一种车用能源管理系统及其控制方法与流程

本发明涉及车辆能源技术领域，具体涉及一种混合动力车用能源管理系统及控制方法。

背景技术：

电池作为混合动力车的动力之一，在电池组温度较低，如果直接使用电池组作为动力源会降低电池组的性能和使用寿命，采用电加热器对电池组进行升温是常用的方式，这样导致电能消耗。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种车用能源管理系统及其控制方法，以有利于节约能源。

一种车用能源管理系统，包括发动机散热与客舱制热回路和电池回路；所述车用能源管理系统包括第一制热换热器和第二制热换热器，所述第二制热换热器为双流道换热器，所述第二制热换热器包括相互隔离且能够热交换的第一流道与第二流道，所述电池回路包括所述第二制热换热器的第二流道、第一水泵和传热件，所述第二制热换热器的第二流道能够与所述传热件连通；所述发动机散热与客舱制热回路包括所述第一制热换热器、所述第二制热换热器的第一流道和发动机组，所述第二制热换热器的第一流道能够与所述发动机组连通，所述第一制热换热器能够与所述发动机组连通。

一种车用能源管理系统的控制方法，所述车用能源管理系统的控制方法能够应用于车用能源管理系统，所述车用能源管理系统包括传热件，所述传热件能够调控电池组的温度，所述车用能源管理系统包括电池预热模式，在所述电池预热模式，所述发动机的冷却液流体流经所述第二制热换热器的第一流道，所述电池回路的流体流经所述第二制热换热器的第二流道，电池回路的流体在所述第二制热换热器升温后流回电池组给电池预热；

车用能源管理系统的控制方法包括以下步骤：

检测电池组的温度，判断电池组的温度与适宜工作温度范围的关系，当电池组温度低于适宜工作温度范围时，启动电池预热模式。

车用能源管理系统包括发动机散热与客舱制热回路和电池回路，车用能源管理系统包括第二制热换热器，第二制热换热器为双流道换热器，第二制热换热器的第一流道是发动机散热与客舱制热回路的一部分，第二制热换热器的第二流道是电池回路的一部分，发动机散热与客舱制热回路内的流体能够与电池回路内的流体在第二制热换热器热交换，发动机散热与客舱制热回路内热量能够传递到电池回路，以调整电池回路的温度，以有利于节约能源。

附图说明

图1为本发明第一实施例在电动工况时热量管理的示意图；

图2为本发明第一实施例在车辆发动机运行时热量管理的示意图；

图3为本发明第一实施例在电池预热模式时的热量管理示意图；

图4为本发明第一实施例在环境温度较低电池组作为动力运行时的热量管理示意图；

图5为本发明第一实施例在环境温度较低发动机运行时的热量管理示意图；

图6为车辆启动时运行的一种控制流程的示意图；

图7为本发明另一实施例管路连接的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行具体说明，本技术方案以整车为着眼点，对电池组、发动机冷却系统及空调系统三个模块进行热量综合管理，使发动机和电池组等动力系统工作在较佳状态下，为乘客舱提供相对舒适的乘车环境。该热量管理系统可通过控制多个控制阀和多个水泵以实现热量的综合循环利用和电动工况下的采暖，既节能又环保。

本发明的第一种实施例的车用能源管理系统如图1-图6所示，车用能源管理系统包括制冷剂循环回路1、发动机散热与客舱制热回路2以及电池回路3。制冷剂循环回路1包括依次连通形成制冷剂回路的压缩机11、冷凝器12、节流装置和蒸发器，以及风机19。蒸发器包括用于冷却车舱的第一蒸发器15和用于冷却电池组32的第二蒸发器17，两个蒸发器前置相对应的节流装置分别为第一节流装置14和第二节流装置16，第一节流装置14和第二节流装置16可以为热力膨胀阀、电子膨胀阀或节流管。为了使第一蒸发器和第二蒸发器能够独立工作，在第一节流装置14和第二节流装置16前端设置了第一截止阀13和第二截止阀13’，如果节流装置选用带关闭功能的电子膨胀阀，可以不设置截止阀，而由电子膨胀阀执行关闭功能，如图1所示，第一节流装置14为热力膨胀阀、第二节流装置16为电子膨胀阀，因此只在第一节流装置14前设置了第一截止阀13。本实施例中第一蒸发器和第二蒸发器并联设置，通过两者的制冷剂流量分别经两个节流装置控制，这样更有利于控制车舱与电池的温度，另外在要求相对较低的系统，第一蒸发器和第二蒸发器也可以呈串联设置，这样只需要一个节流装置。

发动机散热与客舱制热回路2包括大循环回路和小循环回路，大循环回路包括通过管路连接的发动机组21、散热箱22、第二水泵23、三通阀24、加热器25、第一制热换热器28、第二制热换热器29的一部分、第一控制阀26、第二控制阀27以及膨胀水壶210。其中第一控制阀26和第二控制阀27可以用三通控制阀代替，发动机组21包括发动机21a、节温器21b和内置式水泵21c，内置式水泵可以是机械式水泵，另外也可以是电子式水泵，另外水泵还可以设置在发动机组外而不限于内置于发动机组内。而小循环回路是冷却液从发动机组出来后流经旁通管路4，而旁通散热箱22，使流经这部分管路的流体不再经过散热箱22。发动机组21包括三个与冷却液流体连接的接口：其中一个作为进口、另外连接到散热箱22的第一出口及连接到旁通管路4的第二出口。

电池回路3包括管路连接的第一水泵31、电池组32以及第二蒸发器17的一部分、第二制热换热器29的一部分以及膨胀水壶33，电池回路的管路经过第二蒸发器17的第二流道及、第二制热换热器29的第二流道。另外车用热量管理系统还包括给散热箱22与冷凝器12提供风力的冷却风机18，使空气流与散热箱22和或冷凝器12换热。电池组32包括电池及与电池固定设置用于对电池进行散热或加热的传热件，传热件可以是通过电池设置的板片状结构，板片状传热件还包含用于冷却液流体流通的进出口，传热件内部设置有用于热传导的流体。

本说明书中提到的水泵、膨胀水壶、水阀、水路等的介质不仅可用于水，也可以用于冷却液、或传热介质混合的其他水溶液。

其中第二蒸发器17为双通道换热器，设有制冷剂流道作为第一流道和为电池组提供热量或冷量的流体流道作为第二流道；其中，第二蒸发器17内的制冷剂流道与制冷剂循环回路1连接，第二蒸发器17为电池提供热量或冷量的流体流道与电池回路3连接。电池回路3的流体与制冷剂循环回路1的制冷剂相互密闭隔离，实现流体和制冷剂之间的热交换，且优选为逆流换热，即两者流经第二蒸发器的方向大致相反。

所述第二制热换热器29为双流道换热器，两个流道相互密闭隔离，两个流道中第一流道的流体为发动机冷却液，第一流道291与发动机散热与客舱制热回路2连通，第二流道292与电池回路3连通，具体地，第一流道291的两个端口分别通过阀门、管路与发动机组21的冷却液的进出口相连通，第二流道292的两个端口分别通过第二蒸发器的一个流道、第一水泵31与对电池组32进行热管理的传热件的两端连通。

所述发动机散热与客舱制热回路2和电池冷却回路3中设置的膨胀水壶有两个作用：其一是循环系统内的流体如冷却液温度升高，使得流体体积增大，膨胀水壶可以作为一个储液壶；其二是升温后的流体中可能含有气泡，膨胀水壶可以起到气液分离的作用，实现流入换热器内的流体气泡含量尽可能少，从而加强换热器的换热效率。为了实现这一功能需将膨胀水壶安装在系统的最高点，从而可以排除或减少系统流体内的气泡。

上述的混合动力车用能源管理系统在发动机工况和电动机工况均可以实现整车的热量管理，使电池和发动机工作在较佳温度范围，并为乘客舱提供相对舒适的乘车环境。

车用能源管理系统可以根据不同的环境温度及车况选用不同的工作模式，具体工作模式包括至少五种工作模式，具体如下。

第一工作模式为环境温度相对较高且车辆采用电池作为动力运行的情况。如夏季高温时，在混合动力车辆采用电池带动电动机工作的情况下，车用能源管理系统不仅需要为乘客舱进行制冷，实现对车舱的冷却降温，还需要为电池组32进行散热冷却，使电池组32工作在较佳温度范围。第二工作模式为环境温度相对较高且车辆采用发动机作为动力运行的情况，在混合动力车辆的发动机工况，需要为乘客舱进行制冷，对车舱进行冷却降温，同时还需对发动机进行散热冷却，使发动机21a在适宜的温度状态下工作。

第一工作模式时，系统工作过程如图1实线所示，这时制冷剂循环回路1工作，第一水泵工作，第二水泵不工作，第一截止阀13打开。以电池电源作为动力的压缩机11消耗一定的电能，将相对低温低压的气态制冷剂压缩成高温高压的气态制冷剂，高温高压气态制冷剂进入冷凝器12后被冷凝器风扇18产生的空气流冷却，制冷剂经冷却变为相对较高温度与压力的状态或经冷却发生相变而冷凝成液态，同时释放热量。此时，第一蒸发器15和第二蒸发器17同时工作，制冷剂从冷凝器12出来后分为至少两路，其中两路分别流向第一节流装置14和第二节流装置16，并分别经节流后流向第一蒸发器15和第二蒸发器17。制冷剂一路经过第一截止阀13、第一节流装置14进行节流，降压降温变成低温低压的制冷剂，此制冷剂进入第一蒸发器15与车内空气进行热量交换。在这过程中，低温低压制冷剂吸收车内空气中的热量，制冷剂温度升高或制冷剂本身发生相变而蒸发成气态，从第一蒸发器15出来的气态制冷剂再被压缩机11压缩成高温高压气态制冷剂，如此循环工作。同时，经风机19送往车内的空气在经过第一蒸发器时被降温减湿，从而降低车舱内的温度，提供舒适的乘车环境。第二路制冷剂经过第二节流装置16进行节流，这部分制冷剂降压降温后进入第二蒸发器17的第一流道171与第二蒸发器17的第二流道172内的流体进行热量交换，第二蒸发器17的第二流道172作为电池回路3的一部分，第二流道172内的流体经冷却后流回电池组32，对电池进行降温；经过第二蒸发器17的制冷剂吸收流体的热量，升温或气化后与第一蒸发器15出来的制冷剂混合流回压缩机11，完成制冷剂的循环。此时电池回路3的第一水泵31工作，从第二蒸发器17的第二流道172出来的低温流体经第二制热换热器29的第二流道292回到电池组32，低温流体在电池组32为电池冷却降温，然后升温后的流体再经过第一水泵31、再到第二蒸发器的第二流道进行热交换，此时第二制热换热器29不进行热交换，第二制热换热器29的第二流道292不工作，只是作为流体流道。其中制冷剂可以是会发生相变的制冷剂，也可以是一般不会发生相变的制冷剂如co2。

第二工作模式时，系统工作过程如图2实线所示，这时制冷剂循环回路1工作，第二水泵23不工作，第一截止阀13打开，第二控制阀27关闭，第一控制阀26开启，发动机组的内置式水泵21c驱动冷却流体在循环回路2内流动，三通阀24的第二端口24b与第一端口24a之间导通，三通阀24的第二端口24b与第三端口24c之间不导通；此时混合动力车辆的发动机作为动力运行，此时节温器21b通向旁通管路4的端口根据需要而导通或不导通，由发动机组或控制器根据温度控制。制冷剂循环回路进入制冷模式，具体制冷剂循环回路1的工作方式与上面的第一工作模式相同，此处不再赘述。

发动机21a刚启动时，冷却液温度相对较低，冷却液在循环回路2内流动路线采用小循环回路的方式，即冷却液不经过散热箱22而是通过旁通管路4直接流过，从而使水温升高。工作过程如下：冷却液由发动机组内置式水泵21c驱动流经节温器21b，此时发动机冷却液温度较低，使节温器21b关闭了通往散热箱22的水路，来自发动机的冷却液经旁通管路4经三通阀24流向加热器25，加热器25可选择加热或不加热，如果加热器25加热，可使冷却液温度更快的达到发动机适宜的工作温度；冷却液经加热器25流向第一控制阀26、第一制热换热器28流回发动机21a，形成闭环回路，此时第一制热换热器28被空调箱温度风门完全挡住，不会与风机19驱动的空气流进行热量交换。当发动机21a温度升高时，节温器21b逐渐打开通往散热箱22的回路，此时冷却液一部分流往旁通管路4形成小循环，另一部分经散热箱22被车外冷凝风扇18散热冷却，然后与小循环回路内的冷却液混合形成闭环回路。当发动机水温达到较高温度如80℃以上时，旁通管路4被节温器21b完全关闭，冷却液基本全部流向散热箱22，而进行大循环，此时加热器25不工作作为冷却液流道使用。

第三工作模式为电池预热模式，适用于环境温度较低如冬季低温时且车辆为冷启动的情况，系统工作过程请参图3实线所示，这时制冷剂循环回路1不工作，第一水泵31工作，第二水泵23不工作，第二控制阀27开启，第一控制阀26开启，发动机组的内置式水泵21c驱动冷却流体在循环回路2内流动，三通阀24的第二端口24b与第一端口24a之间导通，三通阀24的第二端口24b与第三端口24c之间不导通。在车辆刚启动时，电池组32温度较低，需先检测电池组32温度再判断车辆运行模式，控制方法如图6所示。车辆启动时，控制器先检测电池组32温度，当电池组32温度低于其适宜工作温度范围时，适宜工作温度可以在控制器预设，利用发动机21a进行低速驱动，从而可以利用发动机21a余热通过第二制热换热器29为电池组32进行预热，同时冷却液通过第二制热换热器29对电池组32提供热量，使电池升温。

在行驶过程中，控制器同步的检测整车车速，当整车车速大于速度阈值时(例如60km/h，高速路况)则继续执行发动机模式，如果整车车速小于速度阈值(城市工况)则当电池组32在适宜工作温度范围时再切换成电池作为动力的工作模式。这种控制方法在低温工况下，首先利用发动机进行驱动，通过发动机余热对电池组进行升温及乘客舱制热，当电池组32的温度在适宜工作温度范围时再使用电池作为动力运行，该方法可以满足整车驱动的同时实现发动机热量回收，相对于现有系统可以减少加热器的功率输出，提升混合动力车辆系统在冬季使用电池时的续航里程及减少电池在低温下的工作时间。在混合动力车辆的发动机工况下，循环回路2可以使发动机工作在较佳的温度状态，还可以利用发动机21a余热实现乘客舱采暖的需求。

第三工作模式的系统工作流程如图3实线所示。通过第二制热换热器29使发动机的热量传递给电池组32，使电池升温，压缩机11不工作。从发动机组21流出来的相对高温的冷却液在发动机组21内置式水泵21c的驱动下直接经由旁通管路4、三通阀24、并经加热器25流向第一控制阀26和第二控制阀27，一部分经第一控制阀26流向第一制热换热器28，与经风机送往车辆内的空气流进行热量交换而被降温；另一部分经第二控制阀27流向第二制热换热器29的第一流道291，与电池回路3内的冷却液进行热量交换而被降温，与第一制热换热器28流出来的冷却液混合流回发动机组21，形成循环工作，而电池回路3内的低温流体经第一水泵31驱动流经第二制热换热器29的第二流道292，与循环回路2内的相对高温的冷却液热量交换而升温，升温后的流体流回电池组32对电池进行预热，当电池组32的电池工作温度达到适宜工作温度范围，且整车车速低于速度阈值时，可以停止发动机运行而切换到电池作为动力的模式即第四工作模式，整车车速高于速度阈值时启动发动机模式即第五工作模式。

第四工作模式是环境温度相对较低如冬季而混合动力车辆采用电池作为动力的工作模式，模式包括模式a与模式b，模式a压缩机11不工作，而模式b压缩机11工作。下面先介绍模式a，这时系统通过第一控制阀26和第二控制阀27控制是否需要为乘客舱和电池组32提供热量，如果需要为电池组32继续提供热量，第二控制阀27打开，而如果电池本身发热不需要提供热量，则将第二控制阀27关闭即可，即加热器25可根据情况选择是否工作；而如果电池发热较厉害，需要冷却时，可以选择性开启制冷剂循环回路对电池进行冷却。

下面以电池仍需加热为例进行说明，请参图4，这时压缩机11、发动机21a不工作，第二水泵23、第一水泵31、加热器25工作，三通阀24的第三端口24c与第一端口24a之间导通，三通阀24的第二端口24b与第一端口24a之间不导通。相对低温的冷却液流体在第二水泵23的驱动下由三通阀24控制流向加热器25，三通阀24流向为第三端口24c至第一端口24a，通过加热器25对冷却液流体进行循环加热。升温后的流体经第一控制阀26流向第一制热换热器28，与经风机19送往车内的空气进行热量交换而被降温，同时，经风机19送往第一制热换热器28的空气被加热，从而提升车舱内的温度，提供舒适的乘车环境。同时升温后的流体可以选择性经第二控制阀27流向第二制热换热器29，与电池回路3的流体在第二制热换热器29进行热量交换而被降温，同时，电池回路3的流体适当升温而提供热量给电池。在不需要加热时，关闭第二控制阀27即可。

而如果天气比较冷，而湿度比较大的时候，汽车车室内需要除湿，这时此需要启动压缩机，使制冷剂循环系统工作，即模式b，模式b的其他方面参照上面介绍的模式a。

第五工作模式是环境温度相对较低如冬季而混合动力车辆采用发动机作为动力的工作模式，系统工作流程参图5实线所示。这种工作模式的工作过程可以包括如下过程：在车辆停放了较长时间而发动机刚启动时，冷却液的温度较低，冷却液经节温器21b控制流向旁通管路4而形成小循环，经三通阀24控制流向加热器25。当发动机冷却液流体的温度达到80℃以上时，旁通管路4被节温器关闭或部分导通，冷却液大部分或全部流向散热箱22，而进行大循环，一方面实现发动机的冷却散热，另一方面实现乘客舱的采暖需要，此时加热器25不工作仅作为冷却液流道使用。所以旁通管路4、散热箱22所在的管路是根据冷却液流体温度选择性连通，或者在一定的冷却液流体温度范围内，旁通管路4、散热箱22所在的管路都连通但两管路的流体的比例由节温器21b根据冷却液流体温度而分配。

在第五工作模式时，如果需要利用电池为整车供低压电，则可以为电池进行预热再使电池为整车供电。此时可使第二控制阀27开启，通过第二制热换热器29将冷却液流体的热量带给电池回路3，提升电池组32的温度，从而保证电池在低温下的性能的同时为整车正常供电。

在春秋或夏季普通工况，混合动力车辆的热量管理可以通过第一截止阀13和电子膨胀阀16控制分别实现乘客舱和电池组32的制冷；通过第一控制阀26和第二控制阀27控制分别实现乘客舱的采暖和电池组32的预热，还可以通过散热箱22、加热器25使循环回路2内的冷却液温度工作在适宜的范围内。上面介绍的车用能源管理系统在第一蒸发器和第二蒸发器前分别设置了节流装置，能够依据乘客舱和电池组对制冷量需求的不同实现相对独立的控制；而供热则通过发动机散热与客舱制热回路，因此制冷系统和制热系统之间没有直接联系，便于相对独立管理；并通过在发动机散热与客舱制热回路2内设置了第二制热换热器29，在冬季低温时，利用发动机的余热对电池组32进行预热升温后再判断是否采用电池作为动力使用，可以有效的保护电池低温性能和延长电池使用寿命。

通过在发动机散热与客舱制热回路2设置第二水泵23，第二水泵23的一端连通发动机组21的冷却液流体入口，另一端连接到散热箱22的冷却液流体出口或通过三通阀24或其他控制阀连接到散热箱22的冷却液流体出口，在发动机21a工作时，第二水泵23不参与冷却液流体的驱动；当发动机21a不工作而需要采暖或电池预热时，第二水泵23工作，通过第二水泵23的驱动实现冷却液流体的循环工作，从而保证了混合动力车辆在电动工况下无需启动发动机即可以为整车供暖。

本发明的第二实施方式如图7所示，制冷剂循环回路1、发动机散热与客舱制热回路2与第一实施方式基本一样，其主要区别是在电池回路3内还设置了室外换热器36，室外换热器36与第二蒸发器和第二制热换热器的第二流道所在的管路并联设置，并且设置了第三截止阀34和第四截止阀35，第三截止阀34设置在第二蒸发器与第二制热换热器所在的管路，第四截止阀35设置在室外换热器36所在的管路。混合动力车辆在电动工况，当电池运行稳定且需要散热时，通过控制第四截止阀35和第三截止阀34，可以选择室外换热器36或制冷剂循环回路对电池组32进行散热冷却。当电池组32温度不是很高时，打开第四截止阀35，关闭第三截止阀34，可以通过室外换热器36实现电池组自然散热；当电池组32温度相对较高时，打开第三截止阀34，关闭第四截止阀35，可通过制冷剂循环回路1实现电池组冷却。同时，也可以选择第三截止阀34与第四截止阀35均打开，使室外换热器36同时进行散热，这样可以减少利用制冷剂循环回路进行散热的量，这样可进一步节能，而其他工作方式与实施方式一相似，此处不再赘述。

从上可以看出，通过在车辆启动时对电池温度进行检测，如果温度低于设定值，则采用发动机运行的模式，并利用发动机余热对电池进行预热，使电池温度逐步升高到适宜使用范围，然后再使用电池作为动力的方式，这样可以提高电池的使用寿命，具体包括以下步骤：

(10)车辆启动

(20)检测电池温度，如果电池温度大于等于设定值，则转(30)；如果电池温度小于设定值，则转(40)；

(30)采用电池作为动力运行的方式即电动机方式，并转(50)；

(40)采用发动机作为动力运行的方式即电动机方式，并对电池进行预热，再转(50)；

(50)检测车辆运行速度，如果车辆速度大于等于设定值，则转(40)；如果车辆速度小于设定值，则转(20)。

上面介绍的实施方式中，针对两个蒸发器是分别采用两个节流装置来进行节流控制的，另外也可以只在冷凝器12出口出来的主路中设置一个节流装置，即节流装置是设置在并联的两个蒸发器管路之前的，而在两个蒸发器所在的管路中分别设置一个流量控制阀，这样同样能实现控制目的。另外，在电池回路中第二蒸发器的第二流道与第二制热换热器的第二流道的顺序可以调整，即将第二蒸发器的第二流道设置在第二制热换热器与电池组之间也可。

需要说明的是：以上实施例仅用于说明本发明而并非限制本发明所描述的技术方案，例如一些序号的编号，尽管本说明书参照上述的实施例对本发明已进行了详细的说明，但是，本领域的普通技术人员应当理解，所属技术领域的技术人员仍然可以对本发明进行相互组合、修改或者等同替换，如实施例中的三通阀就可以用两个控制阀替代等，而一切不脱离本发明的精神和范围的技术方案及其改进，均应涵盖在本发明的权利要求范围内。