一种车辆集成热管理系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及热管理技术领域，特别涉及一种车辆集成热管理系统及其控制方法。

背景技术

现有热管理技术制冷循环设备与热管循环设备通过独立的升降温控制循环回路，可以有效的解决温度在正负变化较大工况下，电动车电池能够适应过热或过冷的环境温度变化，依靠换热循环回路达到正常工作状态进行运转。以及通过多级散热、蒸发器与冷凝器并排压缩冷凝等技术有效的提高了电动车热管理设备在高低温工况下的灵活调节性和换热效率。

但依旧存在以下问题：换热系统组成复杂、控制不够精确灵敏、反应效果不够佳、集成度不够、节能效率不够高的问题，即在不同环境模式下，系统环境适配性、节能性和调节性不能很好的满足使用要求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种车辆集成热管理系统及其控制方法，通过对电动汽车各工作组件的温度按需调控、冷/热量汇总到冷却液保温箱再按需分配的集成管理，能够实现电动汽车热管理系统的管路简化、结构优化、节能高效的目标。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种车辆集成热管理系统包括恒温箱系统，恒温箱系统包括冷却液保温箱，冷却液保温箱内设有内部换热器和换热介质，内部换热器与热泵循环系统连接，冷却液保温箱对各工作组件的换热模块进行供液，集成控制器对恒温箱箱系统、热泵循环系统以及各工作组件的换热模块进行控制，热泵循环系统包括四通换向阀、压缩机、外部换热器、第一输送泵以及膨胀阀，内部换热器的第二端与四通换向阀的C口以及压缩机的B端连接，四通换向阀的D口与内部换热器的中部连接，压缩机的A端与四通换向阀的B口以及外部换热器的第一端连接，外部换热器的中部与四通换向阀的A口连接，外部换热器的第二端与第一输送泵、膨胀阀以及内部换热器的第一端依次连接。

优选的方案中，所述冷却液保温箱内设有PTC加热器。

优选的方案中，所述冷却液保温箱上部设有补液箱。

优选的方案中，所述压缩机、第一输送泵、膨胀阀两端分别并联第一控制阀、第二控制阀和第三控制阀。

优选的方案中，所述各工作组件的换热模块包括电池组换热模块、座舱换热模块、座椅换热模块和电机换热模块，各工作组件的换热模块并联连接，冷却液保温箱通过第二输送泵对各工作组件的换热模块进行供液。

优选的方案中，所述电池组换热模块、座舱换热模块、座椅换热模块和电机换热模块的并联管路上分别设有第一阀门、第二阀门、第三阀门和第四阀门。

本发明还提供一种车辆集成热管理系统的控制方法，包括如下步骤：

步骤一、依据环境温度、电机轴输出功率、电池组负载出口冷却液温度、座舱制冷制热模式及目标温度值、电机负载出口冷却液温度以及汽车驾驶模式判断系统的热管理模式；

步骤二、在高温强制冷模式下，集成控制器发配制冷指令，外部换热器第一端与压缩机A端连接，压缩机B端与内部换热器连接，内部换热器中的冷却介质吸收冷却液保温箱中的热量，四通换向阀的滑块运动，导通C口和D口，热流体依次通过D口、C口进入压缩机加压，第一控制阀关闭，压缩机将来自内部换热器的高温流体进行压缩，获得高压流体到达外部换热器，外部换热器通过制冷剂吸收来自压缩机的高热量，冷凝剂蒸发散热，第二控制阀和膨胀阀打开，散热后的流体流经第二控制阀和膨胀阀，膨胀阀将冷流体进行降压处理，流入冷却液保温箱中，第二输送泵将冷却后的流体压入工作组件的换热模块，根据工作组件的换热模块换热需求，控制第一阀门、第二阀门、第三阀门和第四阀门的开启程度；

步骤三、在较强制冷模式下，第一控制阀打开，第二控制阀、第三控制阀、压缩机关闭，内部换热器通过流体将热量依次流经四通换向阀的D口和C口，流经第一控制阀，到达外部换热器，与自然环境进行换热，制冷后的流体流经第一输送泵和膨胀阀到达内部换热器，冷却液保温箱中的温度降低，冷流体通过第二输送泵流入工作组件的换热模块进行热交换；

步骤四、高温充电模式下，开启第二输送泵和第一阀门打开，第二阀门、第三阀门和第四阀门关闭，冷却液保温箱中冷却液输送至电池组换热模块对电池组进行冷却；当检测到电池负载出口冷却液温度高于设定温度B5，环境温度高于冷却液保温箱温度后，重复步骤二或三，开启热泵循环系统，为充电模式下的电池产热提供冷量；

步骤五、在低温强制热模式下，外部换热器第一端与压缩机A端连接，压缩机B端与内部换热器连接，在极冷的情况下，PTC加热器启动对冷却液保温箱中的冷却剂进行加热，再由第二输送泵将热流体运送至各工作组件的换热模块进行热交换对各工作组件进行加热；冷却液保温箱中的热量将通过热泵循环系统到达外部换热器进行消霜，第一输送泵和第三控制阀关闭，第二控制阀开启，内部换热器中的冷却介质吸收冷却液的热量，四通换向阀滑块运动，导通D口与C口，第一控制阀关闭，压缩机将来自内部换热器的高温流体进行压缩，高压流体到达外部换热器，外部换热器通过制冷剂吸收来自压缩机的高热量，冷凝剂蒸发散热，达到消霜的目的，散热后的流体流经第二控制阀和膨胀阀，降压后，流入冷却液保温箱中，当各工作组件进入正常温度范围后，PTC加热器停止加热；

步骤六、在较强制热模式下，四通换向阀接通A口和B口，关闭第一控制阀，外部换热器制取的热量经过压缩机进入内部换热器，在其中蒸发散热，使得冷却液保温箱中的工质升温，散热后的流体进入膨胀阀，关闭第一输送泵和第三控制阀，通过第二控制阀进入外部换热器继续吸收环境热量进入热泵制热循环，升温的冷却液保温箱中的热量经第二输送泵流向各工作组件的换热模块进行制热。

本发明提供的一种车辆集成热管理系统及其控制方法 ，具有以下有益效果：

1、在热泵循环系统中的压缩机、泵、膨胀阀两端各增加了一个控制阀，可以实现各工况下运行时的通量自动调节，提升热泵效率，减少能耗。

2、各工作组件的换热模块分别设置第一阀门、第二阀门、第三阀门、第四阀门，可以实现工作温度按需调节的灵活变通性，提高系统工作稳定性和工作效率。

3、设置了集中的冷却液保温箱处理所有的负载冷量/热量需求，实现按需自动分配。该冷却液保温箱也是热泵循环系统与负载系统的中介，冷却液保温箱的热量汇总也是使得系统的控制难度降低。

4、利用输送泵泵、冷却液保温箱、工作组件区组成的热管理系统实现了管路简化。

附图说明

下面结合附图和实施实例对本发明作进一步说明：

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为热泵循环系统的结构示意图；

图3为四通换向阀的结构示意图；

图4为恒温箱系统的结构示意图；

图5为本发明控制流程图；

图6为高温强制冷循环示意图；

图7为低温强制热循环示意图；

图中：冷却液保温箱1，内部换热器2，集成控制器3，四通换向阀4，压缩机5，外部换热器6，第一输送泵7，膨胀阀8，PTC加热器9，补液箱10，第一控制阀11，第二控制阀12，第三控制阀13，电池组换热模块14，座舱换热模块15，座椅换热模块16，电机换热模块17，第二输送泵18，第一阀门19，第二阀门20，第三阀门21，第四阀门22。

具体实施方式

如图1~4所示，一种车辆集成热管理系统，包括恒温箱系统，恒温箱系统包括冷却液保温箱1，冷却液保温箱1内设有内部换热器2和换热介质，内部换热器2与热泵循环系统连接，冷却液保温箱1对各工作组件的换热模块进行供液，具体的，冷却液保温箱1通过冷却液循环管道与运行工作机组的换热模块进行换热，冷却液循环管道通过第二输送泵18实现冷却液输送，各工作机组上设有温度传感器，对系统所有需要温度控制的组件进行时时监测，通过温度反馈，控制系统工况运行变更和各阀门开启程度，保证均处于适宜环境温度下运转。

集成控制器3对恒温箱箱系统、热泵循环系统以及各工作组件的换热模块进行控制，热泵循环系统包括四通换向阀4、压缩机5、外部换热器6、第一输送泵7以及膨胀阀8，内部换热器2的第二端与四通换向阀4的C口以及压缩机5的B端连接，四通换向阀4的D口与内部换热器2的中部连接，压缩机5的A端与四通换向阀4的B口以及外部换热器6的第一端连接，外部换热器6的中部与四通换向阀4的A口连接，外部换热器6的第二端与第一输送泵7、膨胀阀8以及内部换热器2的第一端依次连接。

改变四通换向阀4的流通方向改变热管理工作模式，用来实现不同工况下热泵循环的运行调节。

所述冷却液保温箱1内设有PTC加热器9，形成恒温热交换系统。

优选的所述冷却液保温箱1上部设有补液箱10。补液箱10用做冷却液注入通道，保证冷却液充足，减少换热损失。

所述压缩机5、第一输送泵7、膨胀阀8两端分别并联第一控制阀11、第二控制阀12和第三控制阀13。可以实现各工况下运行时的通量自动调节，提升热泵效率，减少能耗。

在本实施例中，所述各工作组件的换热模块包括电池组换热模块14、座舱换热模块15、座椅换热模块16和电机换热模块17，各工作组件的换热模块并联连接，冷却液保温箱1通过第二输送泵18对各工作组件的换热模块进行供液。

所述电池组换热模块14、座舱换热模块15、座椅换热模块16和电机换热模块17的并联管路上分别设有第一阀门19、第二阀门20、第三阀门21和第四阀门22。依据各组件需求量调节换热。

一种集成热管理系统的控制方法，包括如下步骤：

步骤一、温度传感器采集外界环境、电动汽车冷凝工质、冷却液恒温箱、汽车各工作组件的温度信息，依据环境温度、电机轴输出功率、电池组负载出口冷却液温度、座舱制冷制热模式及目标温度值、电机负载出口冷却液温度以及汽车驾驶模式判断系统的热管理模式。

如图5所示，具体可以分成高温强制冷模式、低温强制热模式、较强制冷模式、较强制热模式、高温充电模式等。依据工作模式设定恒温箱的恒温温度。

若反馈信息为环境温度高于设定值A1时，且电池负载的出口冷却液温度高于B1，判定处于高温强制冷模式，开启压缩机5，热泵循环系统满功率运行；若电池负载持续升高，高于B2，B2＞B1，则第二阀门20和第三阀门21调小开关量；若环境温度低于箱温度设定值S，电池负载的出口冷却液温度低于B3，座舱选择制冷模式，且设定温度高于C1，则判定系统处于较强制冷模式。此时压缩机5无需开启，仅开启第一输送泵7即可。

若反馈信息为环境温度低于设定值A2，空气湿度高于E1时，则判定可能为结霜环境，则判定系统处于低温强制热模式，汽车启动初开启备用电源，给PTC加热器9供电，升高冷却液保温箱1，开启第二输送泵18，仅开启第一阀门19，当电池出口的冷却液温度高于B4后，打开电池组供电。此时PTC加热器9供电可切换至电池组，第一输送泵7开启，对外部换热器的结霜进行处理。之后关闭第一输送泵7，开启压缩机5，启动热泵循环系统。当恒温箱温度高于S1后，可以关闭PTC加热器9加热，之后开启座舱负载的阀门13。

步骤二、如图6所示，在高温强制冷模式下，集成控制器3发配制冷指令，外部换热器6第一端与压缩机5的A端连接，压缩机5的B端与内部换热器2连接，内部换热器2中的冷却介质吸收冷却液保温箱1中的热量，四通换向阀4的滑块运动，导通C口和D口，热流体依次通过D口、C口进入压缩机5加压，第一控制阀11关闭，压缩机5将来自内部换热器2的高温流体进行压缩，获得高压流体到达外部换热器6，外部换热器6通过制冷剂吸收来自压缩机5的高热量，冷凝剂蒸发散热，第二控制阀12和膨胀阀8打开，散热后的流体流经第二控制阀12和膨胀阀8，膨胀阀8将冷流体进行降压处理，流入冷却液保温箱1中，第二输送泵18将冷却后的流体压入工作组件的换热模块，根据工作组件的换热模块换热需求，控制第一阀门19、第二阀门20、第三阀门21和第四阀门22的开启程度。

步骤三、在较强制冷模式下，第一控制阀11打开，第二控制阀12、第三控制阀13、压缩机5关闭，内部换热器2通过流体将热量依次流经四通换向阀4的D口和C口，流经第一控制阀11，到达外部换热器6，与自然环境进行换热，制冷后的流体流经第一输送泵7和膨胀阀8到达内部换热器2，冷却液保温箱1中的温度降低，冷流体通过第二输送泵18流入工作组件的换热模块进行热交换；

步骤四、热环境充电模式下，开启第二输送泵18和第一阀门19打开，第二阀门20、第三阀门21和第四阀门22关闭，冷却液保温箱1中冷却液输送至电池组换热模块14对电池组进行冷却；当检测到电池负载出口冷却液温度高于设定温度B5，环境温度高于冷却液保温箱1温度后，重复步骤二或三，开启热泵循环系统，为充电模式下的电池产热提供冷量；

步骤五、如图7所示，在低温强制热模式下，外部换热器6第一端与压缩机5A端连接，压缩机5B端与内部换热器2连接，在极冷的情况下，PTC加热器9启动对冷却液保温箱1中的冷却剂进行加热，再由第二输送泵18将热流体运送至各工作组件的换热模块进行热交换对各工作组件进行加热；冷却液保温箱1中的热量将通过热泵循环系统到达外部换热器6进行消霜，第一输送泵7和第三控制阀13关闭，第二控制阀12开启，内部换热器2中的冷却介质吸收冷却液的热量，四通换向阀4滑块运动，导通D口与C口，第一控制阀11关闭，压缩机5将来自内部换热器2的高温流体进行压缩，高压流体到达外部换热器6，外部换热器6通过制冷剂吸收来自压缩机5的高热量，冷凝剂蒸发散热，达到消霜的目的，散热后的流体流经第二控制阀12和膨胀阀8，降压后，流入冷却液保温箱1中，当各工作组件进入正常温度范围后，PTC加热器9停止加热。

步骤六、在较强制热模式下，外部换热器6可以向外界借取一份热量，并且自身产生一份热量，此时以1：2的比例产生双份热量向循环系统供热，四通换向阀4接通A口和B口，关闭第一控制阀11，外部换热器6制取的热量经过压缩机5进入内部换热器2，在其中蒸发散热，使得冷却液保温箱1中的工质升温，散热后的流体进入膨胀阀8，关闭第一输送泵7和第三控制阀13，通过第二控制阀12进入外部换热器6继续吸收环境热量进入热泵制热循环，升温的冷却液保温箱1中的热量经第二输送泵18流向各工作组件的换热模块进行制热。

在制冷/热过程中各组件控制阀门依据具体需求自动调节开启状态，达到集成度、灵敏度、节能性、通路简化度均优化的目标。

本发明设置了集中的冷却液保温箱1处理所有的负载冷量/热量需求，实现按需自动分配。该冷却液保温箱1也是热泵循环系统与负载系统的中介。冷却液保温箱1的热量汇总也使得系统的控制难度降低，实现按需自动分配。