一种新能源汽车电池及座舱冷热联控系统

1.本发明属于汽车热管理技术领域，特别涉及一种新能源汽车电池及座舱冷热联控系统。


背景技术：

2.目前，随着新能源汽车的快速发展，电池和座舱的温度控制问题成为了一个重要的研究方向。电动汽车存在续驶里程不足和续驶里程随外界环境温度变化波动较大的问题，而这对于驾驶员存在“里程焦虑”。因此建立综合的热管理系统，将整车能量有效的存储和利用是延长续驶里程，实现电动汽车大规模产业化的关键技术。
3.相变材料在汽车热管理系统研究中展现出良好前景，在相变过程中可以释放或吸收大量的热量，从而实现储能和释能，具有较高的储能密度和长期稳定性。然而，现有的新能源汽车电池和座舱的温度控制通常是分开进行的，因此需要安装两套独立的控制系统，增加了成本和复杂度。并且，现有的空调系统通常无法充分利用介质的残余热量或冷量，造成能源浪费。


技术实现要素：

4.为解决现有技术中存在的上述技术问题，本发明提供了一种新能源汽车电池及座舱冷热联控系统。
5.本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：
6.一种新能源汽车电池及座舱冷热联控系统，包括压缩机、第一四通换向阀、车外换热单元、膨胀阀、电池换热单元、座舱换热单元，还包括储能模块、第二四通换向阀、循环泵。第一四通换向阀、车外换热单元、膨胀阀、第二四通换向阀依次循环连接，压缩机的两端与第一四通换向阀的另外两个端部连接，从而能够改变循环管路中介质的流向，切换制冷、制热模式。第二四通换向阀剩下的两个端部中的一个与循环泵连接，与循环泵并联设置有第一旁通管路，并设置有三通换向阀，控制循环泵和第一旁通管路同一时间仅有一条处于连通状态。循环泵与第一旁通管路的另一端汇集后，后端并联有座舱换热单元和电池换热单元，座舱换热单元和电池换热单元的另一端汇集后连接有储能模块，储能模块的另一端与第二四通换向阀的最后一个端部连接。与电池换热单元串联有电池换热阀。第二四通换向阀与循环泵的中间管路，以及第二四通换向阀与储能模块的中间管路，通过管道连通，并且连通管道上安装有第一截止阀。
7.进一步，与储能模块并联有第二旁通管路，并通过设置第二三通换向阀来控制第二旁通管路的开关。
8.进一步，与储能模块并联有第二旁通管路，并且第二旁通管路上安装有储能旁通阀。
9.进一步，储能模块包括多个并联的储能单元，每个储能单元串联有第二截止阀。
10.进一步，储能单元包括相变区和介质区，相变区填充有相变材料，介质区与相变区
接触换热，并参与系统内的介质循环。
11.进一步，电池上还设置有自由换热区，自由换热区上端通过管道与某个或某些储能单元的介质区的上端连接，下端与某个或某些储能单元的介质区的下端连接。
12.进一步，与储能模块还并联有玻璃水箱换热单元，玻璃水箱换热单元串联有玻璃水换热阀。
13.与现有技术相比，本发明至少具有如下有益效果：
14.1、本发明将储能系统和空调系统有机结合，在不同的季节采用不同的循环模式，充分发挥相变储能作用，合理回收空调系统制冷或制热时的残留的冷量或热量以及电池产生的热量，根据不同工况的特征，采用不同的循环模式满足不同的制冷或制热需要，能源回收和利用更加合理。
15.2、本发明整合电池和座舱的温度控制，降低了成本和复杂程度。
16.3、本发明通过设置多个储能单元，合理分配储能单元的能量释放，保证随时能够以最高效率调取储能模块的能量。
17.4、本发明利用介质温差，在自由换热区和储能单元的介质区之间形成自然环流，进行缓慢的热交换，在部分工况下无需开启电池换热单元，减少能耗；在停车期间，可以调节电池温度，使得电池温度不至于过低或者过高，尤其是在冬季，在储能单元的热量耗尽之前，可以维持电池温度不过低，减少电池容量损失，消除冬季“里程焦虑”。
附图说明
18.图1为本发明新能源汽车电池及座舱冷热联控系统的系统结构示意图。
19.图中：100-压缩机、110-第一四通换向阀、120-车外换热单元、130-膨胀阀、140-电池换热单元、141-电池换热阀、150-座舱换热单元、200-储能模块、210-第二旁通管路、220-储能旁通阀、230-储能单元、231-相变区、232-介质区、240-第二截止阀、300-第二四通换向阀、400-循环泵、410-第一旁通管路、420-三通换向阀、500-第一截止阀、600-自由换热区、700-玻璃水箱换热单元、710-玻璃水换热阀。
具体实施方式
20.在本实施例的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
21.在本实施例的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“相连”、“连接”应做广义理解。
22.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步地详细描述。
23.参照图1，本实施例公开了一种新能源汽车电池及座舱冷热联控系统，包括压缩机100、第一四通换向阀110、车外换热单元120、膨胀阀130、电池换热单元140、座舱换热单元150，还包括储能模块200、第二四通换向阀300、循环泵400。第一四通换向阀110、车外换热单元120、膨胀阀130、第二四通换向阀300依次循环连接，压缩机100的两端与第一四通换向
阀110的另外两个端部连接，从而能够改变循环管路中介质的流向，切换制冷、制热模式。第二四通换向阀300剩下的两个端部中的一个与循环泵400连接，与循环泵400并联设置有第一旁通管路410，并设置有三通换向阀420，控制循环泵400和第一旁通管路410同一时间仅有一条处于连通状态。循环泵400与第一旁通管路410的另一端汇集后，后端并联有座舱换热单元150和电池换热单元140，座舱换热单元150和电池换热单元140的另一端汇集后连接有储能模块200，储能模块200的另一端与第二四通换向阀300的最后一个端部连接。与电池换热单元140串联有电池换热阀141。第二四通换向阀300与循环泵400的中间管路，以及第二四通换向阀300与储能模块200的中间管路，通过管道连通，并且连通管道上安装有第一截止阀500。
24.本实施例的原理和使用方法如下：
25.在冬季，座舱的需求为取暖，储能模块200的作用是储存热量。车辆冷启动时，座舱以及电池需要快速升温，介质从车外换热单元120吸取热量，依次经过第一四通换向阀110、压缩机100、第一四通换向阀110、第二四通换向阀300、第一旁通管路410，进入座舱换热单元150以及电池换热单元140放热，从而进行快速升温。放热后的介质从座舱换热单元150以及电池换热单元140流出并进入储能模块200，储能模块200吸收介质中残余的热量，随后介质依次途径第二四通换向阀300和膨胀阀130后回到车外换热单元120吸取热量，完成制热循环。
26.当电池温度上升到适宜区间，并且电池自身产热可以维持自身温度后，关闭电池换热阀141。如果电池自身产热多于维持自身温度所需热量，则可开启车辆自身的散热口进行风冷散热。由于电池自身产热量较少，在冬季时，一般难以维持自身热损失，偶尔多余的热量可以直接排走，在此工况下不具有回收价值。
27.在储能模块200储存有一定热量的情况下，如果对于热量的需求不是特别迫切，比如正常行驶一段时间后，可停止压缩机100的运行，或者进一步使用阀门关闭压缩机100制热循环，并开启第一截止阀500和循环泵400。当介质热量低于储能模块200的释能温度时，储能模块200将热量释放到介质中，介质从储能模块200途径循环泵400进入座舱换热单元150和电池换热单元140，并在座舱换热单元150和电池换热单元140内释放热量，随后又回到储能模块200，完成制热循环。如果电池不需要额外供热，关闭电池换热阀141即可。以上循环也可以逆向进行，本实施例不做限定。
28.在夏季时，座舱的需求为制冷，储能模块200的作用是储存冷量。相比于冬季，第一四通换向阀110切换方向，同时第二四通换向阀300也要切换方向。压缩机100压缩介质，介质途径第一四通换向阀110进入车外换热模块。在需要快速制冷时，例如经过长时间暴晒后启动车辆，介质从车外换热模块吸取冷量，依次途径膨胀阀130、第二四通换向阀300第一旁通管路410，进入座舱换热单元150以及电池换热单元140释放冷量，从而进行快速降温。放热释放冷量后的介质从座舱换热单元150以及电池换热单元140流出并进入储能模块200，储能模块200吸收介质中残余的冷量，随后介质途径第二四通换向阀300回到压缩机100，完成制冷循环。
29.在储能模块200储存有一定冷量的情况下，如果对于冷量的需求不是特别迫切，比如正常行驶一段时间后，或者天气不是特别炎热时，可停止压缩机100的运行，或者进一步使用阀门关闭压缩机100制冷循环，并开启第一截止阀500和循环泵400。当介质热量高于储
能模块200的储能温度时，储能模块200吸走热量，将冷量释放到介质中，介质从储能模块200途径循环泵400进入座舱换热单元150和电池换热单元140，并在座舱换热单元150和电池换热单元140内释放冷量，随后又回到储能模块200，完成制冷循环。以上循环也可以逆向进行，本实施例不做限定。
30.由于人们在冬季出行和夏季出行时穿着的衣物不同，并且从健康的角度出发，车内外温差不易过大，所以一般冬季需求座舱温度较低，夏季需求座舱温度较高。在这个基础上，合理设置储能模块200吸热和放热的临界温度，让临界温度高于冬季座舱需求温度而低于夏季座舱需求温度，即可让储能模块200在冬季实现制热而夏季实现制冷。而人体适宜的温度范围恰好也在电池的适宜工作温度范围内，因此储能模块200的吸热和放热过程同样也能够为电池提供良好的温度环境。而且，在一种特殊的工况下，比如冬季温度不是很低时，使用储能模块200为座舱供热，而电池自身温度又较高，则途径座舱换热模块的介质释放热量，而途径电池换热模块的介质又吸收热量，两股介质混合后能够抵消部分温度降低，相当于间接利用电池产生的热量为座舱提供部分供热，节约热能。在一些常年低温或高温的地区，也可以使用临界温度较高或较低的储能模块200，从而提高制热或制冷的工作温度范围以及换热温差。亦或者在能够有效控制成本的前提下，可以根据气候变化更换不同临界温度的储能模块200。
31.在春秋天气，由于电池的适宜和工作温度范围较大，座舱需要制冷而电池需要制热的情况并不存在，因此不需要考虑。在行驶过程中，可能出现座舱需要供暖而电池需要散热的情况，此时可以开启上一段中介绍的特殊工况下间接利用电池产生的热量为座舱提供部分供热的模式。如果储能模块200不需要存储热量，或者电池释放的热量超过了座舱的需求，可以适当开启车辆自身的散热口为电池进行风冷散热。如果电池电池释放的热量不能满足座舱需求，则进入上文介绍的冬季取暖模式。
32.在本实施例中，优选与储能模块200并联有第二旁通管路210，并通过设置第二三通换向阀420或者储能旁通阀220来控制第二旁通管路210的开关。在一些及其特殊的情况下，实际上在正常使用中这种工况不应当存在，但以防万一，即座舱需要持续进行高效率的制冷或制热，而储能模块200的冷量或热量已经存满，但储能模块200释放冷量或热量的速度又无法满足座舱需求时，亦或者储能模块200损坏无法使用时，可开启储能旁通阀220，关闭储能模块200，直接使用压缩机100为座舱提供冷量或热量。
33.储能模块200包括多个并联的储能单元230，每个储能单元230串联有第二截止阀240，用于控制各个储能单元230的开关。现有的一般储能设备，能量越饱满，释放能量的速度越快。在存储能量时，对各储能单元230依次进行储能。在释放能量时，可以根据需求的迫切性，选择使用饱满的储能单元230或者已经部分释放能量的储能单元230，合理利用各储能单元230，保证随时能够以最高效率调取储能模块200的能量。
34.储能单元230包括相变区231和介质区232，相变区231通过相变材料提高储能密度，介质区232与相变区231充分接触换热，并参与系统内的介质循环。介质区232并非简单的管道，而是自成区间，存储的介质量远高于一般的管道，从而能够轻松吸收前端介质带来的冷量或热量，并输出满足温度要求的介质，从而消除相变材料换热慢的弊端。在持续的使用中，如果一个储能单元230中的介质温度严重偏离相变材料的温度，即相变材料的换热速度跟不上消耗时，可暂时关闭该储能单元230，开启其他储能单元230，待介质温度接近相变
材料温度后再重新启用。采用上述技术方案，可进一步保证随时能够以最高效率调取储能模块200的能量。
35.电池上还设置有自由换热区600，自由换热区600为具有一定高度差的换热空间，上端通过管道与某个或某些储能单元230的介质区232的上端连接，下端与某个或某些储能单元230的介质区232的下端连接。在电池温度少量偏移储能单元230的温度时，利用介质的温差，在自由换热区600和储能单元230的介质区232之间形成自然环流，进行缓慢的热交换，而且温差越大，这种换热的速度越快。采用这种设计，在部分工况下无需开启电池换热单元140，减少能耗；在停车期间，可以调节电池温度，使得电池温度不至于过低或者过高，尤其是在冬季，在储能单元230的热量耗尽之前，可以维持电池温度不过低，减少电池容量损失，消除冬季“里程焦虑”。
36.与储能模块200还并联有玻璃水箱换热单元700，玻璃水箱换热单元700串联有玻璃水换热阀710。采用这种设计，在蓄能模块200饱满时，可以利用玻璃水储能，在冬季也可以提高玻璃水的温度，使用高温玻璃水冲开出口处的冰块，甚至帮助融化前挡风玻璃上的冰块。
37.以上仅对本发明的较佳实施例进行了详细叙述，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种新能源汽车电池及座舱冷热联控系统，包括压缩机(100)、第一四通换向阀(110)、车外换热单元(120)、膨胀阀(130)、电池换热单元(140)、座舱换热单元(150)，其特征在于，还包括储能模块(200)、第二四通换向阀(300)、循环泵(400)；所述第一四通换向阀(110)、所述车外换热单元(120)、所述膨胀阀(130)、所述第二四通换向阀(300)依次循环连接，所述压缩机(100)的两端与所述第一四通换向阀(110)的另外两个端部连接，从而能够改变循环管路中介质的流向，切换制冷、制热模式；所述第二四通换向阀(300)剩下的两个端部中的一个与所述循环泵(400)连接，与所述循环泵(400)并联设置有第一旁通管路(410)，并设置有三通换向阀(420)，控制所述循环泵(400)和所述第一旁通管路(410)同一时间仅有一条处于连通状态；所述循环泵(400)与所述第一旁通管路(410)的另一端汇集后，后端并联有所述座舱换热单元(150)和所述电池换热单元(140)，所述座舱换热单元(150)和所述电池换热单元(140)的另一端汇集后连接有所述储能模块(200)，所述储能模块(200)的另一端与所述第二四通换向阀(300)的最后一个端部连接；与所述电池换热单元(140)串联有电池换热阀(141)；所述第二四通换向阀(300)与所述循环泵(400)的中间管路，以及所述第二四通换向阀(300)与所述储能模块(200)的中间管路，通过管道连通，并且连通管道上安装有第一截止阀(500)。2.根据权利要求1所述的新能源汽车电池及座舱冷热联控系统，其特征在于，与所述储能模块(200)并联有第二旁通管路(210)，并通过设置第二三通换向阀(420)来控制所述第二旁通管路(210)的开关。3.根据权利要求1所述的新能源汽车电池及座舱冷热联控系统，其特征在于，与所述储能模块(200)并联有第二旁通管路(210)，并且所述第二旁通管路(210)上安装有储能旁通阀(220)。4.根据权利要求1所述的新能源汽车电池及座舱冷热联控系统，其特征在于，所述储能模块(200)包括多个并联的储能单元(230)，每个所述储能单元(230)串联有第二截止阀(240)。5.根据权利要求4所述的新能源汽车电池及座舱冷热联控系统，其特征在于，所述储能单元(230)包括相变区(231)和介质区(232)，所述相变区(231)填充有相变材料，所述介质区(232)与所述相变区(231)接触换热，并参与系统内的介质循环。6.根据权利要求5所述的新能源汽车电池及座舱冷热联控系统，其特征在于，电池上还设置有自由换热区(600)，所述自由换热区(600)上端通过管道与某个或某些所述储能单元(230)的所述介质区(232)的上端连接，下端与某个或某些所述储能单元(230)的所述介质区(232)的下端连接。7.根据权利要求1所述的新能源汽车电池及座舱冷热联控系统，其特征在于，与所述储能模块(200)还并联有玻璃水箱换热单元(700)，所述玻璃水箱换热单元(700)串联有玻璃水换热阀(710)。

技术总结
本发明属于汽车热管理技术领域，具体公开了一种新能源汽车电池及座舱冷热联控系统，包括压缩机、第一四通换向阀、车外换热单元、膨胀阀、电池换热单元、座舱换热单元、储能模块、第二四通换向阀、循环泵。第一四通换向阀、车外换热单元、膨胀阀、第二四通换向阀依次循环连接，压缩机的两端与第一四通换向阀的另外两个端部连接。第二四通换向阀剩下的两个端部中的一个与循环泵连接，后端并联有座舱换热单元和电池换热单元，座舱换热单元和电池换热单元的另一端汇集后连接有储能模块，储能模块的另一端与第二四通换向阀的最后一个端部连接。本发明根据不同工况的特征，采用不同的循环模式满足不同的制冷或制热需要，能源回收和利用更加合理。理。理。


技术研发人员：赵辉 李爱艳 郑文韬
受保护的技术使用者：烟台职业学院
技术研发日：2023.06.29
技术公布日：2023/8/13