CN106274368A - 电动汽车热泵空调系统及其换热方法 - Google Patents

电动汽车热泵空调系统及其换热方法 Download PDF

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CN106274368A CN201610791481.1A CN201610791481A CN106274368A CN 106274368 A CN106274368 A CN 106274368A CN 201610791481 A CN201610791481 A CN 201610791481A CN 106274368 A CN106274368 A CN 106274368A
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陈晓宁
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Abstract

一种电动汽车热泵空调系统及其换热方法，包括：压缩机、冷凝机构、蒸发机构、换热机构和气液分离器，其中：冷凝机构和蒸发机构设置于供热通风与空气调节(HVAC)单元内，压缩机、气液分离器、换热机构和冷凝机构构成环路，气液分离器与换热机构之间设有第一模式切换阀，蒸发机构的输出端和压缩机补气端通过第二模式切换阀相连，蒸发机构的输入端分别与第一模式切换阀以及冷凝机构相连，通过第一模式切换阀和第二模式切换阀在制冷模式、制热模式和低温制热模式下进行切换。本发明能够通过新型的系统布置同时满足低温制热和内气除雾的需求。

Description

电动汽车热泵空调系统及其换热方法
技术领域
本发明涉及的是一种车用空调领域的技术，具体是一种适用于低温制热及具有内气除雾功能的电动汽车热泵空调系统及其换热方法，能够降低电动汽车空调的新风热负荷，达到降低空调能耗、延长电动汽车续航里程的目标。
背景技术
电动汽车具有节能、环保的优点，在世界范围得到了广泛关注。然而，受制于电池技术的瓶颈，目前电动汽车的续航里程仍不能使人满意。电动汽车空调启动后，续航里程的缩短情况更为严重。根据已有研究，冬季采暖耗能可使电动汽车的续航里程下降最高可达50％左右，成为电动汽车辅助器件中耗能最大的部分，严重影响电动汽车的使用。
空调负荷中比重最大的为新风负荷。在传统燃油汽车中，为防止冬季车窗凝雾影响驾驶，通常采取引入大量新风的方法来降低客舱内空气湿度的方法来保障驾驶安全性；现阶段的电动汽车也沿用此法。然而，新风风门开启会大大增加空调的供暖负荷：在低环境温度、高车速的工况下，采用全新风时供暖负荷较全回风时会增加200％以上。因此，如何降低电动汽车空调负荷，尤其是新风负荷成为研发的一种必须。
此外，在较低的环境温度下，现有的汽车热泵系统并不能很好的提供车室内所需的热量。在低温下，压缩机的吸气比容增大，系统质量流量减小；同时，较低的蒸发温度和较高的冷凝温度也导致压缩机的容积效率降低，进一步削弱了热泵系统的制热能力。因此，需要开发一种系统，可以降低新风负荷的同时还可以很好的适应低温制热的工况。
发明内容
本发明针对现有电动汽车空调使用过程中新风负荷过高、能耗大，低环境温度下制热性能差，导致续航里程下降明显的问题，提出一种电动汽车热泵空调系统及其换热方法，能够通过新型的系统布置同时满足低温制热和内气除雾的需求。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明涉及一种电动汽车热泵空调系统，包括：压缩机、冷凝机构、蒸发机构、换热机构和气液分离器，其中：冷凝机构和蒸发机构设置于供热通风与空气调节(HVAC)单元内，压缩机、气液分离器、换热机构和冷凝机构构成环路，气液分离器与换热机构之间设有第一模式切换阀，蒸发机构的输出端和压缩机补气端通过第二模式切换阀相连，蒸发机构的输入端分别与第二模式切换阀以及冷凝机构相连，通过第一模式切换阀和第二模式切换阀在制冷模式、制热模式和低温制热模式下进行切换。
所述的换热机构和冷凝机构之间设有制热膨胀阀和与之并联的制冷旁通阀。
所述的蒸发机构与第二模式切换阀之间设有制冷节流阀。
所述的蒸发机构与冷凝机构之间进一步设有补气截止阀。
所述的冷凝机构上设有混合风门，该混合风门优选位于冷凝机构朝向蒸发机构的一侧。
本发明进一步提出一种电动汽车热泵空调系统，包括：包括：压缩机、暖风芯体、蒸发机构、换热机构、辅助冷凝机构和气液分离器，其中：暖风芯体和蒸发机构设置于供热通风与空气调节单元内，压缩机、气液分离器、换热机构和辅助冷凝机构构成环路，气液分离器与换热机构之间设有第一模式切换阀，蒸发机构的输出端和压缩机补气端通过第二模式切换阀相连，蒸发机构的输入端分别与第一模式切换阀以及辅助冷凝机构相连，暖风芯体的输入端和输出端均与辅助冷凝机构相连并构成热传导回路，通过第一模式切换阀和第二模式切换阀在制冷模式、制热模式和低温制热模式下进行切换。
所述的辅助冷凝机构与暖风芯体之间设有供液泵以循环驱动其中的导热液输送热量。
所述的换热机构和辅助冷凝机构之间设有制热膨胀阀和与之并联的制冷旁通阀。
所述的蒸发机构与辅助冷凝机构之间进一步设有补气截止阀。
上述供热通风与空气调节单元包括：主风道以及位于主风道一端的新风风道和回风风道、位于主风道另一端的吹面风道、吹脚风道和除霜风道，其中：鼓风机设置于新风风道和回风风道一侧，所述的冷凝机构设置于吹面风道和吹脚风道一侧，所述的蒸发机构设置于鼓风机和冷凝机构之间。
所述的新风风道和回风风道之间设有切换风门，通过所述的切换风门改变流经所述的室内侧换热器的空气流向，达到在制冷、制热模式中切换的目的；所述的吹面风道、吹脚风道和除霜风道各自设有风门，通过所述的风门在吹面、吹脚、吹面吹脚和除霜除雾中进行切换。
技术效果
与现有技术相比，本发明可通过第一模式切换阀和第二模式切换阀在制冷模式、制热模式和低温制热模式下进行切换；所述的低温制热工况下，系统可将冷凝器引出的液相制冷剂节流至中间压力，并将制冷剂喷射到压缩机的压缩腔中，增强热泵系统低温下的制热性能。节流过程中产生的冷量用于吸收车室内的湿负荷，实现内气除雾的功能，以达到降低新风负荷的目的。在特定的低温制热的工况下，使用该发明所述的空调系统可降低70％-80％的新风负荷；同时增强系统的制热能力达20％。
附图说明
图1为本发明系统示意图；
图2为本发明的一种优选形式；
图3为本发明不同工作模式下制冷剂的流动示意图；
图中：a为制冷工况、b为普通制热工况、c为低温制热工况，虚线为高压制冷剂流路，点划线为低压制冷剂流路；
压缩机101、室内侧冷凝器102、室内侧蒸发器103、室外侧换热器104、风扇105、气液分离器106、制热膨胀阀107、制冷旁通阀108、补气截止阀109、制冷节流阀110、第一模式切换阀111、第二模式切换阀112、HVAC单元201、新风入口202、回风入口203、新风/回风切换风门204、鼓风机205、混合风门206、吹面风道207、吹面风门208、除霜风道209、除霜风门210、吹脚风道211、吹脚风门212、供液泵113、暖风芯体114、辅助冷凝器115。
具体实施方式
本实施例中在所用术语“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。
本实施例提供一种电动汽车热泵空调系统，尤其涉及一种适用于低温制热及具有内气除雾功能的热泵系统，从而降低电动汽车空调的新风热负荷，达到降低空调能耗、延长电动汽车续航里程的目标。
如图1所示，本实施例电动汽车热泵空调系统包括：压缩机101、室内侧冷凝器102、室内侧蒸发器103、室外侧换热器104、风扇105、气液分离器106、制热膨胀阀107、制冷旁通阀108、补气截止阀109、制冷节流阀110、第一模式切换阀111、第二模式切换阀112。
如图1所示，本实施例中的HVAC单元201包括：新风入口202、回风入口203、新风/回风切换风门204、鼓风机205、混合风门206、吹面风道207、吹面风门208、除霜风道209、除霜风门210、吹脚风道211、吹脚风门212。
本发明涉及上述电动汽车热泵空调系统的热交换方法，包括：制冷工况、普通制热工况和低温制热工况，其中：
制冷工况下，制冷旁通阀108打开，补气截止阀109关闭，第一模式切换阀111切换至104与110导通；混合风门206切换至制冷模式，使得空气无法流经室内侧冷凝器102。经压缩机101排出的高温高压制冷剂流经室内侧冷凝器102，然后流经制冷旁通阀108，进入室外侧换热器104。制冷剂在104中与风扇105送来的空气换热，冷凝为高温高压的液体。制冷剂随后流经第一模式切换阀111，并流经制冷节流阀110，成为低温低压两相状态，然后进入室内侧蒸发器103。制冷剂在103中与鼓风机205输送过来的空气冷却，成为过热蒸汽。第二模式切换阀112切换至103与106联通。过热蒸汽流经第二模式切换阀112，随后流经气液分离器106并回到压缩机101，完成制冷循环。
普通制热工况下，制冷旁通阀108关闭，补气截止阀109关闭，第一模式切换阀111切换至104与106导通；第二模式切换阀112切换至101与103导通。混合风门206切换至制热模式，使得空气流经室内侧冷凝器102。经压缩机101排出的高温高压制冷剂流经室内侧冷凝器102，将鼓风机205输送过来的空气加热，冷凝为高温高压的液体，然后流经制热节流阀107，成为低温低压两相制冷剂，随后进入室外侧换热器104。制冷剂在104中与风扇105送来的空气换热，成为过热蒸汽。制冷剂随后流经第一模式切换阀111，随后流经气液分离器106并回到压缩机101，完成制热循环。
低温制热工况下，制冷旁通阀108关闭，补气截止阀109打开，第一模式切换阀111切换至104与106导通；第二模式切换阀112切换至101与103导通。混合风门206切换至制热模式，使得空气流经室内侧冷凝器102。经压缩机101排出的高温高压制冷剂流经室内侧冷凝器102，将鼓风机205输送过来的空气加热，冷凝为高温高压的液体，然后一路流经制热节流阀107，成为低温低压两相制冷剂，随后进入室外侧换热器104。制冷剂在104中与风扇105送来的空气换热，成为过热蒸汽。制冷剂随后流经第一模式切换阀111，随后流经气液分离器106并回到压缩机101；另外一路经109流经110，并节流成为两相状态，在103中与鼓风机205送来的车室内回风换热，吸收车内湿负荷，变为过热气体。过热气体后经112喷射至压缩机101的中间级，完成制热循环。
实施例2
本实施例中所涉及空调系统可如图2所示，其进一步包括：供液泵113、替换实施例1中室内侧冷凝器102的暖风芯体114、辅助冷凝器115，其中：供液泵113及暖风芯体114及辅助冷凝器115由液体管路串联成为热传导回路，导热液在热传导回路中流动，达到输送热量的目的。
本发明涉及上述电动汽车热泵空调系统的热交换方法，包括：制冷工况、普通制热工况和低温制热工况，其中：
制冷工况下，制冷旁通阀108打开，补气截止阀109关闭，第一模式切换阀111切换至104与110导通；混合风门206切换至制冷模式，使得空气无法流经暖风芯体114。经压缩机101排出的高温高压制冷剂流经辅助冷凝器115，然后流经制冷旁通阀108，进入室外侧换热器104。
制冷剂在104中与风扇105送来的空气换热，冷凝为高温高压的液体。制冷剂随后流经第一模式切换阀111，并流经制冷节流阀110，成为低温低压两相状态，然后进入室内侧蒸发器103。制冷剂在103中与鼓风机205输送过来的空气冷却，成为过热蒸汽。第二模式切换阀112切换至103与106联通。过热蒸汽流经第二模式切换阀112，随后流经气液分离器106并回到压缩机101，完成制冷循环。
普通制热工况下，制冷旁通阀108关闭，补气截止阀109关闭，第一模式切换阀111切换至104与106导通；第二模式切换阀112切换至101与103导通。混合风门206切换至制热模式，使得空气流经暖风芯体114。经压缩机101排出的高温高压制冷剂流经辅助冷凝器115，并与供液泵113送来的导热液加热，然后进入暖风芯体114，将被鼓风机205输送过来的空气加热，冷凝为高温高压的液体，然后流经制热节流阀107，成为低温低压两相制冷剂，随后进入室外侧换热器104。
制冷剂在104中与风扇105送来的空气换热，成为过热蒸汽。制冷剂随后流经第一模式切换阀111，随后流经气液分离器106并回到压缩机101，完成制热循环。
低温制热工况下，制冷旁通阀108关闭，补气截止阀109打开，第一模式切换阀111切换至104与106导通；第二模式切换阀112切换至101与103导通。混合风门206切换至制热模式，经压缩机101排出的高温高压制冷剂流经辅助冷凝器115，并与供液泵113送来的导热液加热，然后进入暖风芯体114，将被鼓风机205输送过来的空气加热，冷凝为高温高压的液体，然后一路流经制热节流阀107，成为低温低压两相制冷剂，随后进入室外侧换热器104。
制冷剂在104中与风扇105送来的空气换热，成为过热蒸汽。制冷剂随后流经第一模式切换阀111，随后流经气液分离器106并回到压缩机101；另外一路经109流经110，并节流成为两相状态，在103中与鼓风机205送来的车室内回风换热，吸收车内湿负荷，变为过热气体。过热气体后经112喷射至压缩机101的中间级，完成制热循环。
本发明中，汽车空调的制冷/制热运行模式由驾驶员决定；当系统处于制热模式且外界环境温度低于-10℃时，进入低温制热模式。
本发明的有益之处在于，通过采用具有除雾功能的补气增焓制热模式，可大大提高低温下的制热性能；同时，由于系统具备除雾功能，使得车辆可长时间在内气循环模式下运行，大大降低冬季制热所需热量。经试验验证，采用内气循环在-10℃的情况下可降低制热负荷50％-70％，有效延长电动车里程。
上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。

Claims (15)

1.一种电动汽车热泵空调系统，其特征在于，包括：压缩机、冷凝机构、蒸发机构、换热机构和气液分离器，其中：冷凝机构和蒸发机构设置于供热通风与空气调节单元内，压缩机、气液分离器、换热机构和冷凝机构构成环路，气液分离器与换热机构之间设有第一模式切换阀，蒸发机构的输出端和压缩机补气端通过第二模式切换阀相连，蒸发机构的输入端分别与第一模式切换阀以及冷凝机构相连，通过第一模式切换阀和第二模式切换阀在制冷模式、制热模式和低温制热模式下进行切换；
所述的供热通风与空气调节单元包括：主风道以及位于主风道一端的新风风道和回风风道、位于主风道另一端的吹面风道、吹脚风道和除霜风道，其中：鼓风机设置于新风风道和回风风道一侧，所述的冷凝机构设置于吹面风道和吹脚风道一侧，所述的蒸发机构设置于鼓风机和冷凝机构之间。
2.根据权利要求1所述的电动汽车热泵空调系统，其特征是，所述的换热机构和冷凝机构之间设有制热膨胀阀和与之并联的制冷旁通阀。
3.根据权利要求1所述的电动汽车热泵空调系统，其特征是，所述的蒸发机构与第二模式切换阀之间设有制冷节流阀。
4.根据权利要求1所述的电动汽车热泵空调系统，其特征是，所述的蒸发机构与冷凝机构之间进一步设有补气截止阀。
5.根据权利要求1所述的电动汽车热泵空调系统，其特征是，所述的新风风道和回风风道之间设有切换风门，通过所述的切换风门改变流经所述的室内侧换热器的空气流向，达到在制冷、制热模式中切换的目的；所述的吹面风道、吹脚风道和除霜风道各自设有风门，通过所述的风门在吹面、吹脚、吹面吹脚和除霜除雾中进行切换。
6.根据权利要求1所述的电动汽车热泵空调系统，其特征是，所述的冷凝机构上设有混合风门，该混合风门位于冷凝机构朝向蒸发机构的一侧。
7.一种电动汽车热泵空调系统，其特征在于，包括：压缩机、暖风芯体、蒸发机构、换热机构、辅助冷凝机构和气液分离器，其中：暖风芯体和蒸发机构设置于供热通风与空气调节单元内，压缩机、气液分离器、换热机构和辅助冷凝机构构成环路，气液分离器与换热机构之间设有第一模式切换阀，蒸发机构的输出端和压缩机补气端通过第二模式切换阀相连，蒸发机构的输入端分别与第一模式切换阀以及辅助冷凝机构相连，暖风芯体的输入端和输出端均与辅助冷凝机构相连并构成热传导回路，通过第一模式切换阀和第二模式切换阀在制冷模式、制热模式和低温制热模式下进行切换；
所述的供热通风与空气调节单元包括：主风道以及位于主风道一端的新风风道和回风风道、位于主风道另一端的吹面风道、吹脚风道和除霜风道，其中：鼓风机设置于新风风道和回风风道一侧，所述的暖风芯体设置于吹面风道和吹脚风道一侧，所述的蒸发机构设置于鼓风机和暖风芯体之间。
8.根据权利要求7所述的电动汽车热泵空调系统，其特征是，所述的辅助冷凝机构与暖风芯体之间设有供液泵以循环驱动其中的导热液输送热量。
9.根据权利要求7所述的电动汽车热泵空调系统，其特征是，所述的换热机构和辅助冷凝机构之间设有制热膨胀阀和与之并联的制冷旁通阀。
10.根据权利要求7所述的电动汽车热泵空调系统，其特征是，所述的蒸发机构与第二模式切换阀之间设有制冷节流阀。
11.根据权利要求7所述的电动汽车热泵空调系统，其特征是，所述的蒸发机构与辅助冷凝机构之间进一步设有补气截止阀。
12.根据权利要求7所述的电动汽车热泵空调系统，其特征是，所述的新风风道和回风风道之间设有切换风门，通过所述的切换风门改变流经所述的室内侧换热器的空气流向，达到在制冷、制热模式中切换的目的；所述的吹面风道、吹脚风道和除霜风道各自设有风门，通过所述的风门在吹面、吹脚、吹面吹脚和除霜除雾中进行切换。
13.根据权利要求7所述的电动汽车热泵空调系统，其特征是，所述的辅助冷凝机构上设有混合风门，该混合风门位于冷凝机构朝向蒸发机构的一侧。
14.一种根据上述权利要求1～6所述电动汽车热泵空调系统的热交换方法，其特征在于，包括：制冷工况、普通制热工况和低温制热工况，其中：
制冷工况下，制冷旁通阀打开，补气截止阀关闭，第一模式切换阀切换至与导通；混合风门切换至制冷模式，使得空气无法流经室内侧冷凝器，经压缩机排出的高温高压制冷剂流经室内侧冷凝器，然后流经制冷旁通阀，进入室外侧换热器，制冷剂在中与风扇送来的空气换热，冷凝为高温高压的液体；制冷剂随后流经第一模式切换阀，并流经制冷节流阀，成为低温低压两相状态，然后进入室内侧蒸发器，制冷剂在中与鼓风机输送过来的空气冷却，成为过热蒸汽；第二模式切换阀切换至与联通；过热蒸汽流经第二模式切换阀，随后流经气液分离器并回到压缩机，完成制冷循环；
普通制热工况下，制冷旁通阀关闭，补气截止阀关闭，第一模式切换阀切换至与导通；第二模式切换阀切换至与导通；混合风门切换至制热模式，使得空气流经室内侧冷凝器，经压缩机排出的高温高压制冷剂流经室内侧冷凝器，将鼓风机输送过来的空气加热，冷凝为高温高压的液体，然后流经制热节流阀，成为低温低压两相制冷剂，随后进入室外侧换热器，制冷剂在中与风扇送来的空气换热，成为过热蒸汽；制冷剂随后流经第一模式切换阀，随后流经气液分离器并回到压缩机，完成制热循环；
低温制热工况下，制冷旁通阀关闭，补气截止阀打开，第一模式切换阀切换至与导通；第二模式切换阀切换至与导通；混合风门切换至制热模式，使得空气流经室内侧冷凝器，经压缩机排出的高温高压制冷剂流经室内侧冷凝器，将鼓风机输送过来的空气加热，冷凝为高温高压的液体，然后一路流经制热节流阀，成为低温低压两相制冷剂，随后进入室外侧换热器，制冷剂在中与风扇送来的空气换热，成为过热蒸汽；制冷剂随后流经第一模式切换阀，随后流经气液分离器并回到压缩机；另外一路经流经，并节流成为两相状态，在中与鼓风机送来的车室内回风换热，吸收车内湿负荷，变为过热气体；过热气体后经喷射至压缩机的中间级，完成制热循环。
15.一种根据上述权利要求7～13所述电动汽车热泵空调系统的热交换方法，其特征在于，包括：制冷工况、普通制热工况和低温制热工况，其中：
制冷工况下，制冷旁通阀打开，补气截止阀关闭，第一模式切换阀切换至与导通；混合风门切换至制冷模式，使得空气无法流经暖风芯体；经压缩机排出的高温高压制冷剂流经辅助冷凝器，然后流经制冷旁通阀，进入室外侧换热器；制冷剂在中与风扇送来的空气换热，冷凝为高温高压的液体；制冷剂随后流经第一模式切换阀，并流经制冷节流阀，成为低温低压两相状态，然后进入室内侧蒸发器；制冷剂在中与鼓风机输送过来的空气冷却，成为过热蒸汽；第二模式切换阀切换至与联通；过热蒸汽流经第二模式切换阀，随后流经气液分离器并回到压缩机，完成制冷循环；
普通制热工况下，制冷旁通阀关闭，补气截止阀关闭，第一模式切换阀切换至与导通；第二模式切换阀切换至与导通；混合风门切换至制热模式，使得空气流经暖风芯体；经压缩机排出的高温高压制冷剂流经辅助冷凝器，并与供液泵送来的导热液加热，然后进入暖风芯体，将被鼓风机输送过来的空气加热，冷凝为高温高压的液体，然后流经制热节流阀，成为低温低压两相制冷剂，随后进入室外侧换热器；制冷剂在中与风扇送来的空气换热，成为过热蒸汽；制冷剂随后流经第一模式切换阀，随后流经气液分离器并回到压缩机，完成制热循环；
低温制热工况下，制冷旁通阀关闭，补气截止阀打开，第一模式切换阀切换至与导通；第二模式切换阀切换至与导通；混合风门切换至制热模式，经压缩机排出的高温高压制冷剂流经辅助冷凝器，并与供液泵送来的导热液加热，然后进入暖风芯体，将被鼓风机输送过来的空气加热，冷凝为高温高压的液体，然后一路流经制热节流阀，成为低温低压两相制冷剂，随后进入室外侧换热器；制冷剂在中与风扇送来的空气换热，成为过热蒸汽；制冷剂随后流经第一模式切换阀，随后流经气液分离器并回到压缩机；另外一路经流经，并节流成为两相状态，在中与鼓风机送来的车室内回风换热，吸收车内湿负荷，变为过热气体；过热气体后经喷射至压缩机的中间级，完成制热循环。
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