CN106938601A - 一种电动汽车热泵空调系统及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种电动汽车热泵空调系统及其控制方法，其中电动汽车热泵空调系统包括设于电动汽车室内的电动压缩机、内部蒸发器和内部冷凝器、设于电动汽车室外的外部冷凝器和外部蒸发器，用于吸收燃料电池余热的电池冷却装置和水泵，以及用于切换获取制冷模式、制热模式及除霜除湿模式三种工作模式的电磁阀和节流电子膨胀阀，可能够实现电动汽车室内温度湿度的全面调节，提高了车内舒适性，同时保证了电动汽车的安全驾驶。本发明电动汽车热泵空调系统及其控制方法在实现连续采暖的同时又避免了冷凝水的雾化，解决了目前制热模式与除霜模式相互切换带来的安全驾驶问题，并通过吸收燃料电池的余热，提高了该系统的制热量和制热效率。

Description

一种电动汽车热泵空调系统及其控制方法
技术领域
本发明涉及电动汽车空调领域，具体涉及一种电动汽车热泵空调系统及其控制方法。
背景技术
燃料电池电动汽车在冬季由于没有发动机提供余热进行采暖，从而要求汽车空调系统不仅具有夏季制冷功能，还应承担冬季的采暖。目前，燃料电池电动汽车的空调系统主要以电加热辅助空调系统为主，由于冬季采暖采用的是电加热，其制热COP最大为1，因此冬季空调在制热模式运行时，需要耗费大量的电能进行制热，这样会大大缩短电动汽车的续航里程。
为了提高燃料电池电动汽车冬季采暖的制热效率，也有在燃料电池电动汽车中增加热泵空调系统。然而，由于热泵空调在低温环境下制热效率较低以及制热模式下车外换热器容易结霜，空调需要由制热模式切换为除霜模式进行及时化霜，化霜期间车内侧将停止制热，车内温度降低同时产生冷凝水，车内舒适性差；系统从除霜模式切换回制热模式时，风道内换热器上的冷凝水会迅速蒸发，雾化在挡风玻璃上，对行车造成一定的危险，因此传统的热泵空调系统的应用也常受到限制。
提高热源温度可以有效地解决燃料电池电动汽车低温制热效率低的问题，对于燃料电池电动汽车，燃料电池的发热量很大，由化学能转化的电能和热能大约各占一半。若能回收利用燃料电池余热提高热源温度，既能提高燃料电池的工作性能，又能提高热泵空调系统制热能力，达到节能减排的目的。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供一种电动汽车热泵空调系统及其控制方法，通过回收利用燃料电池余热提高热源温度解决现有的电动汽车热泵空调系统在低温工况下运行效率低的问题，提高了热泵空调系统冬季的制热效率，同时解决了目前开发的电动汽车空调系统制热模式与除霜模式相互切换时带来的安全驾驶问题。
为实现以上目的，本发明采取以下的技术方案：
本发明的一种电动汽车热泵空调系统，包括设于电动汽车室内的电动压缩机、内部蒸发器和内部冷凝器、设于电动汽车室外的外部冷凝器和外部蒸发器，以及用于吸收燃料电池余热的电池冷却装置和水泵，所述外部蒸发器包括进行热交换的第一流体通道和第二流体通道，所述电动压缩机出口端分别与内部冷凝器入口端和外部冷凝器入口端连接，所述电动压缩机与外部冷凝器之间设有第一电磁阀，所述电动压缩机与内部冷凝器之间设有第三电磁阀，所述内部冷凝器出口端分别连接至第七电磁阀入口端和第四电磁阀入口端，第七电磁阀出口端和第四电磁阀出口端均通过第一流体通道连接至第六电磁阀入口端，第六电磁阀的出口端与电动压缩机的入口端连接，所述第一流体通道的出口端还连接至第二电磁阀入口端，所述第二电磁阀入口端还与外部冷凝器出口端连接，第二电磁阀出口端与内部蒸发器入口端连接，内部蒸发器出口端与电动压缩机的入口端连接，所述电池冷却装置入口端通过第二流体通道连接至第五电磁阀入口端，第五电磁阀出口端通过水泵与电池冷却装置出口端连接。
所述第四电磁阀出口端通过第二干燥过滤器连接至第一流体通道。
所述第四电磁阀出口端通过第二节流电子膨胀阀连接至第一流体通道。
所述第六电磁阀出口端通过第二气液分离器连接至电动压缩机入口端。
所述第二电磁阀出口端通过第一干燥过滤器连接至内部蒸发器入口端。
第二电磁阀出口端通过第一节流电子膨胀阀连接至内部蒸发器入口端。
所述燃料电池通过逆变器连接至电动压缩机电压输入端。
本发明的一种电动汽车热泵空调系统的控制方法，包括以下步骤：
判断所述电动汽车热泵空调系统的运行状态，所述运行状态包括制冷模式、制热模式以及除霜除湿模式；
在所述电动汽车热泵空调系统处于制冷模式时，开启第一电磁阀、第二电磁阀和第一节流电子膨胀阀，并关闭第三电磁阀、第四电磁阀、第五电磁阀、第六电磁阀、第七电磁阀和第二节流电子膨胀阀；
在所述电动汽车热泵空调系统处于制热模式时，开启第三电磁阀、第四电磁阀、第五电磁阀、第六电磁阀和第二节流电子膨胀阀，并关闭第一电磁阀、第二电磁阀、第七电磁阀和第一节流电子膨胀阀；
在所述电动汽车热泵空调系统处于除霜除湿模式时，开启第二电磁阀、第三电磁阀、第五电磁阀、第七电磁阀和第一节流电子膨胀阀，关闭第一电磁阀、、第四电磁阀、第六电磁阀和第二节流电子膨胀阀。
本发明的除霜除湿模式下制冷剂依次经过内部冷凝器、外部蒸发器及内部蒸发器，冷媒在内部冷凝器液化后经第七电磁阀直接进入外部蒸发器，吸收内部冷凝器出口冷媒的热量与燃料电池余热共同实现外部蒸发器的除霜，通过内部蒸发器将车内空气冷却到除湿所需要的温度，回收冷凝水之后的空气再通过内部冷凝器加热，然后将它送到车室，
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
1.本发明通过切换电磁阀和节流电子膨胀阀可获取制冷模式、制热模式及除霜除湿模式三种工作模式，能够实现电动车内温度湿度的全面调节，提高了车内舒适性；
2.本发明的制热工作模式下通过设有用于吸收燃料电池余热的电池冷却装置，其与水泵、第五电磁阀与第二流体通道形成一个放热的循环系统，液态冷媒通过进入外部蒸发器吸收该循环系统的热量以吸收燃料电池的余热，从而提高了该系统的制热量和制热效率，比现有电动汽车空调系统更节能，可以有效延长续航里程。
3.本发明通过添加内部冷凝器与外部蒸发器，在除霜除湿模式时，吸收内部冷凝器出口冷媒的热量与燃料电池余热共同实现外部蒸发器的除霜，在实现连续采暖的同时又避免了冷凝水的雾化，保证了汽车的安全驾驶，解决了目前开发的电动汽车空调系统制热模式与除霜模式相互切换带来的安全驾驶问题，保证了汽车的安全驾驶。
附图说明
图1为本发明的一种电动汽车热泵空调系统构示意图。
附图标记说明：1、燃料电池；2、逆变器；3、电动压缩机；4、第一电磁阀；5、外部冷凝器；6、第二电磁阀；7、第一干燥过滤器；8、第一节流电子膨胀阀；9、内部蒸发器；10、第一气液分离器；11、第三电磁阀；12、内部冷凝器；13、第四电磁阀；14、第二干燥过滤器；15、第二节流电子膨胀阀；16、外部蒸发器；17、电池冷却装置；18、第五电磁阀；19、水泵；20、第六电磁阀；21、第二气液分离器；22、第七电磁阀。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明。
实施例：
如图1所示的一种电动汽车热泵空调系统，包括设于电动汽车室内的电动压缩机3、内部蒸发器9和内部冷凝器12、设于电动汽车室外的外部冷凝器5和外部蒸发器16，以及用于吸收燃料电池1余热的电池冷却装置17和水泵19，所述外部蒸发器16包括进行热交换的第一流体通道和第二流体通道，所述电动压缩机3出口端分别与内部冷凝器12入口端和外部冷凝器5入口端连接，所述电动压缩机3与外部冷凝器5之间设有第一电磁阀4，所述电动压缩机3与内部冷凝器12之间设有第三电磁阀11，所述内部冷凝器12出口端分别连接至第七电磁阀22入口端和第四电磁阀13入口端，第七电磁阀22出口端通过第一流体通道连接至第六电磁阀20入口端。优选的，第四电磁阀13出口端依次经第二干燥过滤器14、第二节流电子膨胀阀15后再通过第一流体通道连接至第六电磁阀20入口端。优选的，所述第六电磁阀20出口端通过第二气液分离器21连接至电动压缩机3入口端，所述第一流体通道的出口端还连接至第二电磁阀6入口端，所述第二电磁阀6入口端还与外部冷凝器5出口端连接。优选的，第二电磁阀6出口端依次通过第一干燥过滤器7、第一节流电子膨胀阀8后与内部蒸发器9入口端连接，内部蒸发器9出口端与电动压缩机3的入口端连接，所述电池冷却装置17入口端通过第二流体通道连接至第五电磁阀18入口端，第五电磁阀18出口端通过水泵19与电池冷却装置17出口端连接。
所述燃料电池1通过逆变器2连接至电动压缩机3电压输入端，用于给电动压缩机供电。
本系统通过切换所述电磁阀和所述节流电子膨胀阀可获取制冷模式、制热模式及除霜除湿模式三种工作模式，能够实现电动汽车室内温度湿度的全面调节，提高了车内舒适性，同时保证了电动汽车的安全驾驶。在三种工作模式下，所述内、外部蒸发器和内、外部冷凝器工作状态如表1所示：
表1
在三种工作模式下，所述电磁阀和所述节流电子膨胀阀切换状态如表2所示：
表2
具体的工作原理如下，在所述制冷模式下，开启第一电磁阀4、第二电磁阀6与第一节流电子膨胀阀8，关闭其他所有电磁阀与第二节流电子膨胀阀15，冷媒被电动压缩机3压缩后经第一电磁阀4流到外部冷凝器5中降温而液化，液化后的冷媒经过第二电磁阀6、第一干燥过滤器7和第一节流电子膨胀阀8进入内部蒸发器9中气化，冷媒气化时吸收车内的热量从而实现制冷，气化后的气体经过第一气液分离器10回到电动压缩机3当中，如此完成制冷循环。
在所述制热模式下，开启第三电磁阀11、第四电磁阀13、第五电磁阀18、第六电磁阀20与第二节流电子膨胀阀15，关闭其他所有电磁阀与第一节流电子膨胀阀8，冷媒被电动压缩机3压缩后经第三电磁阀11进入内部冷凝器12中液化放出热量，从而给车内加热取暖，液化后的冷媒经过第四电磁阀13、第二干燥过滤器14和第二节流电子膨胀阀15进入外部蒸发器16的第一流体通道吸热，同时，吸收燃料电池1余热的电池冷却装置17、水泵19、第五电磁阀18与第二流体通道形成一个放热的循环系统，所述的循环系统的放热可选择水作为介质。这样，液态冷媒吸收燃料电池1的余热被气化，气化后的气体经过第六电磁阀20与第二气液分离器21回到电动压缩机3当中，如此完成制热循环。
在所述除霜除湿模式下，开启第三电磁阀11、第五电磁阀18、第七电磁阀22、第二电磁阀6与第一节流电子膨胀阀8，关闭其他所有电磁阀与第二节流电子膨胀阀15，冷媒被电动压缩机3压缩后经第三电磁阀11进入内部冷凝器12中液化放出热量，从而给车内加热取暖，液化后的冷媒经过第七电磁阀22进入外部蒸发器16，共同实现外部蒸发器16的除霜，冷媒在外部蒸发器16中吸热之后，经过第二电磁阀6、第一干燥过滤器7和第一节流电子膨胀阀8进入内部蒸发器9中气化，将车内空气冷却到除湿所需要的温度，回收冷凝水之后的空气再通过内部冷凝器12加热，然后将它送到车室，避免了冷凝水的雾化，保证了汽车的安全驾驶，气化后的气体经过第一气液分离器10回到电动压缩机3当中，分别实现车内车外的除霜除湿。
本发明还提供了一种根据实施例的电动汽车热泵空调系统的控制方法，所述控制方法包括以下步骤：
判断所述电动汽车热泵空调系统的运行状态，所述运行状态包括制冷模式、制热模式以及除霜除湿模式；
在所述电动汽车热泵空调系统处于制冷模式时，开启第一电磁阀4、第二电磁阀6和第一节流电子膨胀阀8，并关闭第三电磁阀11、第四电磁阀13、第五电磁阀18、第六电磁阀20、第七电磁阀22和第二节流电子膨胀阀15；
在所述电动汽车热泵空调系统处于制热模式时，开启第三电磁阀11、第四电磁阀13、第五电磁阀18、第六电磁阀20和第二节流电子膨胀阀15，并关闭第一电磁阀4、第二电磁阀6、第七电磁阀22和第一节流电子膨胀阀8；
在所述电动汽车热泵空调系统处于除霜除湿模式时，开启第二电磁阀6、第三电磁阀11、第五电磁阀18、第七电磁阀22和第一节流电子膨胀阀8，关闭第一电磁阀4、第四电磁阀13、第六电磁阀20和第二节流电子膨胀阀15。
上列详细说明是针对本发明可行实施例的具体说明，该实施例并非用以限制本发明的专利范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均应包含于本案的专利范围中。

Claims (8)

1.一种电动汽车热泵空调系统，其特征在于，包括设于电动汽车室内的电动压缩机(3)、内部蒸发器(9)和内部冷凝器(12)、设于电动汽车室外的外部冷凝器(5)和外部蒸发器(16)，以及用于吸收燃料电池(1)余热的电池冷却装置(17)和水泵(19)，所述外部蒸发器(16)包括进行热交换的第一流体通道和第二流体通道，所述电动压缩机(3)出口端分别与内部冷凝器(12)入口端和外部冷凝器(5)入口端连接，所述电动压缩机(3)与外部冷凝器(5)之间设有第一电磁阀(4)，所述电动压缩机(3)与内部冷凝器(12)之间设有第三电磁阀(11)，所述内部冷凝器(12)出口端分别连接至第七电磁阀(22)入口端和第四电磁阀(13)入口端，第七电磁阀(22)出口端和第四电磁阀(13)出口端均通过第一流体通道连接至第六电磁阀(20)入口端，第六电磁阀(20)的出口端与电动压缩机(3)的入口端连接，所述第一流体通道的出口端还连接至第二电磁阀(6)入口端，所述第二电磁阀(6)入口端还与外部冷凝器(5)出口端连接，第二电磁阀(6)出口端与内部蒸发器(9)入口端连接，内部蒸发器(9)出口端与电动压缩机(3)的入口端连接，所述电池冷却装置(17)入口端通过第二流体通道连接至第五电磁阀(18)入口端，第五电磁阀(18)出口端通过水泵(19)与电池冷却装置(17)出口端连接。
2.根据权利要求1所述的一种电动汽车热泵空调系统，其特征在于，第二电磁阀(6)出口端通过第一节流电子膨胀阀(8)连接至内部蒸发器(9)入口端。
3.根据权利要求2所述的一种电动汽车热泵空调系统，其特征在于，所述第四电磁阀(13)出口端通过第二节流电子膨胀阀(15)连接至第一流体通道。
4.根据权利要求1所述的一种电动汽车热泵空调系统，其特征在于，所述第四电磁阀(13)出口端通过第二干燥过滤器(14)连接至第一流体通道。
5.根据权利要求1所述的一种电动汽车热泵空调系统，其特征在于，所述第六电磁阀(20)出口端通过第二气液分离器(21)连接至电动压缩机(3)入口端。
6.根据权利要求1所述的电动汽车热泵空调系统，其特征在于，所述第二电磁阀(6)出口端通过第一干燥过滤器(7)连接至内部蒸发器(9)入口端。
7.根据权利要求1-6任一项所述的电动汽车热泵空调系统，其特征在于，所述燃料电池(1)通过逆变器(2)连接至电动压缩机(3)电压输入端。
8.一种电动汽车热泵空调系统的控制方法，其特征在于，所述电动汽车热泵空调系统为上述权利要求3所述的电动汽车热泵空调系统，所述控制方法包括以下步骤：
判断所述电动汽车热泵空调系统的运行状态，所述运行状态包括制冷模式、制热模式以及除霜除湿模式；
在所述电动汽车热泵空调系统处于制冷模式时，开启第一电磁阀(4)、第二电磁阀(6)和第一节流电子膨胀阀(8)，并关闭第三电磁阀(11)、第四电磁阀(13)、第五电磁阀(18)、第六电磁阀(20)、第七电磁阀(22)和第二节流电子膨胀阀(15)；
在所述电动汽车热泵空调系统处于制热模式时，开启第三电磁阀(11)、第四电磁阀(13)、第五电磁阀(18)、第六电磁阀(20)和第二节流电子膨胀阀(15)，并关闭第一电磁阀(4)、第二电磁阀(6)、第七电磁阀(22)和第一节流电子膨胀阀(8)；
在所述电动汽车热泵空调系统处于除霜除湿模式时，开启第二电磁阀(6)、第三电磁阀(11)、第五电磁阀(18)、第七电磁阀(22)和第一节流电子膨胀阀(8)，关闭第一电磁阀(4)、第四电磁阀(13)、第六电磁阀(20)和第二节流电子膨胀阀(15)。
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