CN103129348B - 一种电动汽车热泵系统 - Google Patents

Abstract

一种电动汽车热泵系统，包括制冷剂循环回路和冷却液循环回路，冷却液循环回路包括管路连接的双流道换热器、电动水泵和至少一个热交换装置；制冷剂循环回路包括：用于压缩制冷剂的压缩机、使制冷剂流路切换的阀或阀组、车厢外热交换器、节流组件和车厢内热交换器；制冷剂循环回路还包括管路连接在所述压缩机的吸气口侧的双流道换热器，双流道换热器的第一流道分别与所述压缩机的吸气口和所述四通阀的第四接口管路连通；双流道换热器的第二流道与冷却液循环回路连通，本发明的电动汽车热泵系统，不仅可以实现在制冷/制热模式下都能实现对电池、变频器等设备的冷却，而且可以提高热泵系统运行的整体蒸发温度。

Description

一种电动汽车热泵系统

技术领域

本发明涉及一种电动汽车空调系统，尤其涉及一种能够保障电动汽车上一些主要部件散热良好，确保行车安全的电动汽车冷却系统。

背景技术

随着低碳经济的发展，对节能减排提出了更加严格的要求，由于电动汽车有节能环保的特点，将成为今后汽车发展方面之一。

随着生活品质的不断提高，汽车车厢内的舒适度也越来越受到人们的重视，传统的内燃机式汽车，可以利用内燃机的余热和发动机排气的热量来加热车厢，而电动汽车的动力主要来在于电机，缺少了发动机的热量可以利用，从而很难达到冬天的取暖要求；另一方面，电动汽车内设置有多个发热部件，比如电机变频器、电池等，其发热量很大，需要采用相应的散热装置进行冷却，以保证上述元件能够在允许的温度范围内工作，否则过热会影响部件的使用寿命，或造成故障。

为了保证发热部件在正常的温度范围内工作，现有技术中一般采用风冷散热器配合水循环实现对上述元件的冷却。

在一项现有技术中的电动汽车冷却系统中的冷却管路依次连接在一起并被连通的各冷却部件的冷却水套、散热装置、电动水泵，在冷却管路中内装有冷却液，散热装置上还设有用来加强散热的风扇，通过水泵带动冷却液并通过散热装置将各冷却部件的热量散失掉。

但是在夏天高温时，风冷式换热器不能非常有效的降低各冷却部件的温度，从而达不到冷却部件的作用。

另外现有技术中没有有效的利用电动汽车空调系统中产生的冷量来冷却各个需要冷却的部件。

因此，如何提高电动汽车的发热部件热量利用的合理性及发热部件的冷却效果，同时提高电动汽车车厢的舒适度，实现电动汽车的热系统的全面管理，就成为本领域的技术人员目前需要解决的技术问题。

发明内容

本发明通过提供一种新的电动汽车热泵系统，包括制冷剂循环回路和冷却液循环回路，所述冷却液循环回路包括管路连接的双流道换热器、电动水泵和至少一个热交换装置；所述制冷剂循环回路包括：用于压缩制冷剂的压缩机、使制冷剂流路切换的阀或阀组、车厢外热交换器、车厢内热交换器和管路连接在所述车厢外热交换器、所述车厢内热交换器之间的节流组件；所述电动汽车热泵系统还包括双流道换热器，所述双流道换热器的第一流道与所述压缩机的吸气口管路连接与制冷剂循环回路连通；所述双流道换热器的第二流道与冷却液循环回路连通。

优选的，所述节流组件包括管路连接的第一单向阀、第二单向阀、第三单向阀、第四单向阀和节流装置，所述第一单向阀的进口、所述第四单向阀的出口分别与所述车厢内热交换器管路连接，所述第二单向阀的进口、所述第三单向阀的出口分别与所述车厢外热交换器管路连接，所述第一单向阀的出口、所述第二单向阀的出口分别与所述节流装置的进口管路连接，所述第三单向阀、所述第四单向阀分别与所述节流装置的出口管路连接。

更优选的，所述节流组件还包括管路连接的储液罐，所述储液罐的出口与所述节流装置的进口管路连接，所述储液罐的进口与所述第一单向阀的出口、所述第二单向阀的出口管路连接。

更优选的，所述节流组件中的所述节流装置为电子膨胀阀或热力膨胀阀。

优选的，所述使制冷剂流路切换的阀或阀组为四通阀，所述四通阀的第一接口与压缩机的出口管路连接，所述四通阀的第二接口与所述车厢外热交换器管路连接，所述四通阀的第三接口与所述车厢内热交换器管路连接，所述四通阀的第四接口与所述双流道换热器管路连接。

优选的，所述使制冷剂流路切换的阀或阀组为第一电磁阀，第二电磁阀，第三电磁阀，第四电磁阀，所述第一电磁阀分别与所述双流道换热器的第一流道和所述车厢内热交换器管路连接，所述第二电磁阀分别与所述车厢内热交换器和所述压缩机的出口管路连接，所述第三电磁阀分别与所述双流道换热器的第一流道和所述车厢外热交换器管路连接，所述第四电磁阀分别与所述车厢外热交换器和所述压缩机的出口管路连接。

优选的，所述使制冷剂流路切换的阀或阀组为第一三通阀和第二三通阀，所述第一三通阀的出口与所述双流道换热器的第一流道管路连接，所述第一三通阀的第五接口与所述车厢内热交换器管路连接，所述第一三通阀的第二接口与所述车厢外热交换器管路连接；所述第二三通阀的进口与所述压缩机的出口管路连接，所述第二三通阀的第八接口与所述车厢外热交换器管路连接，所述第二三通阀的第九接口与所述车厢内热交换器管路连接。

更优选的，所述双流道换热器的第二流道中的冷却液的流动方向与所述第一流道中的制冷剂的流动方向相反。

优选的，所述冷却液循环回路包括至少两个串联或并联连接的所述热交换装置。

更优选的，所述车厢外热交换器和/或所述车厢内热交换器为微通道换热器。

本发明可以实现的有益效果如下：

在本发明中，双流道换热器管路连接在压缩机的吸气口侧，双流道换热器的第一流道与压缩机的吸气口管路连接与制冷剂循环回路连通，双流道换热器的第二流道与冷却液循环回路管路连通，可以使制冷剂循环回路中的制冷剂在任意模式下都能够与冷却液循环回路中的冷却液进行热交换冷却冷却液，不仅可以在任意模式下冷却电动汽车中的发热设备，而且制冷剂在与冷却液进行热交换后温度升高，能够提高热泵系统运行的整体的蒸发温度或压缩机的吸气温度。

附图说明

图1为本发明的第一实施例的电动汽车热泵系统的管路连接示意图；

图2为图1实施例中在制冷模式下的制冷剂流动示意图；

图3为图1实施例中在制热模式下的制冷剂流动示意图；

图4为图1实施例中节流组件的管路连接示意图；

图5为图1实施例中第五换热装置和第六换热装置串联连接的冷却液循环回路管路连接示意图；

图6为图1实施例中第五换热装置和第六换热装置并联连接的冷却液循环回路管路连接示意图；

图7为本发明的第二实施例的电动汽车热泵系统的管路连接示意图；

图8为本发明的第三实施例的电动汽车热泵系统的管路连接示意图。

具体实施方式

本发明的电动汽车热泵系统，包括制冷剂循环回路和冷却液循环回路，通过在制冷剂循环回路和冷却液循环回路中设置双流道换热器，而双流道换热器管路连接在压缩机吸气口侧，可以使制冷剂循环回路中的制冷剂在任意模式下都能够与冷却液循环回路中的冷却液进行热交换，不仅可以在任意模式下冷却电动汽车中的发热元件，而且制冷剂与冷却液进行热交换后温度升高，能够提高热泵系统运行的整体的蒸发温度或压缩机的吸气温度。下面结合具体实施例，详细介绍本发明的电动汽车热泵系统。

图1是本发明的一种优选的实施例的电动汽车热泵系统的管路连接示意图，图2是图1实施例中在制冷模式下的制冷剂流动示意图，图3是图1实施例中在制热模式下的制冷剂流动示意图。

如图1所示，本发明的电动汽车热泵系统包括制冷剂循环回路和冷却液循环回路，制冷剂循环回路包括管路连接的压缩机1、四通阀2、车厢外热交换器3、车厢内热交换器4、双流道换热器5和节流组件6；冷却液循环回路包括管路连接的双流道换热器5、电动水泵17和至少一个热交换装置16。

优选的，车厢外热交换器3和车厢内热交换器4为微通道换热器，这里使用微通道换热器，不仅使制冷剂直接与空气进行热交换，一次热交换的换热系数更高，减少了热量的损失，而且采用微通道换热器，是制冷剂与空气进行热交换的面积增大，提高了换热系数。

具体地，在制冷剂循环回路中，压缩机1的吸气口通过管路与双流道换热器5的第一流道的管口连接，双流道换热器5的第一流道的另一管口通过管路与四通阀2的第四接口10连接，压缩机1的出口通过管路与四通阀2的第一接口7连接，第一换热装置3通过管路与四通阀2的第二接口8连接，车厢内热交换器4通过管路与四通阀2的第三接口9连接。这样，在制冷剂循环回路中，通过四通阀2的切换，从压缩机1出口出来的制冷剂，在制冷模式中从第一接口7进入四通阀2后从第二接口8出来进入车厢外热交换器3；从压缩机1出口出来的制冷剂，在制热模式中从第一接口7进入四通阀2后从第三接口9出来进入车厢内热交换器4。在循环回路中设置四通阀2，不仅节省回路中的元件，而且使管路更加简洁，减小了故障发生机率。

在制冷模式下，制冷剂先经过车厢外热交换器3与车外空气进行热交换后经过节流组件6的节流降压，再经过车厢内热交换器4与车内空气热交换成为低温低压的气态冷媒后通过四通阀2流向压缩机吸气口；在制热模式下，制冷剂先经过车厢内热交换器4与车内空气热交换后经过节流组件的节流降压，再经过车厢外热交换器3与车外空气进行热交换成为低温低压的气态冷媒后通过四通阀2流向压缩机吸气口。所以不管是在制冷模式下还是在制热模式下，从四通阀2的第四接口10中流出并流向压缩机1的吸气口的制冷剂都为低温低压的冷媒。在本发明中，制冷剂循环回路中的双流道换热器5管路连接在压缩机1的吸气口和四通阀2的第四接口10之间。通过管路，双流道换热器5的第一流道的一端管口与压缩机1的吸气口连接，双流道换热器5的第一流道的另一端管口与四通阀2的第四接口10连接。在本发明中，不管是在制冷模式下，还是在制热模式下，进入双流道换热器5的第一流道的制冷剂都为低温低压状态。在制冷模式或者制热模式下流入双流道换热器5的第一流道中的制冷剂都能够与第二流道中的冷却液进行热交换，降低第二流道中冷却液的温度，以利于冷却液对其他需要冷却的设备进行热交换而散热。

并且，在本发明中，第一流道中的制冷剂在与第二流道中的冷却液进行热交换后温度升高，可以提高热泵系统运行的整体蒸发温度或压缩机的吸气温度。特别是在冬天时，由于室外的环境温度比较低，对于某些地区，机组在低温工况下运行，压缩比升高，容积效率降低，制冷剂质量流量减少，供热能力下降，压缩机排气温度过高，这些问题限制了热泵机组在北方等低温地区的应用。本发明中，进入压缩机前的低温制冷剂先经过双流道换热器5与冷却液循环回路中的冷却液进行热交换后再进入压缩机1，这样制冷剂在进入压缩机1前进行一次热交换，提高了制冷剂的温度，可以提高热泵运行的整体蒸发温度或压缩机的吸气温度。具体推理如下：热泵循环是在冷凝温度(TCO)下定温放热，在蒸发温度(TEV)下定温吸热，定熵地进行压缩，所需的平衡功由外界提供。由熵的定义和热力学定律可知逆卡诺循环热泵的性能系数COP为：COP＝TCO/(TCO-TEV)。COP值反应了热泵的效率，对于本发明中，相比于没有采用双流道换热器5的热泵系统，TEV温度是上升的，且TCO的上升幅度没有TEV大。这样可以推出结论，其COP比是增大的。

在本发明中，车厢外热交换器3和车厢内热交换器4之间通过管路连接有节流组件6。

图4是图1实施例中节流组件6的管路连接示意图。如图4所示，节流组件6由管路连接的第一单向阀30、第二单向阀11、第三单向阀12、第四单向阀13、节流装置14、储液器15组成。第一单向阀30的进口、第四单向阀13的出口分别与车厢内热交换器4管路连接，第二单向阀11的进口、第三单向阀12的出口分别与车厢外热交换器3管路连接；第一单向阀30的出口、第二单向阀11的出口分别与储液器15的进口管路连接，第三单向阀12、第四单向阀13分别与节流装置14的出口管路连接；节流装置14进口与储液器15的出口管路连接。本发明的节流组件6中通过设置四个单向阀，可以使制冷剂不管是在制冷模式下还是在制热模式下，都可以从节流装置14的进口进入，从而达到制冷模式和制热模式共用一个节流装置14。这里的节流装置14既可以是热力膨胀阀也可以是电子膨胀阀，或者其他节流装置，优选的，这里的节流装置14为电子膨胀阀，可以使电动汽车的空调系统更容易控制。本发明中的节流组件6中还设置有储液罐15，可以储存车厢内热交换器4出口的过冷液体，避免液态冷媒在车厢内热交换器4中积存过多而使传热面积变小，影响车厢内热交换器4的传热效果，并且能够适应车厢外热交换器3的负荷变动对供应量的需求，在蒸发器负荷增大时，供应量也增大，由储液罐15的存液补给，负荷变小时，需要液量也变小，多余的液体储存在储液罐15里。同时，储液罐15也能起到过滤和消音的作用。当然，这里应当指出，本发明中的储液罐15并不是必须的，在本发明中，储液罐15的存在与否并不影响本发明的电动汽车热泵系统的运行。在本实施例中，优选的设置有储液罐15，使本发明的电动汽车热泵系统达到一个更佳的效果。

这里应当指出的是，本发明中的节流组件6中的单向阀还可以用其他的阀代替，如电磁阀等，这里所述的单向阀并不是对其进行限定，而是一个优选，也可以说是基于成本的考虑。

如图5和图6所示，在冷却液循环回路中，包括至少一个热交换装置16，热交换装置16与电动汽车上需要冷却的部件如电池、变频器等进行热交换，优选的，热交换装置16的数量大于一个，如图5所示，第五换热装置18和第六换热装置19为串联连接；如图6所示，在另一种实施方式中，第五换热装置18和第六换热装置19为并联连接。

在本发明中，冷却液循环回路中的冷却液在双流道换热器中与低温低压的制冷剂进行热交换后成为温度较低的冷却液，再通过水泵17输送到热交换装置16中与电动汽车上需要冷却的部件如电池、变频器等进行热交换，从而达到降低电动汽车上需要冷却部件温度的目的。

本发明中的第五换热装置18和第六换热装置19，可以是串联设置或并联设置，具体情况是系统中需冷却设备的不同而不同，例如，当两个需冷却设备的温度要求不同时，可以采用串联设置，以达到冷却液温度递减的进入不同的换热装置；如果两个需冷却设备的温度要求相同时，可以采用并联设置，以期达到最佳冷却效果。这里所说的两个需冷却设备并不局限于两个冷却设备，可以包括多个需冷却设备，且当热交换装置16的个数大于三个时，还可以根据不同的情况采用并联和串联的组合形式。

本发明的第一实施例的具体工作过程如下：当冬天需要制热时，系统切换成制热模式，以制冷剂为热媒，在车外空气中吸收热能，经压缩机将低温位的热能提升为高温位热能，加热车内环境。使用时，四通阀的流路切换至制热模式，即第一接口7与第三接口9连通，第二接口8与第四接口10连通，高温高压的气态制冷剂从压缩机1出来，经过四通阀2后进入车厢内热交换器4，并与车内空气进行换热，加热车内的环境温度，制冷剂向空气排出热量之后，变成高温高压的液态冷媒。之后，制冷剂通过节流组件6进行节流，变成低温低压的气液两相流体，再进入车厢外热交换器3，并与车外的空气进行换热，吸取车外热量。制冷剂经过车厢外热交换器3之后，变成低温低压的气态流体或低温低压气液两相的流体，之后，再通过四通阀换向，制冷剂进入双流道换热器5，进一步地与冷却液循环系统中的冷却液进行换热，使冷却液温度变低。之后，低温低压的气态冷媒(过热状态)回到压缩机，通过压缩机做功，再把低温低压的气态冷媒变成高温高压的气态冷媒，形成一个制冷剂循环。冷却液循环系统中的冷却液经过双流道换热器5与制冷剂进行热交换，冷却液温度降低，在水泵17的作用下，低温冷却液流入第四换热装16与电池、变频器等需冷却装置进行热交换，降低电池、变频器等需冷却装置的温度，吸收热量后的冷却液流入双流道换热器5与制冷剂进行热交换，形成一个冷却循环。

当夏天车内需要制冷时，切换为制冷模式，以制冷剂为冷媒，向车外空气中散出热量，经压缩机1将高温位的热能降低为低温位冷能，再经制冷系统循环，将车内多余的热量通过制冷系统循环排出车外。使用时，四通阀的流路切换至制冷模式，即第一接口7与第二接口8连通，第三接口9与第四接口10连通，高温高压的气态制冷剂从压缩机1出来，经过四通阀2后进入车厢外热交换器3，并与车外空气进行热交换，制冷剂向空气排出热量之后，变成高温高压的液态冷媒。之后，制冷剂通过节流组件6进行节流，变成低温低压的气液两相流体，再进入车厢内热交换器4，并与车内的空气进行换热，吸取车内多余的热量，达到制冷的目的。制冷剂经过车厢内热交换器4之后，变成低温低压的气态流体或低温低压气液两相的流体，之后，再通过四通阀2换向，制冷剂进入双流道换热器5，进一步地与冷却液循环系统中的冷却液进行换热，使冷却液温度变低。之后，低温低压的气态冷媒(过热状态)回到压缩机1，通过压缩机1做功，再把低温低压的气态冷媒变成高温高压的气态冷媒，形成一个制冷剂循环。冷却液循环系统中的冷却液经过双流道换热器5与制冷剂进行热交换，冷却液温度降低，在水泵17的作用下，低温冷却液流入第四换热装16与电池、变频器等需冷却装置进行热交换，降低电池、变频器等需冷却装置的温度，吸收热量后的冷却液流入双流道换热器5与制冷剂进行热交换，形成一个冷却液循环。

下面介绍本发明的第二实施例，具体的如图7所示。该实施例与第一实施例的区别在于：由四个电磁阀替换第一实施例中的四通阀2，实现制冷剂在制冷/制热模式下的流向转换，电磁阀为ON/OFF式，当为制冷模式时，第一电磁阀20与第四电磁阀23开启，第二电磁阀21与第三电磁阀22关闭；当为制热模式时，第二电磁阀21与第三电磁阀22开启，第一电磁阀20与第四电磁阀23关闭。这样设置的目的在于方便控制，同时方便检修与维护保养。本方案其他方面与第一实施例相同，这里不再赘述。

下面介绍本发明的第三实施例，具体的如图8所示。该实施例与第二实施例的区别在于：由两个三通阀替换第二实施例中的四个电磁阀，实现制冷剂在制冷/制热模式下的流向转换，当为制冷模式时，第一三通阀24与第一接口27接通，第二三通阀25与第一接口29接通；当为制热模式时，第一三通阀24与第二接口26接通，第二三通阀25与第二接口28接通。这样设置的目的在于方便控制，同时方便检修与维护保养。本方案其他方面与第一实施例相同，这里不再赘述。

本发明的目的在于在制冷模式和制热模式下都能够利用制冷剂来冷却冷却液，再通过冷却液冷却电池、变频器等需冷却装置，同时，制冷剂与冷却液进行热交换后升温，提高热泵系统运行的整体蒸发温度或压缩机的吸气温度。本发明的实施例中的管路连接、进口、出口、第一、第二、第三等方位、排序的描述只是为了更好地说明本发明的技术方案，使大家容易理解，而不应视作对本发明的限制，在这些方面可以作相应修改。

以上对本发明所提供的电动汽车热泵系统进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (9)

1.一种电动汽车热泵系统，包括制冷剂循环回路和冷却液循环回路，所述冷却液循环回路包括管路连接的双流道换热器(5)、电动水泵(17)和至少一个热交换装置(16)；所述制冷剂循环回路包括：用于压缩制冷剂的压缩机(1)、使制冷剂流路切换的阀或阀组、车厢外热交换器(3)、车厢内热交换器(4)和管路连接在所述车厢外热交换器(3)、所述车厢内热交换器(4)之间的节流组件(6)；所述电动汽车热泵系统还包括双流道换热器(5)，所述双流道换热器(5)的第一流道与所述压缩机(1)的吸气口管路连接与制冷剂循环回路连通；所述双流道换热器(5)的第二流道与冷却液循环回路连通；

所述双流道换热器(5)的第二流道中的冷却液的流动方向与所述第一流道中的制冷剂的流动方向相反。

2.根据权利要求1所述的电动汽车热泵系统，其特征在于，所述节流组件(6)包括管路连接的第一单向阀(30)、第二单向阀(11)、第三单向阀(12)、第四单向阀(13)和节流装置(14)，所述第一单向阀(30)的进口、所述第四单向阀(13)的出口分别与所述车厢内热交换器(4)管路连接，所述第二单向阀(11)的进口、所述第三单向阀(12)的出口分别与所述车厢外热交换器(3)管路连接，所述第一单向阀(30)的出口、所述第二单向阀(11)的出口分别与所述节流装置(14)的进口管路连接，所述第三单向阀(12)、所述第四单向阀(13)分别与所述节流装置(14)的出口管路连接。

3.根据权利要求2所述的电动汽车热泵系统，其特征在于，所述节流组件(6)还包括管路连接的储液罐(15)，所述储液罐(15)的出口与所述节流装置(14)的进口管路连接，所述储液罐(15)的进口与所述第一单向阀(30)的出口、所述第二单向阀(11)的出口管路连接。

4.根据权利要求3所述的电动汽车热泵系统，其特征在于，所述节流组件(6)中的所述节流装置(14)为电子膨胀阀或热力膨胀阀。

5.根据权利要求1至4任一项所述的电动汽车热泵系统，其特征在于，所述使制冷剂流路切换的阀或阀组为四通阀(2)，所述四通阀(2)的第一接口(7)与压缩机的出口管路连接，所述四通阀的第二接口(8)与所述车厢外热交换器管路连接，所述四通阀的第三接口(9)与所述车厢内热交换器管路连接，所述四通阀的第四接口(10)与所述双流道换热器(5)管路连接。

6.根据权利要求1至4任一项所述的电动汽车热泵系统，其特征在于，所述使制冷剂流路切换的阀或阀组为第一电磁阀(20)，第二电磁阀(21)，第三电磁阀(22)，第四电磁阀(23)，所述第一电磁阀(20)分别与所述双流道换热器(5)的第一流道和所述车厢内热交换器(4)管路连接，所述第二电磁阀(21)分别与所述车厢内热交换器(4)和所述压缩机(1)的出口管路连接，所述第三电磁阀(22)分别与所述双流道换热器(5)的第一流道和所述车厢外热交换器(3)管路连接，所述第四电磁阀(23)分别与所述车厢外热交换器(3)和所述压缩机(1)的出口管路连接。

7.根据权利要求1至4任一项所述的电动汽车热泵系统，其特征在于，所述使制冷剂流路切换的阀或阀组为第一三通阀(24)和第二三通阀(25)，所述第一三通阀(24)的出口与所述双流道换热器(5)的第一流道管路连接，所述第一三通阀(24)的第一接口(27)与所述车厢内热交换器(4)管路连接，所述第一三通阀(24)的第二接口(26)与所述车厢外热交换器(3)管路连接；所述第二三通阀(25)的进口与所述压缩机(1)的出口管路连接，所述第二三通阀(25)的第一接口(29)与所述车厢外热交换器(3)管路连接，所述第二三通阀(25)的第二接口(28)与所述车厢内热交换器(4)管路连接。

8.根据权利要求7所述的电动汽车热泵系统，其特征在于，所述冷却液循环回路包括至少两个串联或并联连接的所述热交换装置(16)。

9.根据权利要求1或2所述的电动汽车热泵系统，其特征在于，所述车厢外热交换器(3)和/或所述车厢内热交换器(4)为微通道换热器。