集成乘员舱空调电池热管理系统及控制方法与流程

1.本发明涉及电池热管理技术领域，特别涉及于集成乘员舱空调电池热管理系统及控制方法。


背景技术：

2.现阶段纯电动客车空调应用最为广泛的制冷剂主要是r134a。r134a制冷剂的容量和压力都比r410a制冷剂的小，所以相同能力的r134a制冷剂空调需要一台更大排气量的压缩机，更大的蒸发器、冷凝器和更大直径的管路。这样最终所导致的是，制造和运行一个和r410a制冷剂相同冷量的系统，r134a制冷剂系统会需要更高的成本。
3.对于纯电动客车来说，现有的对乘员舱和动力电池组进行降温的制冷系统是两套相对独立的系统。客车车内空调系统多采用直膨式空调组，机组布置在整车顶部，在车顶内部布置出风口，而电池热管理系统对电池冷却对采用液冷的方式，两个系统独立运行，分别对乘员舱和动力电池组进行温度调节。这样两个独立的系统总体上占用更大的空间，成本和综合能耗都比较高。


技术实现要素：

4.（1）技术方案为了解决上述技术问题，本发明提供集成乘员舱空调电池热管理系统，包括电池热管理系统与客车空调系统，电池热管理系统包括有电池热管理回路，电池热管理回路通过板式换热器连接冷却液回路和制冷剂回路；客车空调系统包括有客车空调回路，客车空调回路与电池热管理回路上的制冷剂回路并联。
5.优选地，所述电池热管理系统包括压缩机、冷凝器、冷凝风机、储液罐、电磁阀二、膨胀阀二、板式换热器、电池液冷板和水泵，所述压缩机、冷凝器、冷凝风机、储液罐、电磁阀二、膨胀阀二、板式换热器、电池液冷板和水泵之间通过连接管进行连接，所述连接管上安装有温度传感器和压力传感器。
6.优选地，所述客车空调系统包括压缩机、冷凝器、冷凝风机、储液罐、电磁阀一、膨胀阀一、蒸发器和蒸发风机，所述压缩机、冷凝器、冷凝风机、储液罐、电磁阀一、膨胀阀一、蒸发器和蒸发风机之间通过连接管进行连接，所述连接管上安装有压力传感器。
7.优选地，所述冷却液回路包括水泵、电池液冷板和板式换热器之间通过连接管进行连接，所述板式换热器包含冷却液通道和制冷剂通道，两个通道物质彼此隔离，相互交换热量。
8.优选地，所述制冷剂回路包括板式换热器、压缩机、冷凝器、冷凝风机、储液罐、电磁阀二和膨胀阀二之间通过连接管进行连接。
9.优选地，所述客车空调回路包括压缩机、冷凝器、冷凝风机、储液罐、电磁阀一、膨胀阀一、蒸发器和蒸发风机之间通过连接管进行连接，所述压缩机、冷凝器、冷凝风机和储液罐与电池热管理回路共用。
10.所述的集成乘员舱空调电池热管理系统的控制方法，包括如下顺序进行的步骤：（一）蒸发风机（1）开启条件：启动乘员舱送风模式‖乘员舱制冷模式（2）转速调节：转速根据乘员舱控制面板手动调节风量控制；（二）水泵（1）开启条件：启动水泵自循环模式‖电池制冷模式‖电池加热模式（2）转速调节：水泵转速rp根据进出水温差（δtw）调节；水泵初始转速设置为rp0，当δtw＜δtwmin时，水泵转速rp下调10%，每30s检测调节一次，直到δtw≥δtwmin‖rp达到最小值；当δtw＞δtwmax时，水泵转速rp上调10%，每30s检测调节一次，直到δtw≤δtwmax‖rp达到最大值；此调节模式最大化降低了水泵功耗，同时确保进出水温差在要求范围内，保证了电池的均温性；（三）冷凝风机（1）开启条件：电池制冷模式‖乘员舱制冷模式（2）转速调节：冷凝风机转速rf根据压缩机排气压力(p排)调节；冷凝风机初始转速设置为rf0，当p排＜p排min时，冷凝风机转速rf下调10%，每15s检测调节一次，直到p排≥p排min‖rf达到最小值；当p排＞p排max时，冷凝风机转速rf上调10%，每15s检测调节一次，直到p排≤p排max‖rf达到最大值；此调节模式最大化降低了风机功耗，同时确保压缩机排气在要求范围内，减小压缩机负荷、延长了压缩机寿命；（四）压缩机、电磁阀压缩机和电磁阀控制方法分三种情形讨论：1、乘员舱制冷模式开启&电池制冷模式关闭电磁阀一开启&电磁阀二关闭，压缩机最高转速限制为rcd，压缩机软启动至最高转速，当乘员舱出风温度tdout＜设置目标温度tdtar时，压缩机转速rc下调500rpm，每30s检测调节一次，直到tdout≥tdtar‖rc达到最小值；当tdout
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tdtar≥2℃时，压缩机转速rc上调500rpm，每30s检测调节一次，直到tdout
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tdtar＜2℃‖rc达到最高值；当tdtar
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tdout＞2℃时压缩机停机，直到tdout
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tdtar≥2℃，压缩机重新启动；2、乘员舱制冷模式关闭&电池制冷模式开启电磁阀一关闭&电磁阀二开启，压缩机最高转速限制为rcb，压缩机软启动至最高转速，当系统出水温度twout＜电池目标进水温度twtar时，压缩机转速rc下调500rpm，每30s检测调节一次，直到twout≥twtar‖rc达到最小值；当twout
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twtar≥2℃时，压缩机转速rc上调500rpm，每30s检测调节一次，直到twout
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twtar＜2℃‖rc达到最高值；当twtar
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twout＞2℃时压缩机停机，直到twout
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twtar≥2℃，压缩机重新启动；3、乘员舱制冷模式开启&电池制冷模式开启（1）电磁阀一、二均默认开启，压缩机软启动至最高转速，当tdtar
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tdout＞2℃时电磁阀一关闭，直到tdout
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tdtar≥2℃，电磁阀一重新开启；当twtar
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twout＞2℃时电磁阀二关闭，直到twout
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twtar≥2℃，电磁阀二重新开启；（2）当电磁阀一开启&电磁阀二关闭时，压缩机最高转速限制为rcd,压缩机调速逻辑参照4.1；（3）当电磁阀一关闭&电磁阀二开启时，压缩机最高转速限制为rcb,压缩机调速逻
辑参照4.2;（4）当电磁阀一、二均开启时，压缩机最高转速限制为rcm,压缩机调速逻辑为:两个系统均需下调转速时，压缩机下调转速，其中一个系统需要上调转速时，压缩机上调转速;（5）当电磁阀一、二均关闭时，压缩机停机。
11.（2）有益效果本发明提供集成乘员舱空调电池热管理系统及控制方法，与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：在纯电动客车内设计一种采用r410a制冷剂的客车空调与电池热管理集成系统能够在保持空调系统对乘员舱具有良好的温度调节基础上，也能对动力电池组进行良好的热管理。这一系统能够保证电池处在适宜的工作范围之内，使电池具有良好的充放电能力，延长电池使用寿命。采用r410a制冷剂，利用r410a制冷剂的高压力和高气体密度的特点，可以减少压缩机排量和制冷剂灌注量，同时系统将客车空调回路和电池热管理回路并联，共用一个压缩机，共用一个冷凝器，共用一个冷凝风机，共用一个储液罐，简化了系统的结构，减小了系统的尺寸，减少了系统的能耗，降低了系统的成本，并且能够减小整车总质量，同时提高纯电动客车的续驶里程。
附图说明
12.图1 为本发明的连接结构示意图。
13.附图标记为：1-水泵；2-压缩机；3-蒸发器；4-蒸发风机；5-冷凝器；6-膨胀阀一；7-电磁阀一；8-储液罐；9-冷凝风机；10-电磁阀二；11-膨胀阀二；12-板式换热器；13-电池液冷板。
具体实施方式
14.实施例1结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
15.如图1所示，本发明所述的集成乘员舱空调电池热管理系统，包括电池热管理系统与客车空调系统，电池热管理系统包括有电池热管理回路，电池热管理回路通过板式换热器12连接冷却液回路和制冷剂回路；客车空调系统包括有客车空调回路，客车空调回路与电池热管理回路上的制冷剂回路并联，共用压缩机2、冷凝器5、冷凝风机9、储液罐8，压缩机2采用全直流变频压缩机，可根据客车空调负荷和电池负荷的变化自动调节压缩机输出，减少压缩机启停次数，实现精确控温和节能；冷凝风机9采用全直流无数冷凝风机，在制冷模式状态下，根据压力和温度自动调节风机转速，保证系统运行可靠。
16.电池热管理系统包括压缩机2、冷凝器3、冷凝风机9、储液罐8、电磁阀二10、膨胀阀二11、板式换热器12、电池液冷板13和水泵1，压缩机2、冷凝器3、冷凝风机9、储液罐8、电磁阀二10、膨胀阀二11、板式换热器12、电池液冷板13和水泵1之间通过连接管进行连接，所述连接管上安装有温度传感器和压力传感器。
17.客车空调系统包括压缩机2、冷凝器3、冷凝风机9、储液罐8、电磁阀一7、膨胀阀一6、蒸发器3和蒸发风机4，压缩机2、冷凝器3、冷凝风机9、储液罐8、电磁阀一7、膨胀阀一6、蒸发器3和蒸发风机4之间通过连接管进行连接，所述连接管上安装有压力传感器。
18.冷却液回路包括水泵1、电池液冷板13、板式换热器12，水泵1为电池热管理回路中冷却液的循环提供动力；电池液冷板13在冷却液流经电池液冷板13时对动力电池进行温度调节，实现电池的冷却；板式换热器12包含冷却液通道和制冷剂通道，两个通道物质彼此隔离，相互交换热量。
19.制冷剂回路包括板式换热器12、压缩机2、冷凝器3、冷凝风机9、储液罐8、电磁阀二10和膨胀阀二11，压缩机2压缩r410a制冷剂；冷凝器3对r410a制冷剂进行冷凝；冷凝风机9对冷凝器3进行散热降温；储液罐8储存、干燥、过滤r410a制冷剂；电磁阀二10：电池热管理回路电磁阀，控制r410a制冷剂在该回路的流量；膨胀阀二11：电池热管理回路膨胀阀，对r410a制冷剂进行节流降压。
20.客车空调回路包括压缩机2、冷凝器3、冷凝风机9、储液罐8、电磁阀一7、膨胀阀一6、蒸发器3和蒸发风机4；电磁阀一7：客车空调回路电磁阀，控制r410a制冷剂在该回路的流量；膨胀阀一6：客车空调回路膨胀阀，对r410a制冷剂进行节流降压；蒸发器3，对乘员舱进行温度调节，实现乘员舱的冷却；蒸发风机4强制空气对流，促使乘员舱内气体经过蒸发器3，以实现降温。
21.系统工作原理：冷却液回路：水泵1
→
板式换热器12冷却液通道
→
电池液冷板13
→
水泵1，形成一个无限循环的动力电池冷却液回路，内部冷却介质为50%乙二醇水溶液；制冷剂回路：压缩机2
→
冷凝器3
→
储液罐8
→
电磁阀二10
→
膨胀阀二11
→
板式换热器12制冷剂通道
→
压缩机2，形成一个无限循环的制冷剂回路，内部流通冷却介质为r410a制冷剂。
22.电池热管理回路通过板式换热器12将冷却液回路中的热量带到制冷剂回路，实现对冷却液的降温，从而使得经过电池液冷板13的冷却液实现对动力电池的降温。在这个过程中，制冷剂回路和冷却液回路，相辅相成，不断对动力电池进行降温散热。
23.水泵1
→
板式换热器12冷却液通道
→
电池液冷板13
→
水泵1，形成一个无限循环的动力电池冷却液回路，内部冷却介质为50%乙二醇水溶液。该模式下，电池热管理系统制冷剂回路不运行，冷却液回路持续给动力电池散热，降低各电池包间的温差，以达到均温效果。
24.客车空调回路：压缩机2
→
冷凝器3
→
储液罐8
→
电磁阀一7
→
膨胀阀一6
→
蒸发器3
→
压缩机2，形成一个无限循环的客车空调回路，内部流通冷却介质为r410a制冷剂。该模式下，客车空调回路通过蒸发风机4强制空气对流，促使乘员舱内热的气体经过蒸发器3，热量通过蒸发器3内的r410a制冷剂带走，实现对乘员舱的冷却。
25.系统工作模式：1、乘员舱空调系统含三个工作模式：（1）送风模式：只有蒸发风机工作；（2）乘员舱制冷模式：压缩机、冷凝器风机、蒸发风机工作，电池阀1开启；（3）待机模式。
26.2、电池热管理系统含四个工作模式：（1）水泵自循环模式：只有水泵工作；（2）电池制冷模式：压缩机、冷凝器风机、水泵工作，电池阀2开启；
（3）电池加热模式：水泵和ptc工作；（4）待机模式。
27.系统控制说明：（一）蒸发风机（1）开启条件：启动乘员舱送风模式‖乘员舱制冷模式（2）转速调节：转速根据乘员舱控制面板手动调节风量控制；（二）水泵（1）开启条件：启动水泵自循环模式‖电池制冷模式‖电池加热模式（2）转速调节：水泵转速rp根据进出水温差（δtw）调节；水泵初始转速设置为rp0，当δtw＜δtwmin时，水泵转速rp下调10%，每30s检测调节一次，直到δtw≥δtwmin‖rp达到最小值；当δtw＞δtwmax时，水泵转速rp上调10%，每30s检测调节一次，直到δtw≤δtwmax‖rp达到最大值；此调节模式最大化降低了水泵功耗，同时确保进出水温差在要求范围内，保证了电池的均温性；（三）冷凝风机（1）开启条件：电池制冷模式‖乘员舱制冷模式（2）转速调节：冷凝风机转速rf根据压缩机排气压力(p排)调节；冷凝风机初始转速设置为rf0，当p排＜p排min时，冷凝风机转速rf下调10%，每15s检测调节一次，直到p排≥p排min‖rf达到最小值；当p排＞p排max时，冷凝风机转速rf上调10%，每15s检测调节一次，直到p排≤p排max‖rf达到最大值；此调节模式最大化降低了风机功耗，同时确保压缩机排气在要求范围内，减小压缩机负荷、延长了压缩机寿命；（四）压缩机、电磁阀压缩机和电磁阀控制方法分三种情形讨论：1、乘员舱制冷模式开启&电池制冷模式关闭电磁阀一开启&电磁阀二关闭，压缩机最高转速限制为rcd，压缩机软启动至最高转速，当乘员舱出风温度tdout＜设置目标温度tdtar时，压缩机转速rc下调500rpm，每30s检测调节一次，直到tdout≥tdtar‖rc达到最小值；当tdout
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tdtar≥2℃时，压缩机转速rc上调500rpm，每30s检测调节一次，直到tdout
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tdtar＜2℃‖rc达到最高值；当tdtar
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tdout＞2℃时压缩机停机，直到tdout
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tdtar≥2℃，压缩机重新启动；2、乘员舱制冷模式关闭&电池制冷模式开启电磁阀一关闭&电磁阀二开启，压缩机最高转速限制为rcb，压缩机软启动至最高转速，当系统出水温度twout＜电池目标进水温度twtar时，压缩机转速rc下调500rpm，每30s检测调节一次，直到twout≥twtar‖rc达到最小值；当twout
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twtar≥2℃时，压缩机转速rc上调500rpm，每30s检测调节一次，直到twout
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twout＞2℃时压缩机停机，直到twout
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twtar≥2℃，压缩机重新启动；3、乘员舱制冷模式开启&电池制冷模式开启（1）电磁阀一、二均默认开启，压缩机软启动至最高转速，当tdtar
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tdout＞2℃时电磁阀一关闭，直到tdout
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tdtar≥2℃，电磁阀一重新开启；当twtar
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twout＞2℃时电磁阀二关闭，直到twout
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twtar≥2℃，电磁阀二重新开启；（2）当电磁阀一开启&电磁阀二关闭时，压缩机最高转速限制为rcd,压缩机调速逻
辑参照4.1；（3）当电磁阀一关闭&电磁阀二开启时，压缩机最高转速限制为rcb,压缩机调速逻辑参照4.2;（4）当电磁阀一、二均开启时，压缩机最高转速限制为rcm,压缩机调速逻辑为:两个系统均需下调转速时，压缩机下调转速，其中一个系统需要上调转速时，压缩机上调转速;（5）当电磁阀一、二均关闭时，压缩机停机。
28.虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。