CN103712369B - 车辆热泵系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

车辆热泵系统可具有位于HVAC模块内的两个内部换热器，且可以缓和冷却和缓和加热模式运行。在缓和冷却模式中，第一隔离阀和第二隔离阀分别完全打开和闭合，以仅将制冷剂引导到第一内部换热器。在缓和加热模式中，第一隔离阀和第二隔离阀分别完全闭合和打开，以仅将制冷剂流动引导到第二内部换热器。在全部两个模式中，第一计量装置部分地打开，以控制制冷剂的流动和膨胀，第二计量装置完全闭合，以阻止制冷剂在所述内部换热器之间流动。热泵系统的这种分级运行可以降低闪蒸雾的风险，并且降低排放空气温差。

Description

车辆热泵系统及控制方法

技术领域

本发明涉及一种车辆热泵系统以及位于车辆热泵系统的HVAC模块内的多个制冷剂换热器的分级控制方法。

背景技术

汽车具有已实施的热泵式空气调节和加热系统，以对车辆的乘客车厢提供冷却和加热。这种系统可包括外部换热器、位于HVAC模块内的内部换热器、压缩机和四通换向阀，所述四通换向阀用于在从冷却模式向加热模式转换时改变流向压缩机或来自压缩机的制冷剂的方向，或反之亦然。在一些系统中，可具有两个位于HVAC模块中的内部换热器，在HVAC模块中，它们可以被配置为选择性地并联和/或串联运行。该系统还可包括其他装置，包括但不限于计量装置、阀、风扇和鼓风机。

在冷却模式中，内部换热器（一个或多个）用作吸热器或蒸发器，外部换热器用作散热器或冷凝器。制冷剂从压缩机流动经过外部换热器进入计量装置中，所述计量装置例比为热膨胀阀（TXV），随后经过内部换热器（一个或多个）。热量被从吹过内部换热器（一个或多个）的空气提取，由此为乘客车厢提供经冷却的空气。在加热模式中，外部换热器用作蒸发器，内部换热器（一个或多个）用作冷凝器。换向阀使得制冷剂的流动反向，从而制冷剂从压缩机流动经过内部换热器（一个或多个），进入计量装置中，并随后经过外部换热器。来自制冷剂的热量被吹过内部换热器（一个或多个）的空气排成，由此为乘客车厢提供热量。

当内部换热器（一个或多个）被首先用作蒸发器，且随后用作冷凝器时，如当从冷却模式向加热模式切换时，乘客车厢内可出现闪蒸雾（flashfog）。这发生在从冷却运行剩余在内部换热器（一个或多个）上的冷凝物在内部换热器（一个或多个）变暖或变热时，快速地蒸发或闪蒸时。一些车辆热泵系统可实施并运转HVAC模块鼓风机，以试图在车辆停止时烘干冷凝物。

发明内容

提供了一种车辆热泵系统，其具有在HVAC模块内的多个换热器。该车辆热泵系统包括制冷剂回路（制冷剂在该回路内循环）和至少一个控制器。制冷剂回路包括外部换热器、第一内部换热器和第二内部换热器。每个换热器配置为选择性地作为冷凝器或蒸发器运行。一般地，当外部换热器作为冷凝器运行时，内部换热器将作为蒸发器运行。类似地，当外部换热器作为蒸发器运行时，内部换热器将作为冷凝器运行。

制冷剂回路还包括压缩机和HVAC模块，所述压缩机配置为压缩制冷剂，第一内部换热器和第二内部换热器位于所述HVAC模块内。制冷剂回路进一步包括第一隔离阀、第二隔离阀、第一计量装置和第二计量装置。隔离阀配置为根据控制器所确定的运行模式，隔离第一内部换热器和第二内部换热器中的一个。计量装置配置为控制制冷剂的流动和膨胀。另外，第二计量装置配置为阻止制冷剂从一个内部换热器流动到另一个。

所述至少一个控制器配置为控制车辆热泵系统。控制器首先基于至少一个控制参数选择车辆热泵系统将运行的运行模式。控制参数可包括但不限于环境空气温度、期望的车厢温度、时间等。控制器随后基于该运行模式控制制冷剂在制冷剂回路中的流动方向。当控制参数在第一温度范围内时，车辆热泵系统将以缓和冷却模式运转，制冷剂流动方向将是从压缩机向外部换热器。当控制参数在第二温度范围内时，车辆热泵系统将以缓和加热模式运转，制冷剂流动方向将是从外部换热器向压缩机。由于较低的需要，因此这些缓和运行模式中，制冷剂的质量流率低于完全冷却或加热模式中的制冷剂质量流率。

控制器进一步调节第一隔离阀和第二隔离阀的位置，以隔离第一内部换热器和第二内部换热器中的一个。当车辆热泵系统以缓和冷却模式运行时，第一隔离阀将完全打开，第二隔离阀将完全闭合。这将制冷剂仅引导到第一内部换热器，并阻止制冷剂流到第二内部换热器。当车辆热泵系统以缓和加热模式运行时，第一隔离阀将完全闭合，第二隔离阀将完全打开。这将制冷剂流动仅引导到第二内部换热器，并阻止制冷剂流到第一内部换热器。

控制器进一步调节第一计量装置和第二计量的装置，以进一步隔离第一内不换热器和第二内部换热器中的一个，以及控制制冷剂的膨胀。在缓和冷却模式和缓和加热模式二者中，第一计量装置将部分地打开，与是否其从内部换热器中的一个或外部换热器接收制冷剂无关。第二计量装置将完全闭合，以阻止制冷剂从内部换热器中的一个的出口流到内部换热器中的另一个的入口。

当车辆热泵系统以基于加热的除湿模式（其可发生在至少一个控制参数落在第一温度范围和第二温度范围之间时）运行时，内部换热器串联运转，在该情况下，制冷剂首先流动经过第二内部换热器。这样，第一内部换热器接收比第二内部换热器更低温度的制冷剂。

因为在缓和冷却模式中第一内部换热器用作蒸发器，所以其可能产生冷凝物，当切换到基于加热的除湿模式时，所述冷凝物可能闪蒸。通过仅使用第一内部换热器作为用于这两个模式的共用内部换热器，第一内部换热器在冷却模式和基于加热的除湿模式之间的温差将没有具有第二换热器106的情况下（如果其也被允许以缓和冷却模式运行）那么大。这将降低在乘客车厢中发生闪蒸雾的风险。

此外，通过在缓和冷却模式和微加热模式二者中引导制冷剂仅行进通过一个内部换热器（这提高局部制冷剂质量流率），将改善换热器金属温度的均匀性，降低排放空气温差。

当结合附图时，本发明的上述特征和优点及其他特征和优点将从用于实现如所附的权利要求中定义的本发明的一些最佳模式和其它实施例的以下详细描述变得显而易见。

附图说明

图1是以缓和冷却模式运行的车辆热泵系统的示意图；

图2是以缓和加热模式运行的图1的车辆热泵系统示意图；

图3是以基于加热的除湿模式运行的图1的车辆热泵系统的示意图；和

图4是示出了控制图1-3的车辆热泵系统的方法的示意性流程图。

具体实施方式

以下描述和附图涉及示例性实施例，且本质上仅是说明性的，不意图限制本发明、本发明的应用或用途。在整个附图中，一些部件通过标准或基本符号示出。这些符号仅是代表性和说明性的，不以任何方式限制所示的任何具体构造、所示的不同构造之间的组合或权利要求。对构成部件的所有描述是开放式的，并且部件的任何示例是非穷举的。

参考附图，其中在若干幅视图中，相似的附图标记尽可能对应于相似或类似的部件，图1-3中示出了用于控制车辆乘客车箱温度的车辆热泵系统100。图1图示了以缓和冷却模式运行的车辆热泵系统100。图2显示了以缓和加热模式运行的车辆热泵系统100。图3显示了以基于加热的除湿模式运行的车辆热泵系统100。图1和2中的虚线表示在特定运行模式中不操作的管路。

车辆热泵系统100所运行的模式可通过多个不同的控制因数和参数确定，包括但不限于，环境空气温度、车厢温度、车辆电池温度、时间等。例如，在一个实施例中，其中控制参数是环境空气温度，车辆热泵系统100可以在环境温度在20摄氏度至30摄氏度之间时，以缓和冷却负荷运行。当环境空气温度下降低于20摄氏度时，车辆热泵系统100可切换到基于加热的除湿模式，所述除湿模式可以在5摄氏度至20摄氏度的范围。当环境空气温度下降低于5摄氏度时，车辆热泵系统100可切换到缓和加热模式，所述加热模式可以在-5摄氏度至5摄氏度的范围。当环境空气温度低于-5摄氏度或高于30摄氏度时，车辆热泵系统可分别切换到完全加热模式或完全冷却模式，下文中对这两种加热模式都未讨论。应意识到，这些温度范围仅是示例性的，且对于每一个运行模式可以为任何范围。另外，该温度（或其他控制参数）的范围可以是可调的。

车辆热泵系统100通常可包括压缩机101、外部换热器104、第一内部换热器105、第二内部换热器106、第一计量装置108、第二计量装置109、第一隔离阀110和第二隔离阀111。第一内部换热器105和第二内部换热器106可位于车辆的HVAC模块107的内部。

尽管第一内部换热器105和第二内部换热器106被显示为两个不同的换热器，但是应意识到，它们可以是盘管在不同隔间内的一个换热器，或其的任何其他变形形式。应进一步意识到，可以存在多于两个的内部换热器。换热器104、105和106通常为制冷剂-空气换热器。根据运行模式，换热器104、105和106可作为冷凝器或蒸发器运行，如下文中更详细讨论的。

内部换热器105和106通常配置为并联运行，从而它们将在基本相同的压力和温度下接收制冷剂。然而，内部换热器105和106可通过互连管路112相互连接，所述互连管路112允许它们串联运行，如图3中所描述以及如下文中所述。分别地，互连管路112的一个端部在内部换热器105或106中的一个的入口处分叉，互连管路112的另一个端部在内部换热器105或106中的另一个的出口处分叉。互连管路112上可以具有计量装置109，以控制通过互连管路112的制冷剂的流动和膨胀。

计量装置108和109可以是热膨胀阀（TXV），其可以是电驱动或机械驱动的，或可以是任何其他膨胀装置。隔离阀110和111可以是断流阀、流动控制阀或能够限制制冷剂在特定管路中的流动的任何其他阀。尽管在图1-3中图示了打开/闭合双位阀，但应意识到，隔离阀110和111也可以是可调节的（modulating）。

车辆热泵系统100还可包括控制器113，其配置为根据图4中图示并在下文中描述的方法200控制车辆热泵系统100的运行。控制器可以通过至少一个电连接器电连接到车辆热泵系统100，且可配置为监测和控制处于不同运行模式的车辆热泵系统100。所述至少一个控制器113可配置为与电动机（未示出）通讯，所述电动机可驱动压缩机101。所述至少一个控制器可进一步配置为，通过所述至少一个电连接器，与第一和第二计量装置108和109、第一和第二隔离阀110和111、任何其他辅助装置以及其他子系统通讯。

尽管车辆热泵系统100通常可包括在切换运行模式时改变制冷剂流动方向的换向阀，但是为了简明，附图中未示出所述换向阀。而且，车辆热泵系统100可进一步包括附图中未示出的其他部件和装置，包括但不限于，制冷剂加热器芯、车辆电池和/或附加的换热器。

参考图1，车辆热泵系统100被显示为以缓和冷却模式运行，由于较低的需求，该模式中的制冷剂的质量流率低于完全冷却模式。在该模式中，外部换热器104作为冷凝器运行，内部换热器105作为蒸发器运行。制冷剂从压缩机101流至外部换热器104，所述外部换热器104将制冷剂冷凝为液体。制冷剂随后流过第一计量装置108。

第二隔离阀111处于完全闭合状态，由此将制冷剂的流动仅引导到第一内部换热器105，并阻止制冷剂流动到第二内部换热器106。第二计量装置109也完全闭合，以阻止制冷剂通过互连管路112流到第二内部换热器106。第一隔离阀110处于完全打开状态，以允许制冷剂流到压缩机101。类似地，第一计量装置108部分地打开，以允许制冷剂流到第一内部换热器105，以及控制制冷剂的膨胀。

第二内部换热器106从以缓和冷却模式的运行被隔离，以降低当车辆热泵系统100向基于加热的除湿模式（如图3所示）切换时，在乘客车厢中发生闪蒸雾的风险。

参考图3，在基于加热的除湿模式中，内部换热器105和106串联运行，其中制冷剂首先流过第二内部换热器106。隔离阀110和111完全闭合，以引导制冷剂从第二内部换热器106经过互连管路112流到第一内部换热器105。第二计量装置109仅部分地打开，以允许从第二内部换热器106接收的制冷剂在进入第一内部换热器105之前部分地膨胀成气体和液体状态。这样，第一内部换热器105接收比第二内部换热器106处接收的制冷剂处于更低温度的制冷剂。第一计量装置108也仅部分地打开。

因为在缓和冷却模式中第一内部换热器105用作蒸发器，所以其可产生冷凝物，当切换到基于加热的除湿模式时，所述冷凝物可能闪蒸。通过仅使用第一内部换热器105作为用于这两个模式的共用内部换热器，第一内部换热器105在冷却模式和基于加热的除湿模式之间的温差将没有具有第二换热器106的情况下（如果其也被允许以缓和冷却模式运行）那么大。这将降低乘客车厢内发生闪蒸雾的风险，并且降低运行HVAC模块鼓风机的需要。

而且，由于在该模式中制冷剂质量流率较低，因此通过将制冷剂引导为仅行进通过第一内部换热器105，可提高局部质量流率。这将提高换热器金属温度的均匀性，由此降低排放空气温差。

参考图2，热泵系统100被显示为以缓和加热模式运行，由于较低的需要，因此该模式中的制冷剂的质量流率低于完全加热模式。在该模式中，外部换热器104作为蒸发器运行，内部换热器106作为冷凝器运行。制冷剂从外部换热器104流到压缩机101。

第一隔离阀110处于完全闭合状态，由此将制冷剂的流动仅引导到第二内部换热器106，并阻止制冷剂流动到第一内部换热器105。第二计量装置109也完全闭合，以阻止制冷剂通过互连管路112流到第一内部换热器105。第二隔离阀111处于完全打开状态，以允许制冷剂流到第一计量装置108，该第一计量装置也处于部分打开状态，以允许制冷剂流到外部换热器104，并且控制制冷剂的膨胀。

正如以上描述的缓和冷却模式，通过将制冷剂引导为仅行进通过一个内部换热器106，将提高换热器金属温度的均匀性，降低排放空气温差。

参考图4，显示了方法200，该方法200控制车辆热泵系统100以降低车辆乘客车厢中闪蒸雾的风险，并且降低排放空气温差。

方法200开始于步骤202，在该步骤中，车辆热泵系统100的运行模式被选择。如上文所说明的，运行模式被基于至少一个参数确定，所述参数可包括但不限于，环境空气温度、车厢温度、车辆电池温度、时间等。当控制参数在第一温度范围内时，车辆热泵系统100可以缓和冷却模式运行。当控制参数在第二温度范围内时，车辆热泵系统100可以缓和加热模式运行。

在步骤202之后，方法200行进至步骤204。在步骤204处，基于运行模式，控制制冷剂的流动方向。如上文所说明的，在冷却模式中，制冷剂可从压缩机101流到外部换热器104。在加热模式中，制冷剂可从外部换热器104流到压缩机101。

在步骤204之后，方法200行进至步骤206。在步骤206处，基于运行模式，调节第一隔离阀110和第二隔离阀111，以将第一内部换热器105和第二内部换热器106中的一个从制冷剂回路中隔离。当车辆热泵系统100以缓和冷却模式运行时，第一隔离阀110可处于完全打开位置，第二隔离阀111可处于完全闭合位置，由此允许制冷剂从第一内部换热器105流到压缩机101，并阻挡制冷剂流到第二内部换热器106。

相反地，当车辆热泵系统100以缓和加热模式运行时，第一隔离阀110可处于完全闭合位置，第二隔离阀111可处于完全打开位置，由此允许制冷剂从压缩机101流到第二内部换热器106，并阻挡制冷剂流到第一内部换热器105。

在步骤206之后，方法200行进至步骤208。在步骤208处，基于运行模式，调节第一计量装置108和第二计量装置109，以将第一内部换热器105和第二内部换热器106中的一个从制冷剂回路隔离，并且控制制冷剂的膨胀。在缓和冷却模式和缓和加热模式二者中，第一计量装置108可部分地打开，第二计量装置109可完全闭合，以阻止制冷剂通过互连管路112在第一和第二内部换热器105和106的入口和出口之间流动。

详细描述和附图或视图支持和描述本发明，但是本发明的范围仅由权利要求限定。尽管已详细描述了用于实现要求保护的发明的最佳模式和其他实施例，但是仍存在用于实践所附权利要求中限定的本发明各种替换设计和实施例。

Claims (9)

1.一种车辆热泵系统，包括：

制冷剂回路，制冷剂在其中循环，该制冷剂回路包括：

外部换热器，配置为选择性地作为冷凝器或蒸发器运行；

第一内部换热器和第二内部换热器，每一个配置为选择性地作为冷凝器或蒸发器运行；

压缩机，配置为压缩制冷剂；

至少两个隔离阀，配置为将第一内部换热器和第二内部换热器中的一个从制冷剂回路隔离；

至少两个计量装置，配置为控制制冷剂的流动和膨胀；和

HVAC模块，第一内部换热器和第二内部换热器位于该HVAC模块内；和

至少一个控制器，配置为：

基于至少一个控制参数，选择车辆热泵系统将运行的模式；

基于所述运行模式，控制制冷剂在车辆热泵系统的制冷剂回路中的流动方向；

基于所述运行模式，调节所述至少两个隔离阀，以将第一内部换热器和第二内部换热器中的一个从制冷剂回路隔离；和

基于所述运行模式，调节所述至少两个计量装置，以隔离内部换热器中的一个，使其不能从内部换热器中的另一个接收制冷剂，并控制制冷剂的膨胀；

其中第一内部换热器和第二内部换热器配置为选择性地并联和串联地运行，以将车辆热泵系统转换到其他模式中的一种；

其中控制制冷剂的膨胀使在所述第一内部换热器和第二内部换热器中的没有被隔离的一个内部换热器的情况下，所述运行模式和其他模式中的一种之间的温差不大。

2.如权利要求1所述的车辆热泵系统，其中当所述至少一个控制参数在第一温度范围内时，运行模式为缓和冷却模式。

3.如权利要求2所述的车辆热泵系统，其中当车辆热泵系统以缓和冷却模式运行时，引导制冷剂从压缩机流到外部换热器。

4.如权利要求2所述的车辆热泵系统，其中当车辆热泵系统以缓和冷却模式运行时，第二内部换热器被从制冷剂回路隔离。

5.如权利要求2所述的车辆热泵系统，其中当所述至少一个控制参数在第二温度范围内时，运行模式为缓和加热模式。

6.如权利要求5所述的车辆热泵系统，其中当车辆热泵系统以缓和加热模式运行时，引导制冷剂从外部换热器流到压缩机。

7.如权利要求5所述的车辆热泵系统，其中当车辆热泵系统以缓和加热模式运行时，第一内部换热器被从制冷剂回路隔离。

8.如权利要求1所述的车辆热泵系统，其中所述至少一个控制参数是环境空气温度。

9.如权利要求1所述的车辆热泵系统，其中所述至少一个控制参数是车厢的期望温度。