一种燃料电池车用热泵空调系统及热管理方法与流程

1.本发明涉及新能源汽车的空调系统，具体涉及燃料电池车用热泵空调系统及燃料电池车热管理方法。


背景技术：

2.燃料电池新能源车(例如氢燃料电池车)的燃料电池电堆、动力电池对工作环境的温度均有要求，所以需要相应的热系统对其进行冷却和加热，而且动力电池和电池电堆在工作时会产生可以利用的废热，所以将车辆的暖通空调(hvac)与电池的热系统进行关联是现有技术中通常的做法，车辆的暖通空调本质上是一种空气源热泵空调，其包括制冷剂回路和送风装置，制冷剂回路中具有压缩机、节流阀(膨胀阀)以及功能各异的用于传递热量的换热器(包括车内换热器、车外换热器等等)，送风装置包括风道和风机，利用空气循环及相应的换热器能够对车厢内空气进行制冷、加热、除湿。
3.例如在授权公告号cn110641248b的发明专利所公开的燃料电池汽车热泵空调系统中，就将燃料电池的冷却液回路与热泵空调的制冷剂回路通过相关的换热器进行了关联，在燃料电池堆温度较低时，空调制冷剂可帮助燃料电池升温，改善其冷启动性能，反之，燃料电池的余热则可以与热泵空调共同供暖，以降低热泵在运行过程中所需吸收的热量，降低能耗并减少空调室外机的结霜概率。
4.但上述的燃料电池车用热泵空调系统中，热泵空调有制冷、制热两种运行模式，而在两种运行模式中制冷剂流经车外换热器和节流阀的先后顺序是相反的，所以需要用四通阀和单向阀对制冷剂的流向进行正反向两种控制，从而制冷剂回路中有两种方向相反的流向，这导致该系统中的制冷管线布设较为复杂，且需要用切换四通阀并辅助单向阀才能保证流向符合需求，控制难度大、成本高且容易发生故障。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种燃料电池车用热泵空调系统，以解决现有系统中的正反换向的制冷剂回路存在的管线复杂、难于控制的问题。同时提供使用该燃料电池车用热泵空调系统的燃料电池车热管理方法。
6.本发明的一种燃料电池车用热泵空调系统，包括制冷剂回路、冷却液回路、空调模块，还包括液冷冷凝器，液冷冷凝器具有第一、二换热通路；所述制冷剂回路中具有压缩机、与压缩机出口连接的前通路、车外换热器、与压缩机入口连接的后通路，车外换热器在制冷剂回路中位于前通路和后通路之间；所述前通路中依次设有液冷冷凝器的第一换热通路、前节流通路，前节流通路中设置有前节流支路、前直通支路、前控制阀，前控制阀用于选择前节流支路或前直通支路连通所述第一换热通路和车外换热器，前节流支路中设置有前节流阀；所述后通路中依次设有后节流通路、气液分离器，后节流通路中设置有后节流支路、后直通支路、后控制阀，后控制阀用于选择后节流支路或后直通支路连通所述车外换热器和气液分离器，后节流支路包括第一后节流支路，第一后节流支路中依次设置有第一后节
流阀、蒸发器；蒸发器被构造于空调模块中而用于吸热；所述冷却液回路中具有有水泵、液冷冷凝器的第二换热通路、燃料电池换热器、水暖芯体，燃料电池换热器用于与燃料电池进出水通路换热，水暖芯体被构造于空调模块中而用于放热；所述燃料电池车用热泵空调系统被设置成：(1)若前控制阀选通前直通支路，后控制阀选通后节流支路，则车外换热器作为冷凝器，节流前的制冷剂流过车外换热器向外界放热；节流后的制冷剂进入蒸发器吸热以对车厢制冷；(2)若前控制阀选通前直通支路，后控制阀选通后节流支路，且冷却液回路工作，则车外换热器作为冷凝器，节流前的制冷剂流过液冷冷凝器通过冷却液回路对水暖芯体加热、流过车外换热器向外界放热；节流后的制冷剂进入蒸发器吸热；(3)若前控制阀选通前节流支路，后控制阀选通后直通支路，且冷却液回路工作；则车外换热器作为蒸发器，节流前的制冷剂流过液冷冷凝器并通过冷却液回路对暖风芯体加热，节流后的制冷剂流过车外换热器从外界吸热。
7.本发明提供的燃料电池车用热泵空调系统，以压缩机和室外换热器为分界点，将制冷剂回路分成了前后两部分，并在前后两部分中分别设置了换热器(即前通路中的液冷冷凝器、后通路中的蒸发器)、节流支路和直通支路，并以前后控制阀的选通，能够实现不需要正反换向的前、后两种节流方式，即在室外换热器之后节流以形成液冷冷凝器和室外换热器放热、空调模块中的蒸发器吸热制冷，或者在室外换热器之前节流以形成液冷冷凝器放热、室外换热器吸热，并且能够通过冷却液回路将液冷冷凝器获得的热量传递至空调模块的水暖芯体，以不需要换向的制冷剂回路实现多种工作方式，在保证系统功能实现的前提下，减少部件安装空间，节约系统成本。
8.进一步的，所述前控制阀是设置在前直通支路中的开关阀。
9.进一步的，所述后控制阀是三通换向阀，设置在后节流支路和后直通支路的前端。
10.进一步的，还包括用于对车辆的驱动电机散热的电机散热器，所述车外换热器和电机散热器设置在一起。
11.进一步的，还包括换热风机，换热风机与车外换热器和电机散热器设置在一起。
12.进一步的，所述冷却液回路中还设置有ptc加热器。
13.进一步的，所述后节流支路还包括与第一后节流支路并联的第二后节流支路，第二后节流支路中依次设置有第二后节流阀、动力电池换热器，动力电池换热器用于与车辆的动力电池进行热交换。
14.本发明的一种燃料电池车热管理方法，基于上述的燃料电池车用热泵空调系统，所述方法以如下的至少一种方式工作：
15.(1)系统制冷：前控制阀选通前直通支路，后控制阀选通后节流支路，冷却液回路及液冷冷凝器不工作，车外换热器作为冷凝器，节流前的制冷剂流过车外换热器向外界放热而被冷却；节流后的制冷剂进入蒸发器给车厢降温；
16.(2)系统除湿：前控制阀选通选通前直通支路，后控制阀选通后前节流支路，冷却液回路及液冷冷凝器工作，车外换热器作为冷凝器，节流前的制冷剂依次流过液冷冷凝器、车外换热器放热而被冷却，流过液冷冷凝器的高温高压制冷剂对暖风芯体加热；节流后的制冷剂进入蒸发器；同时，空调模块的空气先经蒸发器进行冷却后再由暖风芯体进行加热成为干燥空气，吹入到车厢内进行除湿；
17.(3)系统制热：前控制阀选通前节流支路，后控制阀选通后直通支路，冷却液回路
及液冷冷凝器工作，车外换热器作为蒸发器，节流前的制冷剂流过液冷冷凝器，流过液冷冷凝器的高温高压制冷剂对暖风芯体加热；节流后的制冷剂流过车外换热器从外界吸热；
18.(4)余热利用：在冷却液回路及液冷冷凝器工作时，燃料电池的热量经过燃料电池换热器被加入到冷却液回路中，以加热暖风芯体和液冷冷凝器。
19.本发明提供的燃料电池车热管理方法，基于上述的制冷剂回路不需要换向的燃料电池车用热泵空调系统，能够以不换向的方式实现空调制冷/制热/除湿，还同时兼顾燃料电池的余热利用，在保证系统功能实现的前提下，减少部件安装空间，节约系统成本。
20.进一步的，所述冷却液回路中还设置有ptc加热器；在系统制热工作方式中，ptc加热器用于补充热量。
21.进一步的，所述后节流支路还包括与第一后节流支路并联的第二后节流支路，第二后节流支路中依次设置有第二后节流阀、动力电池换热器，动力电池换热器用于与车辆的动力电池进行热交换；在系统制冷工作方式中，节流后的制冷剂还同时进入动力电池换热器以对动力电池冷却。
附图说明
22.图1是本发明的实施例的结构示意图；
23.图中：
24.1、压缩机；2、液冷冷凝器；3、前节流阀；31、第一后节流阀；32、第二后节流阀；4、前控制阀；5、膨胀水箱；6、水泵；7、ptc加热器；8、开关阀；9、燃料电池换热器；10、暖风芯体；11、蒸发器；12、鼓风机；13、空调模块；14、换热风机；15、电机散热器；16、车外换热器；17、后控制阀；18、动力电池换热器；19、气液分离器；20、燃料电池进出水通路；21、燃料电池进出水通路；22、动力电池进出水通路。
具体实施方式
25.本发明的一种实施例，如图1所示，该燃料电池车用热泵空调系统主要包括制冷剂回路、冷却液回路、液冷冷凝器2和空调模块13(hvac总成)。
26.制冷剂回路中具有压缩机1、与压缩机1出口连接的前通路、车外换热器16、与压缩机1入口连接的后通路，车外换热器16在制冷剂回路中位于前通路和后通路之间。
27.所述前通路中依次设有液冷冷凝器2的第一换热通路、前节流通路，前节流通路包括前节流支路、前直通支路、前控制阀4、前节流阀3，前节流支路和前直通支路并联，前节流阀3设置在前节流支路中，前控制阀4为电磁阀，前控制阀4设置在前直通支路中，前控制阀4用于选通前节流支路或前直通支路，即选择所述前通路经过前节流阀3节流后连通下游或者不经过前节流阀3直通到下游。具体的，前控制阀4打开时，前直通支路工作，前节流阀3被短路，前控制阀4关闭时，前直通支路被截断，前节流阀3工作；当然在其它实施例中，前控制阀4也可以是三通换向阀，设置在前节流支路和前直通支路的前端，通过换向选通前节流支路或前直通支路，当然，前控制阀4也可以是两个开关阀，分别设置在前节流支路和前直通支路中，通过一个开另一个闭的控制，选通前节流支路或前直通支路。
28.所述车外换热器16和电机散热器15设置在一起，共用换热风机14，电机散热器15用于对车辆的驱动电机散热。
29.所述后通路中依次设有后节流通路、气液分离器19。后节流通路包括后节流支路、后直通支路、后控制阀17、后节流阀。后节流支路和后直通支路并联，后节流支路中分岔为两条，包括：第一后节流支路、第二后节流支路，后节流阀设置在后节流支路中，也包括两个：第一后节流阀31、第二后节流阀32，分别设置在第一后节流支路、第二后节流支路中，第一后节流支路中还设有蒸发器11，蒸发器11位于第一后节流阀31下游，蒸发器11同时被构造于后述详细介绍的空调模块13中；第二后节流支路中还设有动力电池换热器18，动力电池换热器18位于第二后节流阀32下游，动力电池换热器18同时处于车辆的动力电池进出水通路22中，动力电池换热器18及动力电池进出水通路22用于和车辆的动力电池进行热交换。
30.后控制阀17为两位三通电磁阀，后控制阀17有一个进口和a、b两个通道，进口与车外换热器16的出口连通，a、b两个通道的出口分别连接后节流支路、后直通支路，即后控制阀17设置在后节流支路、后直通支路的前端，后控制阀17用于选通后节流支路或后直通支路，即选择所述后通路经过后节流阀节流后连通下游或者不经过后节流阀直通到下游。具体的，后控制阀17的进口和b通道的出口连通时，后直通支路工作，后节流支路不通；后控制阀17的进口和a通道的出口连通时，后直通支路被关闭，第一后节流支路、第二后节流支路打开，两个后节流阀工作，蒸发器11和动力电池换热器18工作；当然在其它实施例中，后控制阀17也可以是开关阀，分别设置在后节流支路和后直通支路中，通过开闭控制，选通后节流支路或后直通支路。
31.冷却液回路中依次设有水泵6、液冷冷凝器2的第二换热通路、ptc加热器7、燃料电池换热器9、水暖芯体、膨胀水箱5。燃料电池换热器9同时处于燃料电池进出水通路21中，燃料电池进出水通路21中设有开关阀8，开关阀8为电磁阀，开关阀8用于控制燃料电池进出水通路21向燃料电池换热器9供热。
32.空调模块13包括鼓风机12和风道，所述第一后节流支路中的蒸发器11被构造于空调模块13中向乘员舱提供冷量，所述冷却液回路中的水暖芯体被构造于空调模块13中向乘员舱提供热量。所以空调模块13集成了鼓风机12、蒸发器11、水暖芯体。
33.本发明的上述实施例能够以后述的多种方式工作，这同时也是本发明的燃料电池车热管理方法的实施例，即本发明的燃料电池车热管理方法的实施例，是以如下的至少一种方式工作：
34.1)系统制冷：前控制阀4选通前直通支路，后控制阀17选通后节流支路，冷却液回路及液冷冷凝器2不工作，车外换热器16作为冷凝器，节流(膨胀)前的制冷剂流过车外换热器16向外界放热而被冷却。
35.前控制阀4打开，从压缩机1出来的高温高压制冷剂经过液冷冷凝器2后，经车外换热器16冷却后，从后控制阀17的a通道(b通道关闭)分两路进入两个后节流阀，节流后分别进入蒸发器11和动力电池换热器分别给车厢降温及动力电池冷却，然后汇合后由气液分离器19回到压缩机1，该循环中水泵6关闭，冷却液回路不工作。
36.2)系统除湿：前控制阀4选通选通前直通支路，后控制阀17选通后前节流支路，冷却液回路及液冷冷凝器2工作，车外换热器16作为冷凝器，节流(膨胀)前的制冷剂流过液冷冷凝器2、车外换热器16放热而被冷却。
37.前控制阀4关闭，从压缩机1出来的高温高压制冷剂流经液冷冷凝器2、车外换热器
16，此时，水泵6打开，冷却液回路工作，液冷冷凝器2中的高温高压制冷剂由暖风芯体10进行散热，从后控制阀17的a通道(b通道关闭)进入后节流阀，节流后进入蒸发器11，然后由气液分离器19回到压缩机1；同时，空调模块13的空气先经蒸发器11进行冷却后再由暖风芯体10进行加热成为干燥空气，通过鼓风机12吹入到车厢内进行除湿。
38.3)系统制热：前控制阀4选通前节流支路，后控制阀17选通后直通支路，冷却液回路及液冷冷凝器2工作，车外换热器16作为蒸发器11，节流(膨胀)后的制冷剂流过车外换热器16从外界吸热。
39.前控制阀4关闭，从压缩机1出来的高温高压制冷剂经过液冷冷凝器2后经前节流阀3节流后进入车外换热器16，此时，水泵6打开，冷却液回路工作，液冷冷凝器2中的高温高压制冷剂由暖风芯体10进行散热，从后控制阀17的b通道(a通道关闭)进入气液分离器19回到压缩机1，热空气通过鼓风机12吹入到车厢内进行制热。
40.在冷却液回路系统中，ptc加热器7主要为热量补充，当环境温度较低、压缩机1系统(即制冷剂回路的)热量不足或燃料电池热量不够、压缩机1制热系统(即制冷剂回路)结霜时，开启ptc加热器7，保证系统的运行和车厢温度的稳定性。
41.4)余热利用：压缩机1关闭，开关阀8打开，燃料电池的热水经过燃料电池换热器9进行热量交换，交换后的高温水进入到构造于空调模块13中的暖风芯体10中，经鼓风机12吹入车厢进行加热，同时燃料电池中的水温降低，系统得到散热。
42.本发明的上述实施例通过空调系统、燃料电池散热系统和电机散热系统以及电池冷却系统的高度集成，在实现空调制冷/制热/除湿的同时，兼顾电池的冷却、电机的散热以及燃料电池的余热利用，在保证系统功能实现的前提下，减少部件安装空间，节约系统成本。
43.本发明的其它实施例中，所述前控制阀4、后控制阀17的形式如上所述的，既可以是开关阀也可以多通换向阀，只要能够实现并联的直通支路和节流支路的选通即可。另外，关于后节流支路也可以仅有与空调模块13对应的一条，而省去动力电池换热器18。另外，关于冷却液回路，其中的ptc加热器7也可以省去。