CN104121720A - 一种采用空气源热泵的电动汽车空调系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种采用空气源热泵的电动汽车空调系统，该系统可在电动汽车中实现制冷、常规制热、低温制热和除霜模式，其主回路包括压缩机、设置在压缩机出口管路上的室内冷凝器、设置在压缩机回气管路上的室内蒸发器、设置在室内冷凝器与室内蒸发器之间管路上的室外换热器、设置在室内冷凝器和室外换热器之间的第一阀门、设置在室外换热器和室内蒸发器之间的第二三通阀，及设置在第二三通阀与室内蒸发器入口之间的第一节流装置；第二三通阀的旁路和压缩机入口连接。该系统在低温制热模式时，采用中间补气系统运行，具有运行可靠、制热量大、制热效率高等优点。

Description

一种采用空气源热泵的电动汽车空调系统

技术领域

本发明涉及制冷与空调领域，具体涉及一种采用空气源热泵的电动汽车空调系统。

背景技术

汽车空调通过控制车内温湿度来保持车内环境舒适性，并通过除霜、除雾来提高汽车行驶中的安全性，是汽车中的重要组成部分，也是汽车中耗能最大的辅助设备。与传统的内燃式发动机汽车或混合动力汽车相比，纯电动汽车无发动机作为动力源驱动空调系统进行制冷运行，也无发动机余热可利用以实现供暖和除霜。

目前，电动汽车冬季供暖主要采用PTC（正温度系数)电加热供暖，其运行效率低，耗电量大，会大大减少电动汽车运行里程。用于汽车空调的常规热泵系统，采用室内和室外共两个换热器，通过四通阀进行制热和制冷模式切换，抗振性能和可靠性较差。此外，常规空气源热泵系统，在室外低温环境下压缩机吸气量低，排气温度高，制热量和效率均大幅下降，无法满足供热需求，实现低温制热，而过高的排气温度严重影响系统运行安全性，使得常规热泵系统在冬季低温车外环境下无法正常运行。

发明内容

本发明的目的是解决上述电动汽车空气源热泵模式转换及在低温环境下的运行问题，提供一种采用空气源热泵的电动汽车空调系统，该系统可实现制冷、常规制热和低温制热三种模式的转换，且抗振性能强，同时提高低温环境下的制热量、制热效率和系统安全性。

本发明通过三通阀和电磁阀进行运行模式的转换，利用压缩机中间补气提高低温环境适用性的空气源热泵技术，提高系统在室外低温环境下的制热量和制热效率，维持系统安全运行。

本发明提供了一种采用空气源热泵的电动汽车空调系统，该电动汽车空调系统的主回路包括压缩机1、设置在压缩机1出口管路上的室内冷凝器3、设置在压缩机1回气管路上的室内蒸发器10、设置在室内冷凝器3与室内蒸发器10之间管路上的室外换热器6、设置在室内冷凝器3和室外换热器6之间并与之并联的第一阀门5、设置在室外换热器6和室内蒸发器10之间的第二三通阀8，及设置在第二三通阀8与室内蒸发器10入口之间的第一节流装置9；所述第二三通阀8的旁路和压缩机1的入口连接。

优选的，压缩机1和室内冷凝器3之间的管路上设置有第一三通阀2。通过第一三通阀2和第一阀门5用于直接连通压缩机1和室外换热器6，并且通过第二三通阀8连通室外换热器6和室内蒸发器10，形成制冷模式；或者通过第一三通阀2直接连通压缩机1和室内冷凝器3，通过第一阀门5直接连通室内冷凝器3和室外换热器6，并通过第二三通阀8旁路联通室外换热器6和压缩机1，形成制热模式；由此通过调节第一三通阀2进而来控制系统实现制冷制热模式的切换。

作为切换制热制冷模式的替换，优选的，室内冷凝器3进风方位的风道上并排布置一个风阀36，用于关闭室内冷凝器3通风，即关闭室内冷凝器风道，打开室内冷凝器侧风道形成制冷模式；或者打开室内冷凝器风道，关闭室内冷凝器侧风道形成制热模式。

优选的，室内冷凝器3与室外换热器6之间管路上并联设置主路节流支路和中间补气支路，主路节流支路用于节流室内冷凝器3排出的制冷剂，之后进入室外换热器6；中间补气支路用于将制冷剂处理至补气压力，并返回至压缩机1，所述补气压力为低于冷凝压力而高于蒸发压力的中间压力。

优选的，主路节流支路包括第二节流装置13和中间换热器12；中间补气支路包括第二阀门21和第三节流装置22。室内冷凝器3排出的制冷剂直接通过主路节流支路的中间换热器12和第二节流装置13进入室外换热器6，形成常规制热模式；室内冷凝器3排出的制冷剂分成两路，一路直接通过主路节流支路的中间换热器12和第二节流装置13进入室外换热器6；另一路通过第二阀门21、第三节流装置22和中间换热器12后进入压缩机1的中间补气口，形成低温制热模式。

优选的，压缩机1的中间补气口之前管路上设置单向阀23。

作为另外一种补气方式的选择，优选的，所述系统主路节流支路包括第四节流装置14和第四阀门15,；中间补气支路包括闪蒸分离器25，第三阀门24、第五节流装置26和单向阀23；室内冷凝器3排出的制冷剂通过第四节流装置14和第四阀门15，进入室外换热器6，即为常规制热模式；或室内冷凝器3排出的制冷剂通过第四节流装置14和第三阀门24进入闪蒸分离器25后，分为上层气态制冷剂和下层液态制冷剂，上层气态的制冷剂从闪蒸分离器25顶端的出口经单向阀直接进入压缩机1的中间补气口；下层液态制冷剂从闪蒸分离器25低端出口流出，再经过第五节流装置26进入室外换热器6，即为低温热泵模式。通过调节第四阀门15和第三阀门24的开关，进行常规热泵和低温热泵的模式转换。

优选的，系统还包括一个电加热装置4，作为室内冷凝器3的辅助加热器。

优选的，节流装置为热力膨胀阀、电子膨胀阀、毛细管、节流短管或节流孔板。

本发明的技术方案具有如下优点：

1)采用三个换热器和三通阀切换至冷制热模式，避免使用四通阀时汽车振动引起系统可靠性问题；

2)采用低温空气源空调热泵技术，加大低温环境下系统制冷剂循环量，降低压缩机排气温度，从而加大制热量，提高制热效率，保证系统运行可靠性，扩大空气源热泵制热的使用范围；

3)辅助电加热，确保极小时间更低温环境下的供热量。

附图说明

图1为电动汽车空调系统的结构示意图；

图2为电动汽车空调系统制冷时组件连接示意图；

图3为电动汽车空调系统制热时组件连接示意图；

图4为电动汽车空调系统低温制热时组件连接示意图；

图5为带有风阀的电动汽车空调系统的结构示意图；

图6为带有气液闪蒸器的电动汽车空调系统的结构示意图；

图7为带有风阀的电动汽车空调系统的结构示意图。

附图标识：

1、压缩机；2、第一三通阀；3、室内冷凝器；4、电加热元件；5、第一阀门；6、室外换热器；7、风扇；8、第二三通阀；9、第一节流装置；10、室内蒸发器；11、气液分离器；12、中间换热器；13、第二节流装置，14、第四节流装置，15、第五阀门；21、第二阀门；22、第三节流装置；23、单向阀；24、第三阀门；25、闪蒸分离器；26、第四节流装置；31、风道；32、回风口；33、新风口；34、风阀；35、风机；36风阀；37、出风口。

具体实施方式

以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

本发明中低温制热是指车外温度较低，低于本领域常见的制热模式的车外温度的制热模式。此外，本发明将连通压缩机补气口支路压力/温度等定义为中间压力/温度或补气压力/温度。需要说明的是，本发明在所用术语“蒸气”和“气体”或“液体”和“液态”则总体上指在某一位置中制冷剂处于气态或液态，但不排除制冷剂接近但不完全是气态或液态的气液混合态，本领域技术人员可以根据实际情况判断该术语的唯一可能，另外本发明中设计的“高温”、“高压”、“低温”、“低压”均为常见的术语，具体的“高温”“高压”的制冷剂大体上指在制冷或制热循环中从压缩机出来并且直至主节流装置的制冷剂，“低温”“低压”的制冷剂大体上指经过主节流装置节流之后回到压缩机并从压缩机主入口送入之前的制冷剂，“冷凝压力”、“蒸发压力”大体上指的是制冷剂在冷凝器中发生冷凝、在蒸发器中蒸发处于两相态所对应的压力。

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。

实施方案1：

如图1所示的电动汽车空调系统，该系统采用低温空气源空调热泵技术，实现制冷、常规制热和低温制热三种模式的转换；包括压缩机1、设置在压缩机1出口管路上的室内冷凝器3、设置在压缩机1回气管路上的室内蒸发器10、设置在室内冷凝器3与室内蒸发器10之间管路上的室外换热器6、设置在室内冷凝器3和室外换热器6之间的并联的第一阀门5、设置在室外换热器6和室内蒸发器10之间的第二三通阀8，及设置在第二三通阀8与室内蒸发器10入口之间的第一节流装置9；所述第二三通阀8的旁路和压缩机1与室内蒸发器10入口之前的管路连接。

压缩机1和室内冷凝器3之间的管路上设置有第一三通阀2。通过第一三通阀2和第一阀门5用于直接连通压缩机1和室外换热器6，并且通过第二三通阀8连通室外换热器6和室内蒸发器10，形成制冷模式；或者通过第一三通阀2直接连通压缩机1和室内冷凝器3，通过第一阀门5直接连通室内冷凝器3和室外换热器6，并通过第二三通阀8旁路联通室外换热器6和压缩机1，形成制热模式；由此通过调节第一三通阀2进而来控制系统实现制冷制热模式的切换。

室内冷凝器3与室外换热器6之间管路上设置主路节流支路和中间补气支路；其中主路节流支路用于将室内冷凝器3排出的制冷剂节流后，并送入室外换热器；中间补气支路用于将室内冷凝器3排出的一部分制冷剂节流后,得到的补气压力的制冷剂返回到压缩机1的中间补气口，作为低温制热模式。主路节流支路包括第二节流装置13和中间换热器12，中间补气支路包括第二阀门21、第三节流装置22和单向阀23；室内冷凝器3排出的制冷剂分成两路，一路直接通过中间换热器12，并经第二节流装置13进入室外换热器6；另一路通过第二阀门21、第三节流装置22和中间换热器12后进入压缩机1的补气口。此处单向阀可以根据需要去除。

各组件具体连接方式如下：压缩机1出口和室内冷凝器的入口连接，其间管路上设置第一三通阀2，室内冷凝器3出口和室外换热器6的入口连接，室内冷凝器3出口和室外换热器6的入口间的管道之间，设置有并行的主路节流支路和中间补气支路，及旁通支路；旁通支路设置第一阀门5。主路节流支路包括第二节流装置13和中间换热器12；中间补气支路包括第二阀门21及第二节流装置22，中间补气装置还和压缩机通过补气管路连接。中间补气支路通过第二阀门21和第三节流装置22后，通过经中间换热器12与主路节流支路换热后和压缩机1中间补气口连接，主路节流支路经中间换热器12、第三节流装置13后和室外换热器6连接。室外换热器6的出口和室内蒸发器10的入口连接，且其上设置第二三通阀8，第二三通阀8与室内蒸发器10入口之间设置有第一节流装置9，室内蒸发器10的出口和气液分离器11的入口连接，气液分离器11的出口和压缩机的入口连接，第二三通阀8的旁路和气液分离器11连接。

此处第二阀门21可以选择为调节阀。

其中，当高温高压的气态制冷剂由压缩机1依次经过室内冷凝器3后的液态制冷剂部分通过中间换热器12、第二节流装置13、室外换热器6和气液分离器11后回到压缩机1；同时，打开第二阀门21，使室内冷凝器3出口的液体的另一部分通过第三节流装置22进行降压，得到低于冷凝压力而高于蒸发压力的中间补气压力的制冷剂，并通过中间换热器12与另一路上未经过节流的液态制冷剂进行换热蒸发，变为补气压力下的气态或两相制冷剂回到压缩机1；形成低温制热模式。

该系统还包括第二三通阀2，当系统处于制冷模式时，高温高压的气态制冷剂由压缩机1经第二三通阀2直接进入室外换热器6；当系统处于常规制热模式或者低温制热模式时，高温高压的气态制冷剂由压缩机1经第二三通阀2直接进入室内冷凝器3。

此外，还可以在返气管路上设置单向阀，中间补气压力的制冷剂通过中间换热器12换热蒸发后，经单向阀23回到压缩机1。

另外，在低温制热模式或制热模式下，室内冷凝器风道后还包括有电加热元件4，用于进行辅助加热。

该系统还可以通过调节第二阀门21的开度来对补气状态进行工况调节。

其具体工作模式如下：

制冷模式时（如夏季运行），系统运行流程如图2所示，调节第二三通阀2，关闭室内冷凝器3，开通室内冷凝器3的旁通支路，打开第一阀门5，使压缩机1出口与室外换热器6直接相连；开启第一三通阀8中第一节流装置9和室内蒸发器10通路，关闭其旁通支路，此时系统为制冷模式。高温高压的气态制冷剂从压缩机1排出，依次经过第二三通阀2和第一阀门5，进入室外换热器6，此时室外换热器6作为冷凝器，制冷剂在室外换热器6中冷凝，变为高压液体，液体制冷剂经过第一三通阀8到第一节流装置9，经过节流降压，为低温低压气液混合状态，进入室内蒸发器10，蒸发为低温低压气体，通过气液分离器11后进入压缩机，被压缩机压缩为高温高压气体后继续循环。室内（车内）回风与室外（车外）新风通过风阀34调节后进入风道31混合，在风机35的作用下经过室内蒸发器10降温后送入室内，室内冷凝器3无制冷剂流过，故不会与空气进行换热，电加热元件4处于关闭状态，不对空气进行加热。此为制冷模式运行方案。

图3为该实施方案常规制热模式（如冬季非寒冷时间运行），调节三通阀2，开通室内冷凝器3，关闭其旁通支路，关闭第一阀门5和第二阀门21；开启第一三通阀8的旁通支路，关闭第一节流装置9和室内蒸发器10通路。高温高压的气态制冷剂从压缩机1排出，通过第二三通阀2流入室内冷凝器3，制冷剂凝结为高温高压液体，通过中间换热器12（无热交换）后经过第二节流装置13降温降压，降温降压后的制冷剂进入室外换热器6，此时室外换热器作为蒸发器，制冷剂蒸发为低温低压蒸气，通过第一三通阀8及气液分离器11后进入压缩机1被压缩为高温高压气体继续循环。室内（车内）回风与室外（车外）新风通过风阀34调节后进入风道31，在风机35的作用下经过室内冷凝器3升温后送入室内，室内蒸发器10无制冷剂流过，故不会与空气进行换热。电加热元件4根据需要处于关闭状态或对空气进行加热。按照图2的制冷模式运行实现常规制热模式的除霜，用于去除室外换热器的结霜。

图4为该实施方案低温制热模式（如冬季严寒时间运行），在常规制热模式的基础上，打开第二阀门21，使室内冷凝器出口的高温高压液体部分进入补气支路，通过第三节流装置22进行降压，得到低于冷凝压力而高于蒸发压力的中间补气压力，中间压力的制冷剂通过中间换热器12与主路上未经过节流的高温高压液态制冷剂进行换热蒸发，变为补气压力下的气态或两相制冷剂，经过单向阀23进入压缩机中间的补气口，与压缩机内正在被压缩的制冷剂混合。此时，另一部分高温高压制冷剂通过中间换热器12与补气支路的制冷剂换热降温，过冷度加大，再通过第二节流装置13节流膨胀，进入室外换热器6蒸发，主路循环其他部分与常规制热方案相同。在低温制热模式下，如制热量仍不能满足室内/车内制热需要，可以开启电加热元件4进行辅助加热，以保证车内制热、除雾、除霜等情况的需要。需要说明的是，第二阀门21可以是电磁阀，也可以用调节阀替换，一方面可以用作常规制热模式和低温制热模式转换，也可通过调节阀门开度来对补气状态进行工况调节。按照图2的制冷模式运行实现常规制热模式的除霜，用于去除室外换热器的结霜。可以根据需要，设置或者不设置单向阀23。

对于常规采用四通阀和两个换热器的空调热泵系统来说，汽车运行中的颠簸会引起四通阀阀片晃动，容易造成四通阀损坏等问题，影响系统运行可的靠性存。此外，四通阀进行模式转换，还会使系统中部分装置内制冷剂转向运行，模式转换较慢且需要进行特殊考虑。本专利采用三个换热器和三通阀进行模式转换，不会因为振动影响系统运行的可靠性，同时系统中制冷剂流向固定，模式转换快，系统运行稳定。

对于不含补气过程的常规热泵，当室外温度较低时（蒸发器温度较低），压缩吸气比容较大，吸气量较小，导致系统整体制冷剂循环量较小，制热量不足；同时由于蒸发压力和冷凝压力压比变大，压缩机排气温度过高，影响系统运行效率，同时高温还会影响压缩机运行的安全性。低温空气源空调热泵技术（压缩机中间补气技术），将中间温度的制冷剂喷入压缩机内，一来可以加大压缩机排气流量，增加冷凝器制冷剂流量，二来可以降低压缩机排气温度，保护压缩机润滑油正常工作，此外该系统形式还可以降低蒸发器入口焓值，综合来看，该技术较常规热泵可以提高制热量、提高系统运行效率，同时提高系统安全性。

实施例2：

实施例2是将实施例1中采用三通阀控制室内冷凝器制冷剂通道的开启和闭合，改为采用风阀控制室内冷凝器风道的开启与闭合，如图5所示。

制冷模式时，调节风阀36至状态a，关闭流经室内冷凝器风道，开启室内冷凝器旁通风道，打开第一阀门5，调节第一三通阀8开通第一节流装置9和室内蒸发器10通路，关闭其旁通支路，其余各部分与实施方案1相同。室内（车内）回风与室外（车外）新风通过风阀34调节后进入风道31，在风机35的作用下经过室内蒸发器10降温后，通过风道b，送入室内，室内冷凝器3被风阀36挡板遮挡，不与空气接触。电加热元件4处于关闭状态，不对空气进行加热。此为制冷模式运行方案。

常规制热和低温制热模式时，调节风阀36至状态b，关闭室内冷凝器旁通风道，开启流经室内冷凝器风道，关闭第一阀门5，调节第一三通阀8关闭第一节流装置9和室内蒸发器10通路，开启其旁通支路；室内（车内）回风与室外（车外）新风通过风阀34调节后进入风道31，在风机35的作用下经过没有制冷剂的室内蒸发器10后，再经过室内冷凝器3和电加热元件4（根据需要开启）加热后送入车内。其他各部分与实施方案1相同。

实施例3：

如图6所示，一种采用空气源热泵的电动汽车空调系统，该系统采用低温空气源空调热泵技术，实现制冷、常规制热和低温制热三种模式的转换；

所述的电动汽车空调系统包括：压缩机1、第一三通阀2,、室内冷凝器3、第一阀门5、室外换热器6、第二三通阀8、第一节流装置9、室内蒸发器10和气液分离器11；该系统还包括闪蒸分离器25、第四节流装置14、第四阀门15、第三阀门24、第五节流装置26和单向阀23；闪蒸分离器和压缩机1通过返气管路连接；其和实施例1区别在于制热和低温制热模式不同：

常规制热模式时，关闭第一阀门5，第三阀门24，打开第四阀门15。高温高压的气态制冷剂由压缩机1依次经过室内冷凝器3、第四节流装置14、第四阀门15、室外换热器6和气液分离器11后回到压缩机1；

低温制热模式是关闭第一阀门5、第四阀门15，打开第三阀门24。高温高压的气态制冷剂由压缩机1依次经过室内冷凝器3后的液态制冷剂经第四节流装置14后降为中间压力的液体制冷剂，通过第三阀门24进入闪蒸分离器25，得到分为上层气态和下层的液态的两相态的制冷剂；上层气态的制冷剂从闪蒸分离器25顶端的出口经过单向阀23至压缩机补气口；下层液态制冷剂从闪蒸分离器25低端出口流出，经过第五节流装置26，压力降至蒸发压力，与另外一部分中间压力的液体制冷剂合并后进入室外换热器6，后气液分离器11后回到压缩机1。

实施方案4：

实施方案4是根据实施方案2和实施方案3的组合变换，如图7所示。

该系统制冷与制热模式转换同实施方案2，即采用风阀36取代三通阀2进行模式转换；同时采用实施方案3的低温制热系统，即采用具有蒸气出口和液体出口的闪蒸分离器25的系统作为压缩机中间补气系统。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种采用空气源热泵的电动汽车空调系统，其特征在于，该电动汽车空调系统的主回路包括压缩机(1)、设置在压缩机(1)出口管路上的室内冷凝器(3)、设置在压缩机(1)回气管路上的室内蒸发器(10)、设置在室内冷凝器(3)与室内蒸发器(10)之间管路上的室外换热器(6)、设置在室内冷凝器(3)和室外换热器(6)之间的第一阀门(5)、设置在室外换热器(6)和室内蒸发器(10)之间的第二三通阀(8)，及设置在第二三通阀(8)与室内蒸发器(10)入口之间的第一节流装置(9)；所述第二三通阀(8)的旁路和压缩机(1)入口连接。

2.根据权利要求1所述的电动汽车空调系统，其特征在于，所述的压缩机(1)和室内冷凝器(3)之间的管路上设置有第一三通阀(2)。

3.根据权利要求1所述的电动汽车空调系统，其特征在于，所述的室内冷凝器(3)进风方位的风道上并排布置一个风阀(36)。

4.根据权利要求1～3中任一项所述的电动汽车空调系统，其特征在于，所述的室内冷凝器(3)与室外换热器(6)之间管路上设置主路节流支路和中间补气支路，所述主路节流支路用于节流室内冷凝器(3)排出的制冷剂；所述中间补气支路用于将制冷剂处理至中间补气压力，并返回至压缩机(1)的中间补气口。

5.根据权利要求4所述的电动汽车空调系统，其特征在于，所述的主路节流支路包括第二节流装置(13)和中间换热器(12)；所述的中间补气支路包括第二阀门(21)和第三节流装置(22)；

所述室内冷凝器(3)排出的制冷剂直接通过中间换热器(12)和第二节流装置(13)进入室外换热器(6)，形成常规制热模式；

所述室内冷凝器(3)排出的制冷剂分成两路，一路直接通过主路节流支路的中间换热器(12)和第二节流装置(13)进入室外换热器(6)，另一路通过第二阀门(21)、第三节流装置(22)和中间换热器(12)后进入压缩机(1)的中间补气口，形成低温制热模式。

6.根据权利要求5所述的电动汽车空调系统，其特征在于，所述压缩机(1)中间补气口之前管路上设置单向阀。

7.根据权利要求4所述的电动汽车空调系统，其特征在于，所述的主路节流支路包括第四节流装置(14)和第四阀门(15)；所述的中间补气支路包括闪蒸分离器(25)、第三阀门(24)、第五节流装置(26)和单向阀(23)；

所述室内冷凝器3排出的制冷剂直接通过第四节流装置(14)和第四阀门(15)进入室外换热器(6)，形成常规制热模式；

所述室内冷凝器3排出的制冷剂通过第四节流装置(14)和第三阀门(24)进入闪蒸分离器(25)后，分为上层气态制冷剂和下层液态制冷剂，上层气态的制冷剂从闪蒸分离器(25)顶端的出口经单向阀直接进入压缩机(1)的中间补气口，下层液态制冷剂从闪蒸分离器(25)低端出口流出，再经过第五节流装置(26)进入室外换热器(6)，形成低温制热模式。

8.根据权利要求1所述的电动汽车空调系统，其特征在于，所述系统还包括一个电加热装置(4)，作为室内冷凝器(3)的辅助加热器。