基于热管与热泵空调的新能源汽车电池热管理系统及方法技术方案

本发明专利技术提出了基于热管与热泵空调的新能源汽车电池热管理系统及方法，该系统包括热泵空调系统和热管循环系统两个部分。热泵空调系统向乘客舱进行供冷和供热的同时用于提供电池箱热管理所需的冷、热量；热管系统用于冷、热量向电池箱的高效传导。电池需要降温时，系统以制冷模式运行，制冷剂或者外部空气提供的冷量由热管循环向电池箱进行的输送；电池需要加热时，系统以制热模式运行，制冷剂提供的热量由热管循环向电池箱输送。系统的制冷和制热模式切换通过热泵系统的四通换向阀内部管道调整、以及系统中的相关制冷剂阀和热管阀的关闭或打开来实现。该系统具有热传导速率快、效率高、温度均匀性好、节能性强的特点，应用前景广阔。

Thermal management system and method of new energy vehicle battery based on heat pipe and heat pump air conditioning

【技术实现步骤摘要】
基于热管与热泵空调的新能源汽车电池热管理系统及方法
本专利技术涉及新能源汽车热管理系统设计与制造领域，尤其涉及基于热管与热泵空调的新能源汽车电池热管理系统及方法。
技术介绍
近年来，环境污染问题日益严重，汽车的尾气超标排放是造成城市环境污染的一大问题。新能源汽车(主要指电动汽车)使用清洁能源，具有污染物排放极少的特性，作为替代传统燃油车的一种有效途径，得到了飞速的发展。但是，新能源汽车的推广过程中仍然面临着一系列问题需要解决，其中动力电池的可靠性和续航问题是新能源汽车行业所关注的关键问题。高温、低温和温度不均都会对动力电池的使用性能产生影响，相比于传统的燃油汽车，动力方式的改变对新能源汽车提出了更高的热管理需求。当动力电池的温度过低时，例如在北方寒冷的冬季，需要对其进行加热以维持正常的工作温度。在现有的新能源汽车中，动力电池一般采用PTC进行加热，并且PTC不仅要承担动力电池的加热、还需要承担整车的热量供给(如乘员舱空气加热)，而PTC的电量又由动力电池自身提供。PTC对于电量的需求会极大的降低动力电池的能源储备，严重影响新能源汽车的续航问题。因此，开发更加节能的电池加热方式十分必要。另一方面，新能源汽车在充电和夏季运行时往往温度多高，需要进行降温处理，以保证电池的正常运行。现有的新能源汽车电池冷却方式主要有风冷和液冷两种。风冷方式在日系车内采用较多，电池降温的冷量一般来自汽车的空调系统，需要通过额外的风道和设备输送给电池，并且提供的冷量很有限；液冷分为水冷和制冷剂直冷两种，通过在电池箱内安装额外的冷板(冷却液为水或制冷剂)来实现，冷水主要来自水箱制冷机，而制冷剂则通过汽车空调系统分流得到，液冷方式的缺陷在于温度均匀性不好，并且容易漏液。综上所述，为了提升新能源汽车的热管理系统性能，寻求不改变设备空间尺寸、不增加额外重量、简单、高效的电池热管理系统或技术是一种有效的途径。热管技术具有被动运行、没有额外能耗，等效热导率高、均温性好，空心结构、重量轻，并且可以合理利用自然冷源达到节能的目的等特点，十分适用于在新能源汽车的电池热管理系统中引入。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供基于热管与热泵空调的新能源汽车电池热管理系统及方法，其利用热泵空调提供的冷、热量来对电池箱进行热管理，冷、热量通过热管循环高效的传递给电池箱，进而准确的控制电池的运行温度，热管系统的加入还能够充分利用外部环境空气的冷量，达到了提升新能源汽车电池热管理系统整体能效的目的。为实现上述目的，本专利技术所采用的技术方案为：基于热管与热泵空调的新能源汽车电池热管理系统，其包括：用于制冷模式和制热模式时向热管循环输送冷、热量的热泵空调系统以及热管循环系统；所述热泵空调系统包括压缩机、接于压缩机的四通换向阀、接于四通换向阀的热泵外部换热器、介于热泵外部换热器的电子膨胀阀、接于电子膨胀阀的第一三通阀、接于第一三通阀的热泵内部换热器、接于热泵内部换热器和四通换向阀的第二三通阀；所述热管循环系统包括设置于电池箱内部的热管内部换热段、通过第一热管阀而接于热管内部换热段的第一热管外部换热器、通过第三热管阀接于热管内部换热段的第二热管外部换热器，所述第二热管外部换热器另一端通过第四热管阀接于热管内部换热段，所述第四热管阀与热管内部换热段的连接管路通过第二热管阀接于第一热管外部换热器，所述第一热管外部换热器设置有通过外部风机输送外部空气的风道；所述第一三通阀和第一热泵外部换热器之间的制冷管道上设置有第一制冷剂阀门；所述第一热泵外部换热器的制冷剂流道出口与第二三通阀之间的管路设置有第二制冷剂阀；所述第二热管外部换热器的制冷剂流道进口设置有第三制冷剂阀、制冷剂流道出口设置有第四制冷剂阀。基于热管与热泵空调的新能源汽车电池热管理系统的工作方法，新能源汽车电池热管理系统的工作模式包括制冷模式和制热模式；当系统处于制冷模式时，第一热管外部换热器作为热管循环的冷凝段，第一热管外部换热器作为热管循环的冷凝段，热管内部换热段作为热管循环的蒸发段，第一热管外部换热器的安装位置高于热管内部换热段，连接两者之间的热管与水平面的夹角大于30度；此时，第一热管阀和第二热管阀处于打开状态，第三热管阀和第四热管阀处于关闭状态；当该系统处于制热模式时，热管内部换热段作为热管循环的冷凝段，第二热管外部换热器作为热管循环的蒸发段，热管内部换热段31的安装位置高于第二热管外部换热器，连接两者之间的热管与水平面的夹角大于30度；此时，第一热管阀和第二热管阀处于关闭状态，第三热管阀和第四热管阀处于打开状态。进一步，所述制冷模式具有两种运行方式；当室外环境温度较低时，热泵循环制冷剂管路上的第一制冷剂阀和第二制冷剂阀关闭，电池冷却所需冷量全部由外部空气向第一热管外部换热器供给；当室外温度较高时，热泵循环制冷剂管路上的第一制冷剂阀和第二制冷剂阀打开，第三制冷剂阀和第四制冷剂阀关闭，和电池冷却所需冷量由外部空气和热泵制冷剂同时向第一热管外部换热器供给。进一步，所述新能源汽车电池热管理系统的外部风机将环境中的自然冷能通过风道输送给第一外部换热器，随后冷量通过热管传导给热管内部换热段，从而用于电池箱中的电池的降温。进一步，所述新能源汽车电池热管理系统中采用的是重力型热管，热管内部工质的流动驱动力为重力势能和密度差。热泵空调系统通过四通换向阀的内部管道切换实现空调制冷和制热模式的切换，其提供的冷、热量主要用于对汽车乘员舱进行温度控制。其中，制冷模式时，热泵内部换热器用于乘员舱送风的降温，热泵外部换热器用于冷凝热的排放；制热模式时，热泵内部换热器用于乘员舱送风的加热，热泵外部换热器用于吸收环境空气的热量。在满足乘员舱冷、热量需求以后，热泵系统提供的冷、热量再继续用于电池箱的热管理，其冷、热量通过热管循环进行传导。热泵循环系统向电池箱供冷对电池进行降温时，热管循环系统上的第一热管阀和第二热管阀打开、第三热管阀和第四热管阀关闭；第一热管外部换热器吸收制冷剂或环境空气的冷量后，通过热管管路向电池箱内的热管内部换热段传输，用于电池降温。此时第一热管外部换热器作为热管循环系统的冷凝段、热管内部换热段作为热管循环系统的蒸发段，热管循环系统内的工质在第一热管外部换热器内吸收了冷量后变为液体并由其底部流向热管内部换热段的顶部，工质在热管内部换热段吸收了电池的热量后变为气体并由热管内部换热段底部流回第一热管外部换热器顶部，完成热管工质循环。热泵循环系统向电池箱供热对电池进行加热时，热管循环系统上的第一热管阀和第二热管阀关闭、第三热管阀和第四热管阀打开；第二热管外部换热器吸收制冷剂热量后，通过热管管路向电池箱内的热管内部换热段传输，用于电池加热，此时第二热管外部换热器作为热管循环系统的蒸发段、热管内部换热段作为热管循环系统的冷凝段，热管循环的工质在热管内部换热段向电池释放出热量后变为液体并由热管内部换热段的底部流向第二热管外部换热器的底部，热管工质随后在第二热管外部换热器内吸收制冷剂放出的热量后变为气体，随后气体工质由第二热管外部本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于热管与热泵空调的新能源汽车电池热管理系统，其特征在于，其包括：用于制冷模式和制热模式时向热管循环输送冷、热量的热泵空调系统以及热管循环系统；/n所述热泵空调系统包括压缩机、接于压缩机的四通换向阀、接于四通换向阀的热泵外部换热器、介于热泵外部换热器的电子膨胀阀、接于电子膨胀阀的第一三通阀、接于第一三通阀的热泵内部换热器、接于热泵内部换热器和四通换向阀的第二三通阀；/n所述热管循环系统包括设置于电池箱内部的热管内部换热段、通过第一热管阀而接于热管内部换热段的第一热管外部换热器、通过第三热管阀接于热管内部换热段的第二热管外部换热器，所述第二热管外部换热器另一端通过第四热管阀接于热管内部换热段，所述第四热管阀与热管内部换热段的连接管路通过第二热管阀接于第一热管外部换热器，所述第一热管外部换热器设置有通过外部风机输送外部空气的风道；/n所述第一三通阀和第一热泵外部换热器之间的制冷管道上设置有第一制冷剂阀门；所述第一热泵外部换热器的制冷剂流道出口与第二三通阀之间的管路设置有第二制冷剂阀；所述第二热管外部换热器的制冷剂流道进口设置有第三制冷剂阀、制冷剂流道出口设置有第四制冷剂阀。/n

【技术特征摘要】
1.基于热管与热泵空调的新能源汽车电池热管理系统，其特征在于，其包括：用于制冷模式和制热模式时向热管循环输送冷、热量的热泵空调系统以及热管循环系统；
所述热泵空调系统包括压缩机、接于压缩机的四通换向阀、接于四通换向阀的热泵外部换热器、介于热泵外部换热器的电子膨胀阀、接于电子膨胀阀的第一三通阀、接于第一三通阀的热泵内部换热器、接于热泵内部换热器和四通换向阀的第二三通阀；
所述热管循环系统包括设置于电池箱内部的热管内部换热段、通过第一热管阀而接于热管内部换热段的第一热管外部换热器、通过第三热管阀接于热管内部换热段的第二热管外部换热器，所述第二热管外部换热器另一端通过第四热管阀接于热管内部换热段，所述第四热管阀与热管内部换热段的连接管路通过第二热管阀接于第一热管外部换热器，所述第一热管外部换热器设置有通过外部风机输送外部空气的风道；
所述第一三通阀和第一热泵外部换热器之间的制冷管道上设置有第一制冷剂阀门；所述第一热泵外部换热器的制冷剂流道出口与第二三通阀之间的管路设置有第二制冷剂阀；所述第二热管外部换热器的制冷剂流道进口设置有第三制冷剂阀、制冷剂流道出口设置有第四制冷剂阀。


2.如权利要求1所述的基于热管与热泵空调的新能源汽车电池热管理系统的工作方法，其特征在于，新能源汽车电池热管理系统的工作模式包括制冷模式和制热模式；
当系统处于制冷模式时，第一热管外部换热器作为热管循环的冷凝段，第一热管外部换热器作为热管循环的冷凝段，热管内部换热段作为热管循环的蒸发段，第一热管外部换热器的安装位置高于热管内部...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈瑶，
申请(专利权)人：上海理工大学，
类型：发明
国别省市：上海;31