CN103697625A - 一种纯电动汽车热泵空调系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种纯电动汽车热泵空调系统及其控制方法，系统的第一管路的一端连接四通换向阀的第一管口，另一端通过压缩机连接第二管口，第三管口通过第二管路顺次地经冷凝器总成中的冷凝器、第一双向膨胀阀和空调主机内的主蒸发器连接第四管口；控制单元分别与压缩机、四通换向阀、冷凝器总成中的风机和空调主机内的鼓风机电连接；系统还包括用于对冷凝器的外表面进行加热的、与控制单元电连接的第一PTC加热器，从而在环境温度较低时，第一PTC加热器能够对对冷凝器外表面加热，使得在冷凝器内的热交换更彻底，提高了热泵空调系统的制热能力；同时由于第一PTC加热器工作时所需的功率不高，因此具有显著的节能功效。

Description

一种纯电动汽车热泵空调系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及空调控制领域，尤其涉及一种纯电动汽车热泵空调系统及其控制方法。

背景技术

传统汽油机通常把发动机散热作为制暖热源，但是电动汽车上没有发动机，而且对于混合动力车来说在发动机停转时车内也需保暖，现有技术中针对电动汽车和混合动力车的保暖问题来说，通常采用电热式加热器进行加热。

采用电热式加热器进行加热的方式需要的功耗较大，于是针对此问题，现有技术中就出现了通过在管路中加入四通换向阀的方式实现制冷系统和制热系统的转换，但是此种方式的缺陷在于，在环境气温低（例如冬于）的情况下，由于冷凝器总成的冷凝器（在制热模式下起蒸发器的作用）的表面会结霜，管道内部制冷剂在冷凝器内进行的能量转换效率就会大大降低，从而严重影响热泵空调系统的制热性能，无法满足在低温区域内具有高制热性能的汽车的制热性能要求。另外，热泵空调系统的制热能力不足，大大降低了车内温度，影响乘坐的舒适性的同时，会导致在挡风玻璃上结霜，从而严重影响了驾驶的安全性。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供了一种纯电动汽车热泵空调系统及其控制方法。

为实现上述目的，本发明的技术方案为：

一种纯电动汽车热泵空调系统，包括控制单元、压缩机、冷凝器总成、第一双向膨胀阀、空调主机、第一管路、第二管路和具有第一管口、第二管口、第三管口和第四管口的四通换向阀；所述第一管路的一端连接所述第一管口，另一端通过所述压缩机连接所述第二管口，所述第三管口通过所述第二管路顺次地经所述冷凝器总成中的冷凝器、第一双向膨胀阀和所述空调主机内的主蒸发器连接所述第四管口；所述控制单元分别与压缩机、四通换向阀、冷凝器总成中的风机和空调主机内的鼓风机电连接；所述热泵空调系统还包括用于对所述冷凝器的外表面进行加热的第一PTC加热器，所述第一PTC加热器与所述控制单元通讯连接。

优选的是，所述第一PTC加热器设置在所述冷凝器总成内。

优选的是，所述第一PTC加热器为低功率PTC加热器。

优选的是，所述热泵空调系统还包括设置于所述空调主机内的第二PTC加热器，所述第二PTC加热器与所述控制单元电连接。

优选的是，所述热泵空调系统还包括：

设置于所述空调主机内的辅助蒸发器；

第一电磁阀，所述第二管路顺次地经过所述冷凝器和第一电磁阀连接所述第一双向膨胀阀；以及

第二电磁阀、第二双向膨胀阀和第三管路，所述冷凝器上与第一电磁阀连接的端口还与所述第三管路的一端连接，所述第三管路的另一端顺次地经过所述第二电磁阀、第二双向膨胀阀和辅助蒸发器连接所述第四管口；

所述第一电磁阀和第二电磁阀均与所述控制单元电连接。

优选的是，所述控制单元为中央处理器、单片机、嵌入式处理器中的一种。

优选的是，所述纯电动汽车热泵空调系统的除霜模式下的控制方法包括：

所述控制单元控制压缩机、风机、第二PTC加热器和鼓风机工作，所述控制单元控制所述第二电磁阀吸合，并且控制所述四通换向阀处于第一工作状态，当所述四通换向阀处于第一工作状态时，所述热泵空调系统处于制冷状态；

获取车内温度和车内湿度；

当所述车内温度大于设定的温度阈值且所述车内湿度小于设定的湿度阈值时，所述控制单元控制所述四通换向阀处于第二工作状态；当所述四通换向阀处于第二工作状态时，所述热泵空调系统处于制热状态。

优选的是，所述纯电动汽车热泵空调系统的制热模式下的控制方法包括：

所述控制单元控制所述四通换向阀处于第二工作状态；当所述四通换向阀处于第二工作状态时，所述热泵空调系统处于制热状态；

获取车外温度；所述控制单元判断所述车外温度与设定的第一温度的大小；

当所述车外温度小于等于所述第一温度时，所述控制单元控制所述鼓风机工作，并且所述控制单元控制所述第二PTC加热器以第一输出功率工作；

当所述车外温度大于所述第一温度且小于等于设定的第二温度时，所述控制单元控制压缩机、风机、第一PTC加热器和鼓风机工作，所述控制单元控制第一电磁阀和第二电磁阀均吸合，并且控制所述第二PTC加热器以第二输出功率工作，所述第二输出功率小于所述第一输出功率；

当所述车外温度大于所述第二温度且小于等于设定的第三温度时，所述控制单元控制压缩机、风机、第一PTC加热器和鼓风机工作，所述控制单元控制第一电磁阀和第二电磁阀均吸合；

当所述车外温度大于所述第三温度且小于等于设定的第四温度时，所述控制单元控制压缩机、风机和鼓风机工作，所述控制单元控制第一电磁阀和第二电磁阀均吸合；

所述第一温度、第二温度、第三温度和第四温度从小至大顺次排列。

优选的是，所述纯电动汽车热泵空调系统的制冷模式下的控制方法包括：

所述控制单元控制压缩机和鼓风机工作，所述控制单元控制所述第一电磁阀吸合，并且控制所述四通换向阀处于第一工作状态；当所述四通换向阀处于第一工作状态时，所述热泵空调系统处于制冷状态。

本发明的有益效果在于，

（1）由于第一PTC加热器的设置，在环境温度较低时，控制单元开启第一PTC加热器对冷凝器总成内的冷凝器的外表面进行加热，使得在冷凝器内部进行的热交换进行得更彻底，提高了热泵空调系统的制热能力，同时由于第一PTC加热器工作时所需的功率不高，因此，仅需要耗费较小的电能就可以达到大幅提高热泵空调的制热能力的目的，具有显著的节能功效；

（2）热泵空调系统制热能力的增加，避免了挡风玻璃上结霜的情况，保证了驾驶的安全性；

（3）在空调主机内增加辅助蒸发器和第二PTC加热器，结合本发明提供的控制方法，根据车外温度、车内温度和车内湿度，控制四通换向阀、压缩机、第一PTC加热器、第二PTC加热器、主蒸发器以及辅助蒸发器的工作，能够满足热泵空调系统在各种模式下高效率运行的要求，达到节能的目标。

附图说明

图1示出了本发明实施例热泵空调系统的结构示意图；

图2示出了本发明实施例热泵空调系统的电路原理方框图；

图3示出了本发明实施例热泵空调系统在除霜模式下控制方法的流程图；

图4示出了本发明实施例热泵空调系统在制热模式下控制方法的流程图。

附图标记说明

1    压缩机                  8    第一电磁阀

2    四通换向阀              9    第二电磁阀

21   第一管口                10   第一双向膨胀阀

22   第二管口                11   鼓风机

23   第三管口                12   主蒸发器

24   第四管口                13   第二双向膨胀阀

31   第一管路                14   第二PTC加热器

32   第二管路                15   辅助蒸发器

33   第三管路                16   空调主机

4    冷凝器                  17   车内温度传感器

5    冷凝器总成              18   车内湿度传感器

6    风机                    19   车外温度传感器

7    第一PTC加热器           20   控制单元

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

参照图1和图2，所述纯电动汽车热泵空调系统，包括控制单元20、压缩机1、冷凝器总成5、第一双向膨胀阀10、空调主机16、第一管路31、第二管路32和具有第一管口21、第二管口22、第三管口23和第四管口24的四通换向阀2。

具体地，所述第一管路31的一端连接所述第一管口21，另一端通过所述压缩机1连接所述第二管口22，所述第三管口23通过所述第二管路32顺次地经所述冷凝器总成5中的冷凝器4、第一双向膨胀阀10和所述空调主机16内的主蒸发器12连接所述第四管口24；所述控制单元20分别与压缩机1、四通换向阀2、冷凝器总成5中的风机6和空调主机16内的鼓风机11电连接。所述控制单元20为中央处理器、单片机、嵌入式处理器中的一种。

在正常制冷工况下，控制单元20控制四通换向阀2处于第一工作状态，即四通换向阀2的第一管口21和第四管口24连通，并且第二管口22和第三管口23连通，制冷剂在第一管路31和第二管路32内流动，压缩机1将来自于主蒸发器12的低温低压气态制冷剂转变为高温高压的气态制冷剂，然后进入冷凝器4中形成低温高压的液态制冷剂，同时放出热量；然后进入第一双向膨胀阀10膨胀变成汽态的液态制冷剂，进入主蒸发器12变为气态制冷剂，同时吸收热量。鼓风机11使经过主蒸发器12的低温气体流动形成制冷效果。

在热泵工况（制热工况）下，通过四通换向阀2的换向作用，即控制单元20控制四通换向阀2处于第二工作状态，即四通换向阀2的第一管口21和第三管口23连通，并且第二管口22与第四管口24连通，从而使得制冷剂的流向相反，原来的主蒸发器12变为冷凝器，原来的冷凝器4变为主蒸发器，具体的制冷剂循环过程与制冷工况一致，鼓风机11使经过冷凝器（原来的主蒸发器12）的高温气体流动形成制热效果。

特别地，所述热泵空调系统还包括用于对所述冷凝器4的外表面进行加热的第一PTC加热器7，所述第一PTC加热器7与所述控制单元20通讯连接。在本发明的一优选的实施例中，所述第一PTC加热器7设置在所述冷凝器总成5内，并且所述第一PTC加热器7为低功率PTC加热器，具体的输出功率可按照实际实施需求来选择。由于所述第一PTC加热器7的设置，在环境温度较低时，控制单元20开启第一PTC加热器7对冷凝器总成5内的冷凝器4的外表面进行加热，使得在冷凝器4内部进行的热交换进行得更彻底，提高了热泵空调系统的制热能力，同时由于第一PTC加热器7工作时所需的功率不高，因此，仅需要耗费较小的电能就可以达到大幅提高热泵空调的制热能力的目的，具有显著的节能功效。

进一步地，为了进一步提高热泵空调系统的制热能力，所述热泵空调系统还包括设置于所述空调主机16内的第二PTC加热器14，所述第二PTC加热器14与所述控制单元20电连接。

另外，热泵空调系统在原有的一个主蒸发器12的基础上，又增加了一个辅助蒸发器15，以更好地提高能量交换的效率，具体地：所述热泵空调系统还包括辅助蒸发器15、第一电磁阀8、第二电磁阀9、第二双向膨胀阀13和第三管路33，其中，所述辅助蒸发器15设置于所述空调主机16内，该辅助蒸发器15与主蒸发器12邻近设置，两者均位于鼓风机11的前方；所述第二管路32顺次地经过所述冷凝器4和第一电磁阀8连接所述第一双向膨胀阀10；所述冷凝器4上与第一电磁阀8连接的端口还与所述第三管路33的一端连接，所述第三管路33的另一端顺次地经过所述第二电磁阀9、第二双向膨胀阀13和辅助蒸发器15连接所述第四管口24；所述第一电磁阀8和第二电磁阀9均与所述控制单元20电连接。所述控制单元20通过控制第一电磁阀8和第二电磁阀9的吸合与断开，控制哪个蒸发器工作，或者控制两个蒸发器都工作。

本发明还提供了一种纯电动汽车热泵空调系统的控制方法，以结合实时采集的车外温度、车内温度和车内湿度，控制热泵空调系统更高效地运行。该控制方法包括除霜模式下的控制方法、制热模式下的控制方法和制冷模式下的控制方法。

具体地，参照图3，所述热泵空调系统在除霜模式下的控制方法包括以下步骤：

步骤101：所述控制单元20控制压缩机1、风机6、第二PTC加热器14和鼓风机11工作，所述控制单元20控制所述第二电磁阀9吸合，并且控制所述四通换向阀2处于第一工作状态，当所述四通换向阀2处于第一工作状态时，所述热泵空调系统处于制冷状态。

具体地，通过此步骤一方面不让车内温度上升得过块，另一方面使车内的湿度快速减小，避免了制热模式下由于车内湿度太大而导致的在车辆前挡风玻璃上结霜的问题。

步骤102：分别通过设置于车内的车内温度传感器17设置于车内的车内湿度传感器18，获取车内温度和车内湿度，其中所述车内温度传感器17和车内湿度传感器18均与所述控制单元20通讯连接。

步骤103：当所述车内温度大于设定的温度阈值（优选为5℃）且所述车内湿度小于设定的湿度阈值（优选为30%rh）时，所述控制单元20控制所述四通换向阀2处于第二工作状态；当所述四通换向阀2处于第二工作状态时，所述热泵空调系统处于制热状态。

参照图4，所述热泵空调系统在制热模式下的控制方法包括：

步骤201：所述控制单元20控制所述四通换向阀2处于第二工作状态；当所述四通换向阀2处于第二工作状态时，所述热泵空调系统处于制热状态。

步骤202：通过设置于车外的车外温度传感器19获取车外温度，所述控制单元20接收到车外温度传感器19发送过来的车外温度并判断所述车外温度与设定的第一温度的大小，然后根据判断结果执行步骤203或步骤204或步骤205或步骤206。

步骤203：当所述车外温度小于等于所述第一温度（优选为-7℃）时，所述控制单元20控制所述鼓风机11工作，并且所述控制单元20控制所述第二PTC加热器14以第一输出功率（较高的输出功率）工作。

具体地，此步骤中，当车外温度较低时，制热功能主要靠第二PTC加热器14以较高的输出功率工作实现，避免了由于温度较低，热泵空调的能量转换效率低而带来的制热能力差的问题。

步骤204：当所述车外温度大于所述第一温度（优选为-7℃）且小于等于设定的第二温度（优选为2℃）时，所述控制单元20控制压缩机1、风机6、第一PTC加热器7和鼓风机11工作，所述控制单元20控制第一电磁阀8和第二电磁阀9均吸合，并且控制所述第二PTC加热器14以第二输出功率工作，所述第二输出功率小于所述第一输出功率。

具体地，此步骤中，当车外温度不是很低时，此时热泵空调具有一定的制热能力，因此控制系统开启热泵空调系统，并使主蒸发器12和辅助蒸发器15同时参与能量转换，同时使第二PTC加热器14以较低的输出功率工作，即此种情况下，制热主要靠能量转换得来，少量靠电能驱动第二PTC加热器14得来。

步骤205：当所述车外温度大于所述第二温度（优选为2℃）且小于等于设定的第三温度（优选为7℃）时，所述控制单元20控制压缩机1、风机6、第一PTC加热器7和鼓风机11工作，所述控制单元20控制第一电磁阀8和第二电磁阀9均吸合。

具体地，此步骤中，当车外温度稍高时，此时热泵空调具有一定的制热能力，因此控制系统开启热泵空调系统，并使主蒸发器12和辅助蒸发器15同时参与能量转换，同时使低功率的第一PTC加热器7工作，即此种情况下，制热主要靠能量转换得来，少量靠电能驱动第一PTC加热器7得来。

步骤206：当所述车外温度大于所述第三温度（优选为7℃）且小于等于设定的第四温度（优选为14℃）时，所述控制单元20控制压缩机1、风机6和鼓风机11工作，所述控制单元20控制第一电磁阀8和第二电磁阀9均吸合。

具体地，此步骤中，当车外温度比较高时，此时热泵空调具有一定的制热能力，因此控制系统仅需开启热泵空调系统，并使主蒸发器12和辅助蒸发器15同时参与能量转换，即可实现所需的制热能力。

所述热泵空调系统在制冷模式下的控制方法包括：

所述控制单元20控制压缩机1和鼓风机11工作，所述控制单元20控制所述第一电磁阀8吸合，并且控制所述四通换向阀2处于第一工作状态；当所述四通换向阀2处于第一工作状态时，所述热泵空调系统处于制冷状态。

以上依据图式所示的实施例详细说明了本发明的构造、特征及作用效果，以上所述仅为本发明的较佳实施例，但本发明不以图面所示限定实施范围，凡是依照本发明的构想所作的改变，或修改为等同变化的等效实施例，仍未超出说明书与图示所涵盖的精神时，均应在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种纯电动汽车热泵空调系统，包括控制单元、压缩机、冷凝器总成、第一双向膨胀阀、空调主机、第一管路、第二管路和具有第一管口、第二管口、第三管口和第四管口的四通换向阀；所述第一管路的一端连接所述第一管口，另一端通过所述压缩机连接所述第二管口，所述第三管口通过所述第二管路顺次地经所述冷凝器总成中的冷凝器、第一双向膨胀阀和所述空调主机内的主蒸发器连接所述第四管口；所述控制单元分别与压缩机、四通换向阀、冷凝器总成中的风机和空调主机内的鼓风机电连接；其特征在于，

所述热泵空调系统还包括用于对所述冷凝器的外表面进行加热的第一PTC加热器，所述第一PTC加热器与所述控制单元通讯连接。

2.根据权利要求1所述的纯电动汽车热泵空调系统，其特征在于，所述第一PTC加热器设置在所述冷凝器总成内。

3.根据权利要求1所述的纯电动汽车热泵空调系统，其特征在于，所述第一PTC加热器为低功率PTC加热器。

4.根据权利要求1所述的纯电动汽车热泵空调系统，其特征在于，所述热泵空调系统还包括设置于所述空调主机内的第二PTC加热器，所述第二PTC加热器与所述控制单元电连接。

5.根据权利要求4所述的纯电动汽车热泵空调系统，其特征在于，所述热泵空调系统还包括：

设置于所述空调主机内的辅助蒸发器；

第一电磁阀，所述第二管路顺次地经过所述冷凝器和第一电磁阀连接所述第一双向膨胀阀；以及

第二电磁阀、第二双向膨胀阀和第三管路，所述冷凝器上与第一电磁阀连接的端口还与所述第三管路的一端连接，所述第三管路的另一端顺次地经过所述第二电磁阀、第二双向膨胀阀和辅助蒸发器连接所述第四管口；

所述第一电磁阀和第二电磁阀均与所述控制单元电连接。

6.根据权利要求1所述的纯电动汽车热泵空调系统，其特征在于，所述控制单元为中央处理器、单片机、嵌入式处理器中的一种。

7.根据权利要求5所述的纯电动汽车热泵空调系统的控制方法，其特征在于，其除霜模式下的控制方法包括：

所述控制单元控制压缩机、风机、第二PTC加热器和鼓风机工作，所述控制单元控制所述第二电磁阀吸合，并且控制所述四通换向阀处于第一工作状态，当所述四通换向阀处于第一工作状态时，所述热泵空调系统处于制冷状态；

获取车内温度和车内湿度；

当所述车内温度大于设定的温度阈值且所述车内湿度小于设定的湿度阈值时，所述控制单元控制所述四通换向阀处于第二工作状态；当所述四通换向阀处于第二工作状态时，所述热泵空调系统处于制热状态。

8.根据权利要求7所述的纯电动汽车热泵空调系统的控制方法，其特征在于，其制热模式下的控制方法包括：

所述控制单元控制所述四通换向阀处于第二工作状态；当所述四通换向阀处于第二工作状态时，所述热泵空调系统处于制热状态；

获取车外温度；所述控制单元判断所述车外温度与设定的第一温度的大小；

当所述车外温度小于等于所述第一温度时，所述控制单元控制所述鼓风机工作，并且所述控制单元控制所述第二PTC加热器以第一输出功率工作；

当所述车外温度大于所述第一温度且小于等于设定的第二温度时，所述控制单元控制压缩机、风机、第一PTC加热器和鼓风机工作，所述控制单元控制第一电磁阀和第二电磁阀均吸合，并且控制所述第二PTC加热器以第二输出功率工作，所述第二输出功率小于所述第一输出功率；

当所述车外温度大于所述第二温度且小于等于设定的第三温度时，所述控制单元控制压缩机、风机、第一PTC加热器和鼓风机工作，所述控制单元控制第一电磁阀和第二电磁阀均吸合；

当所述车外温度大于所述第三温度且小于等于设定的第四温度时，所述控制单元控制压缩机、风机和鼓风机工作，所述控制单元控制第一电磁阀和第二电磁阀均吸合；

所述第一温度、第二温度、第三温度和第四温度从小至大顺次排列。

9.根据权利要求7所述的纯电动汽车热泵空调系统的控制方法，其特征在于，其制冷模式下的控制方法包括：

所述控制单元控制压缩机和鼓风机工作，所述控制单元控制所述第一电磁阀吸合，并且控制所述四通换向阀处于第一工作状态；当所述四通换向阀处于第一工作状态时，所述热泵空调系统处于制冷状态。

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