CN106004329A - 一种新能源汽车超低温热泵空调系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新能源汽车超低温热泵空调系统及控制方法，本发明通过调整回路连接方式可分别实现制冷、制热、除湿及除霜模式，具有回路结构简单且稳定的特点。在制热模式下，通过形成两条冷媒行走路径，既降低了车外换热器的工作负荷，又增加了压缩机的焓，有效提高了压缩机的工作效率，保证可系统的可靠性；在制冷模式与除霜模式下，通过直接连通的旁路而避开不必要的部件，可减少冷媒压降，降低流阻，从而减小压缩机负担，提高压缩机工作效率；旁路开启方式灵活，易于控制，可根据实际使用情况进行适应性调节，扩大了使用范围。

Description

一种新能源汽车超低温热泵空调系统及控制方法

技术领域

本发明属于汽车空调领域，具体涉及一种新能源汽车超低温热泵空调系统及控制方法。

背景技术

目前有两种空调系统，第一种是燃油汽车使用的传统空调系统，第二种是电动汽车使用的热泵空调系统。

传统的汽车空调系统由蒸发器，膨胀阀，冷凝器，若干管路和压缩机组成，其中压缩机由发动机通过皮带轮带动。在气温较高的季节，通过HVAC的蒸发器吸收乘员舱内的热量来达到降温的目的；在温度较低季节，经通有发动机高温冷却液的芯体加热气体达到取暖的目的。

对电动车，由于没有发动机的高温冷却液，如果继续使用传统空调系统就要用高压PTC代替暖风芯体来持续供暖，这便加重了电池的能耗负担。于是有人提出在车上搭载热泵系统来满足降温制热要求，该系统主要由电动压缩机，气液分离器，蒸发器(部分系统没有)，车内换热器，车外换热器和若干管路以及阀构成；在高温天气下，蒸发器与车外换热器相连，在压缩机的推动下按照传统制冷模式进行降温；在低温天气下，由车外冷凝器与车内冷凝器联合完成舱内采暖，此时车外换热器扮演了蒸发器的角色。热泵系统的取暖方式相比于仅靠PTC更节能高效，提高了电动车的续航能力。

对于这样的热泵系统却存在以下不足：

1.在车外换热器当作蒸发器使用时容易结霜，会增加压缩机的功耗甚至损坏系统，单纯依靠运行停止系统或转换成AC模式来化霜时，不仅无法有效解决大面积化霜问题，还会造成乘员舱内的温度波动剧烈，严重影响舒适性。

2.在长期内循环模式下的制热容易出现挡风玻璃起雾问题，对空调箱内只有一个换热器设计的热泵系统，不能对舱内进行除湿处理，会严重影响行驶安全。

3.在一般低温环境下(0℃～-10℃)工作时，压缩机吸气温度低下，为了满足制热，又必须保持高温排气，这就加重了压缩机的负担，造成COP低下，不能满足快速取暖的需求；

4.一般地，(低温)热泵系统工作极限在-10℃左右，限制了搭载该系统电动车的使用区域。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种适用范围宽、可轻松满足用户降温、制热需求的新能源汽车超低温热泵空调系统及控制方法。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：一种新能源汽车超低温热泵空调系统，包括压缩机、气液分离器、车内换热器、蒸发器、车外换热器以及蒸汽喷射器；所述蒸汽喷射器的一个入口端与TXVⅠ及两通阀Ⅱ出口端相串联，所述两通阀Ⅱ的入口端与蒸汽喷射器的另一入口端相并联；所述压缩机的高压端口通过三通换向阀Ⅰ与车内换热器相连接，所述车内换热器通过两通阀Ⅲ与两通阀Ⅱ的入口端相连接，所述蒸汽喷射器的一个出口端依次通过三通换向阀Ⅱ、Ⅲ与车外换热器的入口端相连接，所述车外换热器的出口端依次通过三通换向阀Ⅳ、气液分离器与压缩机的低压端口连接在一起，所述蒸汽喷射器的另一个出口端与压缩机的中压端口相连；所述三通换向阀Ⅳ的另一端口依次通过TXVⅡ、蒸发器、两通阀Ⅰ与气液分离器的入口端相连接，所述三通换向阀Ⅲ的另一端口通过EXV与车外换热器的入口端相连接。

进一步，所述三通换向阀Ⅰ的另一端口与两通阀Ⅲ的入口端相连接。

进一步，所述两通阀Ⅲ的入口端与三通换向阀Ⅱ的另一端口相连接。

进一步，所述车外换热器与气液分离器之间还设有热交换器。

进一步，所述车外换热器为双层芯体结构，其中一层芯体与外部循环冷却系统相连成循环回路，所述外部循环冷却系统主要由散热器及冷却装置组成。

一种适用于上述的新能源汽车超低温热泵空调系统的控制方法，主要包括以下步骤：

(1)制冷循环：关闭两通阀Ⅱ，压缩机做功，经三通换向阀Ⅰ流向三通换向阀Ⅱ、Ⅲ及车外换热器，然后冷媒通过三通换向阀Ⅳ流经TXVⅡ、蒸发器、两通阀Ⅰ与气液分离器后返回压缩机；

(2)制热循环：压缩机做功，经三通换向阀Ⅰ流向车内换热器，此时空气经鼓风机吸入空调系统被车内换热器加热，再送入乘员舱内取暖；然后冷媒经过两通阀Ⅲ流向蒸汽喷射器，打开两通阀Ⅱ，冷媒被分成两条路径，一条经由TXVⅠ节流降压后直接回到压缩机的中压端口，另一条则依次经过蒸汽喷射器、三通换向阀Ⅱ、Ⅲ后流入EXV节流降压，再通过车外换热器与气液分离器回到压缩机；

(3)除湿循环：在(2)状态下，关闭EXV，使三通换向阀Ⅲ直接与车外换热器连通，改变三通换向阀Ⅳ连通状态，关闭三通换向阀Ⅳ与气液分离器的连接支路，开启三通换向阀Ⅳ与蒸发器、气液分离器的连接支路，使冷媒流向蒸发器后再回到气液分离器和压缩机，此时气流经过蒸发器除湿后再经过车内换热器加热。

(4)除霜循环：在(2)状态下，关闭两通阀Ⅱ与蒸汽喷射器，直接连通车内换热器与三通换向阀Ⅱ，关闭EXV，使三通换向阀Ⅲ直接与车外换热器连通，从车内换热器流出的冷媒直接进入车外换热器，后通过三通换向阀Ⅳ直接回到气液分离器。

进一步，所述制冷循环中，从压缩机内流出的冷媒通过三通换向阀Ⅰ选择性经过车内换热器或不经过车内换热器到达两通阀Ⅲ入口端处，到达两通阀Ⅲ入口端处的冷媒选择性经过蒸汽喷射器或不经过蒸汽喷射器到达三通换向阀Ⅱ。

本发明的有益效果在于：本空调系统可通过调整回路连接方式分别实现制冷、制热、除湿及除霜模式，能满足在-20℃气候下的制热要求，能在车外换热器遭遇霜冻时进行快速化解，避免了舱内的温度骤变，保证了乘员的舒适感，具有回路结构简单且稳定的特点。

在制热模式下，通过形成两条冷媒行走路径，既降低了车外换热器的工作负荷，又增加了压缩机的焓，有效提高了压缩机的工作效率，保证可系统的可靠性；在制冷模式与除霜模式下，通过直接连通的旁路而避开不必要的部件，可减少冷媒压降，降低流阻，从而减小压缩机负担，提高压缩机工作效率；旁路开启方式灵活，易于控制，可根据实际使用情况进行适应性调节，扩大了使用范围；通过设置热交换器或双层芯体结构的车外换热器，进一步利用汽车的废热，以实现节能高效的目的。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：

图1为本发明的原理图；

图2为制热循环示意图；

图3为加装热交换器的系统原理图；

图4为双层芯体结构车外换热器的系统原理图。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。

如图所示，本发明中的新能源汽车超低温热泵空调系统，包括压缩机1、气液分离器2、车内换热器3、蒸发器4、车外换热器5以及蒸汽喷射器6；所述蒸汽喷射器6的一个入口端与TXVⅠ7及两通阀Ⅱ8出口端相串联，所述两通阀Ⅱ8的入口端与蒸汽喷射器6的另一入口端相并联；所述压缩机1的高压端口通过三通换向阀Ⅰ9与车内换热器3相连接，所述车内换热器3通过两通阀Ⅲ10与两通阀Ⅱ8的入口端相连接，所述蒸汽喷射器6的一个出口端依次通过三通换向阀Ⅱ11、Ⅲ12与车外换热器5的入口端相连接，所述车外换热器5的出口端依次通过三通换向阀Ⅳ13、气液分离器2与压缩机1的低压端口连接在一起，所述蒸汽喷射器6的另一个出口端与压缩机1的中压端口相连；所述三通换向阀Ⅳ13的另一端口依次通过TXVⅡ14、蒸发器4、两通阀Ⅰ15与气液分离器2的入口端相连接，所述三通换向阀Ⅲ12的另一端口通过EXV与车外换热器5的入口端相连接。该空调系统通过三通换向阀与两通阀对不同部分进行连接，可根据情况分别实现制冷、制热、除湿及除霜模式，具有回路结构简单、易于控制、流阻小，反应迅速且稳定的特点，适于标准化生产。

作为上述方案的进一步改进，所述三通换向阀Ⅰ9的另一端口与两通阀Ⅲ10的入口端相连接。即车内换热器3具有一个可选择的旁路，在制冷模式下，从压缩机1内出来的冷媒可直接通过该旁路而不经过车内换热器3进入蒸汽喷射器6，可减少冷媒压降，降低流阻，从而减小压缩机1负担，提高压缩机1工作效率。

作为上述方案的进一步改进，所述两通阀Ⅲ10的入口端与三通换向阀Ⅱ11的另一端口相连接。即蒸汽喷射器6具有一个可选择的旁路，在制冷模式与除霜模式下，直接通过该旁路而不经过蒸汽喷射器6进车外换热器5，可减少冷媒压降，降低流阻，从而减小压缩机1负担，提高压缩机1工作效率。该旁路可根据情况与车内换热器3旁路配合开启，最大程度的减小压降损失。

作为上述方案的进一步改进，所述车外换热器5与气液分离器2之间还设有热交换器16。此处的热交换器16可对汽车的废热(马达等电器件的散热)进行收集，待流入压缩机1的冷媒穿过热交换器16时得到加热，既能增加流入压缩机1冷媒的焓，进一步提高压缩机1的效率；又尽可能的利用了车辆能量，满足了节能高效的要求。

作为上述方案的进一步改进，所述车外换热器5为双层芯体结构，其中一层芯体与外部循环冷却系统相连成循环回路，所述外部循环冷却系统主要由散热器17及冷却装置18组成。

具体的，双层芯体的车外换热器2，一层流过冷媒，另一层流过马达制冷剂，在低温时控制水路三通阀19，使冷却装置18内的冷却液转向流入车外换热器5的制冷剂层，再回到冷却装置18。此时车辆前端的进气先经过制冷剂层加热后再经过冷媒层降温，可降低车外换热器5的热负荷。

一种适用于上述的新能源汽车超低温热泵空调系统的控制方法，主要包括以下步骤：

(1)制冷循环：关闭两通阀Ⅱ8，压缩机1做功，经三通换向阀Ⅰ9流向三通换向阀Ⅱ11、Ⅲ12及车外换热器5，然后冷媒通过三通换向阀Ⅳ13流经TXVⅡ14、蒸发器4、两通阀Ⅰ15与气液分离器2后返回压缩机1。

具体的，从压缩机1内流出的冷媒通过三通换向阀Ⅰ9可选择性经过车内换热器3或不经过车内换热器3到达两通阀Ⅲ10入口端处，到达两通阀Ⅲ10入口端处的冷媒可选择性经过蒸汽喷射器6或不经过蒸汽喷射器6到达三通换向阀Ⅱ。在冷媒不经过车内换热器3和/或不经过蒸汽喷射器6而到达三通换向阀Ⅱ时，由于避开了车内换热器3和/或蒸汽喷射器6，从而减少了冷媒压降，降低了流阻，使压缩机1负担有所减小，进一步提高了压缩机1的工作效率。

(2)制热循环：压缩机1做功，经三通换向阀Ⅰ9流向车内换热器3，此时空气经鼓风机吸入空调系统被车内换热器3加热，再送入乘员舱内取暖；然后冷媒经过两通阀Ⅲ10流向蒸汽喷射器6，打开两通阀Ⅱ8，冷媒被分成两条路径，一条经由TXVⅠ7节流降压后直接回到压缩机1的中压端口，另一条则依次经过蒸汽喷射器6、三通换向阀Ⅱ11、Ⅲ12后流入EXV节流降压，再通过车外换热器5与气液分离器2回到压缩机1；在该循环模式下，车外换热器5作为蒸发器工作，两条路径中，一条路径中的冷媒经过蒸汽喷射器6及EXV降温降压，从而降低了车外换热器5的工作负荷，另一条路径中的冷媒则温度较高，压力较高，直接进入压缩机1，可增加压缩机1的焓，从而提高了压缩机1的工作效率。

(3)除湿循环：在(2)状态下，关闭EXV，使三通换向阀Ⅲ12直接与车外换热器5连通，改变三通换向阀Ⅳ13连通状态，关闭三通换向阀Ⅳ13与气液分离器2的连接支路，开启三通换向阀Ⅳ13与蒸发器4、气液分离器2的连接支路，使冷媒流向蒸发器4后再回到气液分离器2和压缩机1，此时气流经过蒸发器4除湿后再经过车内换热器3加热。

为了提高制热效率，减小换热器热负荷，空调系统模式会使用一段时间的内循环，在舱内成员较多时，空气相对湿度会增加，持续的内循环取暖会导致挡风玻璃内表面出现起雾现象，为满足安全要求须对进气进行除湿处理；在制热循环回路上，改变三通换向阀Ⅲ12，使冷媒不经过EXV而直接进入车外换热器5冷凝，改变三通换向阀Ⅳ13，使冷媒流向蒸发器4后再回到气液分离器2和压缩机1，即可实现气流的先除湿再加热。

(4)除霜循环：在(2)状态下，关闭两通阀Ⅱ8与蒸汽喷射器6，直接连通车内换热器3与三通换向阀Ⅱ11，即连通蒸汽喷射器6旁路，关闭EXV，使三通换向阀Ⅲ12直接与车外换热器5连通，从车内换热器3流出的冷媒直接进入车外换热器5，后通过三通换向阀Ⅳ13直接回到气液分离器2。在较低温的气候，空气中存在较高的相对湿度，在运行热泵循环时车外换热器5(此时作为蒸发器使用)的表面温度接近0度甚至更低，极易遭遇结霜问题。该循环模式下既能快速除霜，又能保证舱内取暖的正常进行。全程化霜最多30秒便可完成。

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (7)

1.一种新能源汽车超低温热泵空调系统，其特征在于：包括压缩机、气液分离器、车内换热器、蒸发器、车外换热器以及蒸汽喷射器；所述蒸汽喷射器的一个入口端与TXVⅠ及两通阀Ⅱ出口端相串联，所述两通阀Ⅱ的入口端与蒸汽喷射器的另一入口端相并联；所述压缩机的高压端口通过三通换向阀Ⅰ与车内换热器相连接，所述车内换热器通过两通阀Ⅲ与两通阀Ⅱ的入口端相连接，所述蒸汽喷射器的一个出口端依次通过三通换向阀Ⅱ、Ⅲ与车外换热器的入口端相连接，所述车外换热器的出口端依次通过三通换向阀Ⅳ、气液分离器与压缩机的低压端口连接在一起，所述蒸汽喷射器的另一个出口端与压缩机的中压端口相连；所述三通换向阀Ⅳ的另一端口依次通过TXVⅡ、蒸发器、两通阀Ⅰ与气液分离器的入口端相连接，所述三通换向阀Ⅲ的另一端口通过EXV与车外换热器的入口端相连接。

2.根据权利要求1所述的新能源汽车超低温热泵空调系统，其特征在于：所述三通换向阀Ⅰ的另一端口与两通阀Ⅲ的入口端相连接。

3.根据权利要求1所述的新能源汽车超低温热泵空调系统，其特征在于：所述两通阀Ⅲ的入口端与三通换向阀Ⅱ的另一端口相连接。

4.根据权利要求1～3任一项所述的新能源汽车超低温热泵空调系统，其特征在于：所述车外换热器与气液分离器之间还设有热交换器。

5.根据权利要求1～3任一项所述的新能源汽车超低温热泵空调系统，其特征在于：所述车外换热器为双层芯体结构，其中一层芯体与外部循环冷却系统相连成循环回路，所述外部循环冷却系统主要由散热器及冷却装置组成。

6.一种适用于权利要求1～5任一项所述的新能源汽车超低温热泵空调系统的控制方法，其特征在于主要包括以下步骤：

(1)制冷循环：关闭两通阀Ⅱ，压缩机做功，经三通换向阀Ⅰ流向三通换向阀Ⅱ、Ⅲ及车外换热器，然后冷媒通过三通换向阀Ⅳ流经TXVⅡ、蒸发器、两通阀Ⅰ与气液分离器后返回压缩机；

(2)制热循环：压缩机做功，经三通换向阀Ⅰ流向车内换热器，此时空气经鼓风机吸入空调系统被车内换热器加热，再送入乘员舱内取暖；然后冷媒经过两通阀Ⅲ流向蒸汽喷射器，打开两通阀Ⅱ，冷媒被分成两条路径，一条经由TXVⅠ节流降压后直接回到压缩机的中压端口，另一条则依次经过蒸汽喷射器、三通换向阀Ⅱ、Ⅲ后流入EXV节流降压，再通过车外换热器与气液分离器回到压缩机；

(3)除湿循环：在(2)状态下，关闭EXV，使三通换向阀Ⅲ直接与车外换热器连通，改变三通换向阀Ⅳ连通状态，关闭三通换向阀Ⅳ与气液分离器的连接支路，开启三通换向阀Ⅳ与蒸发器、气液分离器的连接支路，使冷媒流向蒸发器后再回到气液分离器和压缩机，此时气流经过蒸发器除湿后再经过车内换热器加热。

(4)除霜循环：在(2)状态下，关闭两通阀Ⅱ与蒸汽喷射器，直接连通车内换热器与三通换向阀Ⅱ，关闭EXV，使三通换向阀Ⅲ直接与车外换热器连通，从车内换热器流出的冷媒直接进入车外换热器，后通过三通换向阀Ⅳ直接回到气液分离器。

7.根据权利要求6所述的新能源汽车超低温热泵空调系统的控制方法，其特征在于：所述制冷循环中，从压缩机内流出的冷媒通过三通换向阀Ⅰ选择性经过车内换热器或不经过车内换热器到达两通阀Ⅲ入口端处，到达两通阀Ⅲ入口端处的冷媒选择性经过蒸汽喷射器或不经过蒸汽喷射器到达三通换向阀Ⅱ。