路连接；第二压缩机的输出端与第一压缩机的输入端之间还通过设置有第三开关阀的管路连接；在第一压缩机与四通换向阀连通的管路上设置有第一开关阀，在第二压缩机与四通换向阀连通的管路上设置有第六开关阀。本系统在采用两台压缩机实现双级循环时，还通过一台闪蒸中间冷却器用于过程中分离汽液，实现双级压缩。图中，高压高温蒸汽冷媒从第二压缩机排出进入闪蒸中间冷却器，在闪蒸中间冷却器中有一部分冷媒部分液化，而气态部分进入第一压缩机做第二级压缩。此后进入电池换本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种车用动力电池的热管理系统，其特征在于，包括压缩机机组、四通换向阀(2)、冷凝器风扇(4)、外部换热器(5)、电池换热器(7)和电池单元(8)；所述外部换热器(5)、电池换热器(7)通过管路连接，并通过四通换向阀2与压缩机机组和闪蒸中间冷却单元(9)连接；所述压缩机机组包含两个压缩机，并在两个压缩机之间连接一个闪蒸中间冷却单元(9)，通过控制连接管路上各开关阀的开关，使两个压缩机形成串连或并联结构，实现对电池单元的冷却或加温；当电池处于被冷却状态时，第一压缩机(1)和第二压缩机(3)与闪蒸中间冷却单元(9)连通的管路上的开关阀全部断开，闪蒸中间冷却单元(9)不参与工作，第一压缩机(1)和第二压缩机(3)形成并联状态，四通换向阀(2)的B’口和A口连通，冷媒经过四通换向阀的A口通向外部换热器(5)进行冷凝散热后，经节流装置(6)膨胀降压后，在电池换热器7内蒸发吸收电池单元(8)的热量，实现对电池的降温；由于四通换向阀(2)的A’口和B口连通，冷媒经过四通态换向阀2的B口回到两个压缩机的吸气端C点，冷媒通过并联的第一压缩机(1)和第二压缩机(3)后，在压缩机的输出端D点汇合，再流向四通换向阀(2)的B’点，完成整个制冷循环；当电池处于被加温状态时，使第一压缩机(1)和第二压缩机(3)并联的管路上的开关阀断开，第一压缩机(1)和第二压缩机(3)之间通过闪蒸中间冷却单元(9)连通，四通换向阀(2)的B口和B’口连通，冷媒通过四通换向阀(2)的B’口流向电池换热器(7)，冷媒流过电池换热器7时冷凝放热对电池单元(8)进行加温，然后冷媒经节流装置(6)膨胀降压后进入外部换热器(5)吸热蒸发，由于四通换向阀(2)的A’口和A口连通，冷媒经由四通换向阀的A口流回到第二压缩机(3)的进口端，通过闪蒸中间冷却单元(9)和第一压缩机(1)完成第二级压缩，再流向四通换向阀B点，完成整个热泵循环。...

【技术特征摘要】
1.一种车用动力电池的热管理系统，其特征在于，包括压缩机机组、四通换向阀(2)、冷凝器风扇(4)、外部换热器(5)、电池换热器(7)和电池单元(8)；所述外部换热器(5)、电池换热器(7)通过管路连接，并通过四通换向阀2与压缩机机组和闪蒸中间冷却单元(9)连接；所述压缩机机组包含两个压缩机，并在两个压缩机之间连接一个闪蒸中间冷却单元(9)，通过控制连接管路上各开关阀的开关，使两个压缩机形成串连或并联结构，实现对电池单元的冷却或加温；当电池处于被冷却状态时，第一压缩机(1)和第二压缩机(3)与闪蒸中间冷却单元(9)连通的管路上的开关阀全部断开，闪蒸中间冷却单元(9)不参与工作，第一压缩机(1)和第二压缩机(3)形成并联状态，四通换向阀(2)的B’口和A口连通，冷媒经过四通换向阀的A口通向外部换热器(5)进行冷凝散热后，经节流装置(6)膨胀降压后，在电池换热器7内蒸发吸收电池单元(8)的热量，实现对电池的降温；由于四通换向阀(2)的A’口和B口连通，冷媒经过四通态换向阀2的B口回到两个压缩机的吸气端C点，冷媒通过并联的第一压缩机(1)和第二压缩机(3)后，在压缩机的输出端D点汇合，再流向四通换向阀(2)的B’点，完成整个制冷循环；当电池处于被加温状态时，使第一压缩机(1)和第二压缩机(3)并联的管路上的开关阀断开，第一压缩机(1)和第二压缩机(3)之间通过闪蒸中间冷却单元(9)连通，四通换向阀(2)的B口和B’口连通，冷媒通过四通换向阀(2)的B’口流向电池换热器(7)，冷媒流过电池换热器7时冷凝放热对电池单元(8)进行加温，然后冷媒经节流装置(6)膨胀降压后进入外部换热器(5)吸热蒸发，由于四通换向阀(2)的A’口和A口连通，冷媒经由四通换向阀的A口流回到第二压缩机(3)的进口端，通过闪蒸中间冷却单元(9)和第一压缩机(1)完成第二级压缩，再流向四通换向阀B点，完成整个热泵循环。2.根据权利要求1所述的车用动力电池的热管理系统，其特征在于，所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：游典，翟昱民，
申请(专利权)人：重庆长安汽车股份有限公司，
类型：发明
国别省市：重庆,50