CN107878154B - 一种双级增焓车用空调系统和控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种双级增焓车用空调系统和控制方法，所述双级增焓车用空调系统包括：压缩机(1)，包括中压补气口(12)，且所述压缩机(1)为变容压缩机；室内换热器(6)、室外换热器(2)和主节流装置(3)；其中在所述室内换热器(6)和所述主节流装置(3)之间的管路上还设置有补气增焓组件，所述补气增焓组件产生的中压冷媒气体连通至所述中压补气口(12)中。通过本发明能够通过容积比可变的补气增焓的方式为车用空调系统提高制热量，克服汽车尤其是电动汽车存在制热量低的缺陷，且还能有效地提高能效、降低功耗，能够既保证压缩机低温工况下的制热能力和能效，又保证普通工况下运行时的能效。

Description

一种双级增焓车用空调系统和控制方法

技术领域

本发明属于空调技术领域，具体涉及一种双级增焓车用空调系统和控制方法。

背景技术

目前纯电动客车由于没有燃油发动机废热作为采暖热源，目前行业内多采用热泵或热泵+PTC的技术方案。在严寒冬季采用热泵系统方案存在以下三方面的问题：

1、单级热泵方案系统制热量不足，尤其在0℃以下低温环境温度下；

2、热泵+PTC方案满足制热量要求，但制热能效低、功耗高。严重影响电动车的续航里程；

3、普通双级增焓压缩机高低压级容积比不可变，低温制热量和能效偏低，其若保证压缩机低温工况下的制热能力和能效，普通工况下运行时的能效又会大幅下降。

由于现有技术中的电动汽车存在制热量不足尤其在0℃以下等低温环境温度下制热量不足、且存在制热能效低、功耗高，传统双级压缩车用空调排量不可变等技术问题，因此本发明研究设计出一种双级增焓车用空调系统和控制方法。

发明内容

因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中的电动汽车存在制热量不足尤其在0℃以下等低温环境温度下制热量不足、且存在制热能效低、功耗高的缺陷，从而提供一种双级增焓车用空调系统和控制方法。

本发明提供一种双级增焓车用空调系统，其包括：

压缩机，包括中压补气口，且所述压缩机为变容压缩机；

室内换热器、室外换热器和主节流装置；

其中在所述室内换热器和所述主节流装置之间的管路上还设置有补气增焓组件，所述补气增焓组件产生的中压冷媒气体连通至所述中压补气口中。

优选地，

所述补气增焓组件包括中压补气管路，所述中压补气管路的一端连至所述室内换热器和所述主节流装置之间的管路上、另一端与所述中压补气口连通。

优选地，

还包括中间换热器，定义所述室内换热器和所述主节流装置之间的管路为第一管段，所述中压补气管路和所述第一管段同时贯穿所述中间换热器、以在所述中间换热器内进行热交换。

优选地，

定义所述中压补气管路与所述第一管段相交处为第一节点，且在所述中压补气管路上、位于所述第一节点和所述中间换热器之间的位置还设置有中压节流装置。

优选地，

所述主节流装置和所述中压节流装置均为电子膨胀阀，所述中间换热器为板式换热器。

优选地，

所述压缩机为三缸变容压缩机，包括低压级定容缸、低压级变容缸和高压级变容缸，且所述低压级定容缸与低压级变容缸并联设置。

优选地，

还包括低压吸气管路，且所述低压吸气管路与所述压缩机之间分支地设置有第一低压吸气管路和第二低压吸气管路，其中所述第一低压吸气管路与所述低压级定容缸的吸气口相连，所述第二低压吸气管路与所述低压级变容缸的吸气口相连。

优选地，

所述低压级定容缸的排气口与所述低压级变容缸的排气口相连后，再连至所述高压级定容缸的吸气口，且所述中压补气口与所述高压级定容缸的吸气口连通。

优选地，

所述压缩机为滑片转子式压缩机，所述低压级变容缸包括气缸本体、滑片腔和能在所述滑片腔中运动的滑片，所述滑片还包括头部和尾部，在所述滑片腔中位于所述尾部和气缸本体之间形成背压腔，还包括与所述压缩机的排气口连接的高压排气管路，且所述背压腔通过第一压力引入管路连接至所述低压吸气管路，所述背压腔还通过第二压力引入管路连接至所述高压排气管路，且在所述第一压力引入管路上设置有第一控制阀，在所述第二压力引入管路上设置有第二控制阀。

优选地，

所述第一控制阀和所述第二控制阀均为电磁阀。

本发明还提供一种双级增焓车用空调系统的控制方法，其使用前述的双级增焓车用空调系统，根据制热工况的负荷高低控制所述空调系统进行常规制热、补气增焓制热还是重负荷补气增焓制热。

优选地，

当包括中压节流装置时：

所述常规制热为：当制热工况的负荷低于第一预设值时，控制所述中压节流装置关闭；

所述补气增焓制热为：当制热工况的负荷高于第一预设值时，控制所述中压节流装置打开。

优选地，

当制热工况的负荷高于第一预设值、且低于第二预设值时，随着负荷的升高，调节所述中压节流装置的开度逐渐增大，其中第二预设值>第一预设值。

优选地，

当包括第一控制阀和第二控制阀时，控制所述第一控制阀打开、所述第二控制阀关闭，使得从低压吸气管路引入低压压力至背压腔，卸载所述滑片，低压级变容缸不工作。

优选地，

所述重负荷补气增焓制热为：当制热工况的负荷高于所述第二预设值时，当包括第一控制阀和第二控制阀时，控制所述第一控制阀关闭、所述第二控制阀打开，使得从高压排气管路引入低压压力至背压腔，加载所述滑片，低压级变容缸工作。

优选地，

当包括中压节流装置时，随着负荷的继续升高，控制调节所述中压节流装置的开度逐渐增大。

本发明提供的一种双级增焓车用空调系统和控制方法具有如下有益效果：

1.本发明的双级增焓车用空调系统和控制方法，通过在所述室内换热器和所述主节流装置之间的管路上还设置有补气增焓组件，所述补气增焓组件产生的中压冷媒气体连通至所述中压补气口中、且所述压缩机为变容压缩机，能够通过容积比可变的补气增焓的方式为车用空调系统提高制热量，克服汽车尤其是电动汽车存在制热量低的缺陷，且还能有效地提高能效、降低功耗，能够既保证压缩机低温工况下的制热能力和能效，又保证普通工况下运行时的能效；

2.本发明的双级增焓车用空调系统和控制方法，采用双级增焓压缩热泵系统代替单级热泵系统+PTC方案，能够提升车用空调系统的制热量和制热COP；采用高低压容积比可变的车用空调系统，可同时满足常温和低温工况条件下制热能力和能效的最优化；通过对车用空调系统的有效控制，实现系统的稳定运行；解决传统纯电动客车热泵空调制热能力低和能效差问题；解决传统双级压缩车用空调排量不可变的问题。

附图说明

图1是本发明的双级增焓车用空调系统的结构示意图。

图中附图标记表示为：

1、压缩机；11、高压排气口；12、中压补气口；2、室外换热器；3、主节流装置；4、中间换热器；5、中压节流装置；6、室内换热器；7、四通阀；8、气液分离器；10、中压补气管路；10a、第一节点；13、低压吸气管路；14、第一低压吸气管路；15、第二低压吸气管路；16、高压排气管路；17、第一压力引入管路；18、第二压力引入管路；19、第一控制阀；20、第二控制阀；21、第一管段。

具体实施方式

如图1所示，本发明提供一种双级增焓车用空调系统，其包括：

压缩机1，包括高压排气口11和中压补气口12，所述压缩机1为变容压缩机；

室内换热器6、室外换热器2和主节流装置3；

其中在所述室内换热器6和所述主节流装置3之间的管路上还设置有补气增焓组件，所述补气增焓组件产生的中压冷媒气体连通至所述中压补气口12中。

通过在所述室内换热器和所述主节流装置之间的管路上还设置有补气增焓组件，所述补气增焓组件产生的中压冷媒气体连通至所述中压补气口中、且所述压缩机为变容压缩机，能够通过容积比可变的补气增焓的方式为车用空调系统提高制热量，克服汽车尤其是电动汽车存在制热量低的缺陷，且还能有效地提高能效、降低功耗，能够既保证压缩机低温工况下的制热能力和能效，又保证普通工况下运行时的能效。

采用双级增焓压缩热泵系统代替单级热泵系统+PTC方案，能够提升车用空调系统的制热量和制热COP；采用高低压容积比可变的车用空调系统，可同时满足常温和低温工况条件下制热能力和能效的最优化；通过对车用空调系统的有效控制，实现系统的稳定运行；解决传统纯电动客车热泵空调制热能力低和能效差问题；解决传统双级压缩车用空调排量不可变的问题。

优选地，

所述补气增焓组件包括中压补气管路10，所述中压补气管路10的一端连至所述室内换热器6和所述主节流装置3之间的管路上、另一端与所述中压补气口12连通。这是本发明的补气增焓组件的主要组成部分，通过中压补气管路以及上述相应的连接关系，能够从室内换热器和主节流装置之间的管路引入中压冷媒、引入压缩机的中压补气口，以对压缩机进行中压冷媒补给，有效防止低温工况下低温冷媒无法从室外吸收热量并且流动性差、无法汇流至压缩机中，保证空调系统中冷媒的正常流动，提高系统的运行可靠性。

优选地，

还包括中间换热器4，定义所述室内换热器6和所述主节流装置3之间的管路为第一管段21，所述中压补气管路10和所述第一管段21同时贯穿所述中间换热器4、以在所述中间换热器4内进行热交换。通过设置中间换热器的方式能够将经过室内换热器中换热后的冷媒进行热交换(降压和升温)，以使进入压缩机中压补气口的冷媒具有适当的中压和中温，保证补气增焓的进行。

优选地，

定义所述中压补气管路10与所述第一管段21相交处为第一节点10a，且在所述中压补气管路10上、位于所述第一节点10a和所述中间换热器4之间的位置还设置有中压节流装置5。通过在上述位置设置中压节流装置能够对进入中压补气管路中的冷媒先进行降压，再进行升温，同时对进入第一管段中的冷媒进行进一步的降温，从而降低冷媒干度，进而提高室外换热器中的蒸发吸热量，提高空调系统的焓值。

优选地，

所述主节流装置3和所述中压节流装置5均为电子膨胀阀，所述中间换热器4为板式换热器。这是本发明的两个节流装置的优选种类，以及中间换热器的优选种类。

优选地，

所述压缩机为三缸变容压缩机(优选为卧式三缸变容压缩机)，包括低压级定容缸、低压级变容缸和高压级变容缸，且所述低压级定容缸与低压级变容缸并联设置。这是本发明的变容压缩机的优选结构形式，能够通过低压级变容缸进行变容调节，实现二级三缸变容压缩机以及控制调节，针对重负荷制热工况运行模式(低温制热)实现控制调节、相对于现有的单制热和PTC制热以及双级增焓制热而言有效地提高了制热量和制热能效。

优选地，

还包括低压吸气管路13，且所述低压吸气管路13与所述压缩机之间分支地设置有第一低压吸气管路14和第二低压吸气管路15，其中所述第一低压吸气管路14与所述低压级定容缸的吸气口相连，所述第二低压吸气管路15与所述低压级变容缸的吸气口相连。

这是本发明的变容三缸压缩机的两低压缸的吸气端的优选连接方式，通过低压吸气管路分支出来的两个吸气管路分别对两个低压缸进行供气作用。

优选地，

所述低压级定容缸的排气口与所述低压级变容缸的排气口相连后，再连至所述高压级定容缸的吸气口，且所述中压补气口12与所述高压级定容缸的吸气口连通。这是本发明的三缸变容气缸的两低压缸与高压缸以及中压补气口之间的连接关系，通过两个低压缸排气口相连、并结合中压补气口，一同连至高压缸的吸气口，从而实现压缩机容量增大以及补气增焓的作用和效果。

优选地，

所述压缩机为滑片转子式压缩机，所述低压级变容缸包括气缸本体、滑片腔和能在所述滑片腔中运动的滑片，所述滑片还包括头部和尾部，在所述滑片腔中位于所述尾部和气缸本体之间形成背压腔，还包括与所述压缩机的高压排气口11连接的高压排气管路16，且所述背压腔通过第一压力引入管路17连接至所述低压吸气管路13，所述背压腔还通过第二压力引入管路18连接至所述高压排气管路16，且在所述第一压力引入管路17上设置有第一控制阀19，在所述第二压力引入管路18上设置有第二控制阀20。

这是本发明的压缩机的进一步的优选结构形式，通过从低压吸气管路和高压排气管路分别引入低压压力和高压压力至滑片背压腔中，以控制滑片顶住滚子与否、从而控制该变容缸是否工作，当引入低压吸气管路中的低压压力时，背压腔的压力小于滑片头部处的压缩腔的压力、于是滑片被向下推出，不与滚子发生接触，从而使得该变容缸不工作，当引入高压排气管路中的高压压力时，背压腔的压力大于滑片头部处的压缩腔的压力、于是滑片被向上推至与滚子接触并抵接，从而使得该变容缸工作进行压缩，通过两个控制阀能够有效地控制两压力引入管路的开闭，从而控制压缩机的变容缸开启还是关闭。

优选地，

所述第一控制阀19和所述第二控制阀20均为电磁阀。这是本发明的控制阀的优选种类。

本发明还提供一种双级增焓车用空调系统的控制方法，其使用前述的双级增焓车用空调系统，根据制热工况的负荷高低控制所述空调系统进行常规制热、补气增焓制热还是重负荷补气增焓制热。

通过采用前述的双级增焓车用空调系统，在所述室内换热器和所述主节流装置之间的管路上还设置有补气增焓组件，所述补气增焓组件产生的中压冷媒气体连通至所述中压补气口中、且所述压缩机为变容压缩机，能够通过容积比可变的补气增焓的方式为车用空调系统提高制热量，克服汽车尤其是电动汽车存在制热量低的缺陷，且还能有效地提高能效、降低功耗，能够既保证压缩机低温工况下的制热能力和能效，又保证普通工况下运行时的能效。

采用双级增焓压缩热泵系统代替单级热泵系统+PTC方案，能够提升车用空调系统的制热量和制热COP；采用高低压容积比可变的车用空调系统，可同时满足常温和低温工况条件下制热能力和能效的最优化；通过对车用空调系统的有效控制，实现系统的稳定运行；解决传统纯电动客车热泵空调制热能力低和能效差问题；解决传统双级压缩车用空调排量不可变的问题。

本发明通过上述技术手段，可实现车用空调系统常规负荷工况(IPLV工况)、重负荷工况(低温制热)高效运行。通过调整车用空调系统压缩容积比，实现常规工况和重负荷工况分别控制，打破传统车用空调机组容积比恒定，拓宽了车用空调的使用范围，实现了车用空调机组极端恶劣工况下高效制热；通过采用三缸变容双级增焓压缩的车用空调系统，可提高全工况的能力和能效。

优选地，

当包括中压节流装置5时：

所述常规制热为：当制热工况的负荷低于第一预设值时，控制所述中压节流装置5关闭；

所述补气增焓制热为：当制热工况的负荷高于第一预设值时，控制所述中压节流装置5打开。

常规制热无需开启补气增焓组件，仅仅采用冷媒本身的制热便能进行达到需求，这前提是在制热工况负荷较低时，补气增焓制热是用于制热工况负荷高于第一预设值时开启，此时负荷相对常规制热高、但不是很高，能够通过补气增焓作用提高系统的制热量和制热能效(COP)值。

优选地，

当制热工况的负荷高于第一预设值、且低于第二预设值时，随着负荷的升高，调节所述中压节流装置5的开度逐渐增大，其中第二预设值>第一预设值。这是双级补气增焓模式下的进一步优选的控制方式，随着负荷的升高，应调节中压节流装置的开度逐渐增大，以增大补气增焓的作用，从而提高制热量和制热能效值。

优选地，

当包括第一控制阀19和第二控制阀20时，控制所述第一控制阀19打开、所述第二控制阀20关闭，使得从低压吸气管路13引入低压压力至背压腔，卸载所述滑片，低压级变容缸不工作。此时的工况负荷属于适中，不是很高但不低，于是开启双级补气增焓，但是关闭变容缸，控制变容缸不工作。

1.常规负荷制热工况运行模式(IPLV工况，即补气增焓制热模式)

车用空调机组在常规制热工况运行时，制冷剂通过卧式三缸变容压缩机1压缩后，经过四通阀7进入室内换热器6进行冷凝放热，冷凝后的制冷剂分两路，一路经过中压节流装置5(电子膨胀阀)进行节流，节流后的制冷剂通过板式换热器进入压缩机1的中压补气口，通过补气增焓，提高单位质量的制热量。通过对中压节流装置5(电子膨胀阀)开度的控制，调节压缩机补气量，提高车用空调的制热量和能效达到最优。另一路直接经过板式换热器进入主节流装置3(电子膨胀阀)对制冷剂进一步节流，节流后的制冷剂进入室外换热器2进行蒸发吸热，之后经过四通阀7回到卧式气液分离器8进行汽液分离，最后回到卧式三缸变容压缩机1，完成一个循环。此循环过程需关闭第二控制阀20，打开第一控制阀19，此时压力平衡，变容缸不工作。压缩机可相当于普通双级增焓压缩机，容积比恒定，实现常规负荷制热模式的最优能效比。

优选地，

所述重负荷补气增焓制热为：当制热工况的负荷高于所述第二预设值时，当包括第一控制阀19和第二控制阀20时，控制所述第一控制阀19关闭、所述第二控制阀20打开，使得从高压排气管路16引入低压压力至背压腔，加载所述滑片，低压级变容缸工作。

2.重负荷制热工况运行模式(低温制热)

车用空调机组在低温制热工况运行时，制冷剂通过卧式三缸变容压缩机1压缩后，经过四通阀7进入室内换热器6进行冷凝放热，冷凝后的制冷剂分两路，一路经过中压节流装置5(电子膨胀阀)进行节流，节流后的制冷剂通过板式换热器进入压缩机1的补气口，通过补气增焓，提高单位质量的制热量。另一路直接经过板式换热器进入主节流装置5(电子膨胀阀)对制冷剂进一步节流，节流后的制冷剂进入室外换热器2进行蒸发吸热之后经过四通阀7回到卧式气液分离器8进行汽液分离，最后回到卧式三缸变容压缩机1，完成一个循环。此循环过程需打开第二控制阀20，关闭第一控制阀19，在压差的作用下，使变容缸进行工作，此负荷下压缩机采用三缸运行模式，增大车用空调系统的压缩容积，改变了高低压级的容积比。提高车用空调系统低温制热运行模式的制热量。该方法可有效增加车用空调系统低温制热量，同时与传统+ptc的车用空调相比，大大提高了车用空调机组的能效。

优选地，

当包括中压节流装置5时，随着负荷的继续升高，控制调节所述中压节流装置5的开度逐渐增大。这样能够根据负荷的变化调节中压节流装置的开度，以调节补气增焓的冷媒流量，以达到增强或减弱补气增焓的作用和效果，使得制热量满足需求，同时提高制热能效值。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。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变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (14)

1.一种双级增焓车用空调系统，其特征在于：包括：

压缩机（1），包括中压补气口（12），且所述压缩机（1）为变容压缩机；

室内换热器（6）、室外换热器（2）和主节流装置（3）；

其中在所述室内换热器（6）和所述主节流装置（3）之间的管路上还设置有补气增焓组件，所述补气增焓组件产生的中压冷媒气体连通至所述中压补气口（12）中；

所述补气增焓组件包括中压补气管路（10），所述中压补气管路（10）的一端连至所述室内换热器（6）和所述主节流装置（3）之间的管路上、另一端与所述中压补气口（12）连通；

还包括中间换热器（4），定义所述室内换热器（6）和所述主节流装置（3）之间的管路为第一管段（21），所述中压补气管路（10）和所述第一管段（21）同时贯穿所述中间换热器（4）、以在所述中间换热器（4）内进行热交换。

2.根据权利要求1所述的空调系统，其特征在于：

定义所述中压补气管路（10）与所述第一管段（21）相交处为第一节点（10a），且在所述中压补气管路（10）上、位于所述第一节点（10a）和所述中间换热器（4）之间的位置还设置有中压节流装置（5）。

3.根据权利要求2所述的空调系统，其特征在于：

所述主节流装置（3）和所述中压节流装置（5）均为电子膨胀阀，所述中间换热器（4）为板式换热器。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的空调系统，其特征在于：

所述压缩机为三缸变容压缩机，包括低压级定容缸、低压级变容缸和高压级定容缸，且所述低压级定容缸与低压级变容缸并联设置。

5.根据权利要求4所述的空调系统，其特征在于：

还包括低压吸气管路（13），且所述低压吸气管路（13）与所述压缩机之间分支地设置有第一低压吸气管路（14）和第二低压吸气管路（15），其中所述第一低压吸气管路（14）与所述低压级定容缸的吸气口相连，所述第二低压吸气管路（15）与所述低压级变容缸的吸气口相连。

6.根据权利要求5所述的空调系统，其特征在于：

所述低压级定容缸的排气口与所述低压级变容缸的排气口相连后，再连至所述高压级定容缸的吸气口，且所述中压补气口（12）与所述高压级定容缸的吸气口连通。

7.根据权利要求6所述的空调系统，其特征在于：

所述压缩机为滑片转子式压缩机，所述低压级变容缸包括气缸本体、滑片腔和能在所述滑片腔中运动的滑片，所述滑片还包括头部和尾部，在所述滑片腔中位于所述尾部和气缸本体之间形成背压腔，还包括与所述压缩机的高压排气口（11）连接的高压排气管路（16），且所述背压腔通过第一压力引入管路（17）连接至所述低压吸气管路（13），所述背压腔还通过第二压力引入管路（18）连接至所述高压排气管路（16），且在所述第一压力引入管路（17）上设置有第一控制阀（19），在所述第二压力引入管路（18）上设置有第二控制阀（20）。

8.根据权利要求7所述的空调系统，其特征在于：

所述第一控制阀（19）和所述第二控制阀（20）均为电磁阀。

9.一种双级增焓车用空调系统的控制方法，其特征在于：

使用权利要求1-8中任一项所述的双级增焓车用空调系统，根据制热工况的负荷高低控制所述空调系统进行常规制热、补气增焓制热还是重负荷补气增焓制热。

10.根据权利要求9所述的控制方法，其特征在于：

当包括中压节流装置（5）时：

所述常规制热为：当制热工况的负荷低于第一预设值时，控制所述中压节流装置（5）关闭；

所述补气增焓制热为：当制热工况的负荷高于第一预设值时，控制所述中压节流装置（5）打开。

11.根据权利要求10所述的控制方法，其特征在于：

当制热工况的负荷高于第一预设值、且低于第二预设值时，随着负荷的升高，调节所述中压节流装置（5）的开度逐渐增大，其中第二预设值>第一预设值。

12.根据权利要求10-11中任一项所述的控制方法，其特征在于：

当包括第一控制阀（19）、第二控制阀（20）和滑片时，控制所述第一控制阀（19）打开、所述第二控制阀（20）关闭，使得从低压吸气管路（13）引入低压压力至背压腔，卸载所述滑片，低压级变容缸不工作。

13.根据权利要求9所述的控制方法，其特征在于：

所述重负荷补气增焓制热为：当制热工况的负荷高于第二预设值时，当包括第一控制阀（19）、第二控制阀（20）和滑片时，控制所述第一控制阀（19）关闭、所述第二控制阀（20）打开，使得从高压排气管路（16）引入低压压力至背压腔，加载所述滑片，低压级变容缸工作。

14.根据权利要求13所述的控制方法，其特征在于：

当包括中压节流装置（5）时，随着负荷的继续升高，控制调节所述中压节流装置（5）的开度逐渐增大。