CN108928214B - 一种二氧化碳空调热泵系统及其通风控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种二氧化碳空调热泵系统及其通风控制方法，设置了开关控制器、第一PI控制器和第二PI控制器；通过开关控制器的切换可以控制汽车热泵系统进行送风控制和回风控制的切换。当汽车启动时，需要车内的温度较低，需要大量的热量，因此采用送风温度控制，将较高温度的热风直接送入车厢内，乘客会感到较为舒适；当汽车运行稳定后，车厢内的温度较高，此时较高温度的热风会使得乘客感到不适，因此将采用回风温度控制，控制车厢的回风温度恒定，从而保证了车厢的平均温度较为适宜。

Description

一种二氧化碳空调热泵系统及其通风控制方法

技术领域

本发明属于汽车热泵技术领域，特别涉及一种二氧化碳空调热泵系统及其通风控制方法。

背景技术

电动汽车的里程成为近些年的研究重点，国家对里程长的电动汽车进行重点补贴。为了提高里程，一部分人从电池容量出发，提高电池性能，从而提高里程。我们从电动汽车的第一大耗电配件系统，热泵系统出发，尽量减小系统的能耗，提高系统的运行COP，从节省电能的角度来提高电动汽车的里程。

电动汽车的智能控制俨然已经成为现阶段的研究热点，不少车辆的已经可以自动驾驶，大大的节约了人力成本。当汽车自动驾驶时，汽车空调系统也应该顺应潮流，进行自动控制，更大程度上解放人力，提供更舒适的出行方式。

汽车的新风比、运行速度，运行环境，车内乘客数量，窗的开关等等众多因素都会影响到车内的热负荷，而且车内的空间较小，温度变化的较快，因此对系统的运行精度也就越高，传统的控制系统较为简单，越来越不能满足实际需求。汽车空调热泵性能的影响因素过多，工况变化太多，且复杂，设计一个可以自动调整运行的控制逻辑，保证系统运行稳定，车厢内环境舒适。

传统的控制逻辑是和制冷热泵系统分开设计的，没有考虑动态响应，只是将工况大致划分，粗略的确定阀的开度和压缩机的转速，这样的系统耗电量大，但是在传统的汽车上是可以接受的，因为传统汽车的电量的问题较好解决，电动汽车的电量因为是其动力来源，更高的电量也就意味着更高的里程。

发明内容

本发明的目的在于提供一种二氧化碳空调热泵系统及其通风控制方法，保证在启动阶段和运行阶段车厢内的环境温度适宜，通过调整新风比保证系统运行的COP最优，以解决现有二氧化碳空调热泵系统耗电量大的问题。

为了实现上述的目的，本发明采用的技术方案是：

一种二氧化碳空调热泵系统，包括压缩机、气体冷却器、节流阀、蒸发器、风扇、风门、车厢、回风温度传感器T1、送风温度传感器T2、开关控制器、第一PI控制器和第二PI控制器；

气体冷却器包括a端口、b端口、c端口、d端口；

蒸发器包括f端口、h端口；

开关控制器包括i端口、j端口、k端口；

风门包括l端口、m端口、n端口；

压缩机出气口连接气体冷却器的d端口，气体冷却器的b端口连接节流阀的进口，节流阀的出口连接蒸发器的h端口，蒸发器的f端口连接压缩机的进气口；气体冷却器的c端口连接车厢的进风口，车厢的出风口连接风门的m端口，风门的l端口连接风扇的进气口，风扇的出气口连接气体冷却器的a端口，风门的n端口连接到环境；回风温度传感器设置于车厢的出风口，回风温度传感器连接第二PI控制器的输入；送风温度传感器设置于车厢的进风口，送风温度传感器连接第一PI控制器的输入，第一PI控制器的输出连接开关控制器的j端口，第二PI控制器的输出连接开关控制器的k端口，开关控制器的i端口连接压缩机的转速输入端。

进一步的，蒸发器还包括e端口和g端口，蒸发器的e端口和g端口连接到环境。

一种二氧化碳空调热泵系统的通风控制方法，包括通过开关控制器对送风温度控制和回风温度控制进行切换。

进一步的，当启动阶段，开启送风温度控制；当运行稳定阶段，开启回风温度控制；切换的时间t由下述公式计算：

t：送风温度控制和回风温度控制的切换时间，单位：s；

T：环境温度，单位：℃；

V：车厢的体积，单位：m³；

n：乘客数量，单位：个。

进一步的，送风温度控制时：送风温度传感器将此时的车厢温度作为输入量，传送给第一PI控制器，第一PI控制器计算好相应的压缩机转速，输出给开关控制器的j端口；开关控制器判断为切换的时间t内，将j端口的输出量作为I端口的输出量给压缩机，压缩机转速相应的变化，保证车厢的送风温度达到设定值。

进一步的，回风温度控制时：回风温度传感器将此时的车厢温度作为输入量，传送给第二PI控制器，第二PI控制器计算好相应的压缩机转速，输出给开关控制器的k端口；开关控制器判断为切换的时间t外，将k端口的输出量作为I端口的输出量给压缩机，压缩机转速相应的变化，保证车厢的回风温度达到设定值。

进一步的，进入回风控制以后，车厢回风温度保持恒定；通过风门控制由n端口进入风扇的新风量，从而保证系统的COP始终保持最优。

进一步的，当环境温度固定的时候，随着新风比的增加，气冷器的进风温度降低，制热量需要增加，压缩机功耗也增加，系统的COP先上升，后下降，控制新风比保证系统的COP始终保持最优；新风比k通过下述公式计算：

k：新风比，单位：％；

T：环境温度，单位：℃；

n：乘客数量，单位：个。

相对于现有的技术，本发明具有以下有益效果：

本发明设置了开关控制器、第一PI控制器和第二PI控制器；通过开关控制器的切换可以控制汽车热泵系统进行送风控制和回风控制的切换。当汽车启动时，需要车内的温度较低，需要大量的热量，因此采用送风温度控制，将较高温度的热风直接送入车厢内，乘客会感到较为舒适；当汽车运行稳定后，车厢内的温度较高，此时较高温度的热风会使得乘客感到不适，因此将采用回风温度控制，控制车厢的回风温度恒定，从而保证了车厢的平均温度较为适宜。传统汽车空调热泵控制系统较为简单，只是固定了几个典型工况，通过判断环境温度进行工况选择，汽车开始运行阶段和稳定运行阶段的系统参数不会变化，可能会导致，汽车启动阶段车厢内温度过低，稳定运行时车厢内的温度过高，环境的舒适性大大降低。

本发明通过改变风门，从而改变系统的新风比，保证系统的运行COP始终最优。当汽车运行稳定以后，进入回风温度控制，根据经验公式改变新风比，从而保证系统的运行COP最优。

附图说明

图1是本发明一种二氧化碳空调热泵系统的结构示意图。

图2是环境温度0℃下，系统COP随新风比的变化示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

请参阅图1，一种二氧化碳空调热泵系统，包括压缩机1、气体冷却器2、节流阀3、蒸发器4、风扇5、风门6、车厢7、T1回风温度传感器8、T2送风温度传感器9、开关控制器10、第一PI控制器11和第二PI控制器12。

气体冷却器2包括a端口13、b端口14、c端口15、d端口16；b端口和d端口连通，a端口和c端口连通；

蒸发器4包括e端口17、f端口18、g端口19、h端口20；

开关控制器10包括i端口21、j端口22、k端口23；

风门6包括l端口24、m端口25、n端口n；

压缩机1出气口连接气体冷却器2的d端口16，气体冷却器2的b端口14连接节流阀3的进口，节流阀3的出口连接蒸发器4的h端口20，蒸发器4的f端口18连接压缩机1的进气口；气体冷却器2的c端口15连接车厢7的进风口，车厢7的出风口连接风门6的m端口，风门6的l端口24连接风扇5的进气口，风扇5的出气口连接气体冷却器2的a端口13，风门6的n端口连接到环境，蒸发器4的e端口17和g端口19连接到环境；回风温度传感器T1 8设置于车厢7的出风口，回风温度传感器T1 8的输出端连接第二PI控制器12的输入端；送风温度传感器T29设置于车厢7的进风口，送风温度传感器T2 9的输出端连接第一PI控制器11的输入端，第一PI控制器11的输出端连接开关控制器10的j端口，第二PI控制器12的输出端连接开关控制器10的k端口，开关控制器10的i端口连接压缩机的转速输入端。

本发明一种二氧化碳空调热泵系统的通风控制方法，通过开关控制器10对送风温度控制和回风温度控制进行切换。当启动阶段，保持较高送风温度，乘客较为舒适，汽车车厢温度上升较快，快速制热效果较好；当运行稳定阶段，开启回风温度控制，此时车厢内的温度达到要求，车厢的送风温度应该有所下降，此时通过控制车厢的回风温度，保证回风温度稳定，保证车厢环境较为舒适，车厢内环境温度稳定。切换的时间t由下述公式计算：

t：送风温度控制和回风温度控制的切换时间，单位：s

T：环境温度，单位：℃

V：车厢的体积，单位：m^3

n：乘客数量，单位：个

送风温度控制：送风温度传感器T2 9将此时的车厢温度作为输入量，传送给第一PI控制器11，第一PI控制器11计算好相应的压缩机转速，输出给开关控制器10的j端口22。开关控制器10判断为切换的时间t内，将j端口22的输出量作为I端口21的输出量给输出压缩机，压缩机转速相应的变化，保证车厢的送风温度达到设定值。通过第一PI控制器11对车厢的送风温度进行调节。无论新风比、环境温度等外界环境工况怎么变化，车厢的送风温度都可以保持恒定。

回风温度控制：送风温度传感器T1 8将此时的车厢温度作为输入量，传送给第二PI控制器12，第二PI控制器12计算好相应的压缩机转速，输出给开关控制器10的k端口23。开关控制器10判断为切换的时间t外，将k端口23的输出量作为I端口21的输出量给压缩机，压缩机转速相应的变化，保证车厢的送风温度达到设定值。通过第二PI控制器12对车厢的回风温度进行调节。无论新风比、环境温度等外界环境工况怎么变化，车厢的回风温度都可以保持恒定。

当汽车空调进入回风控制以后，车厢回风温度保持恒定以后。可以通过风门6控制由n端口26进入风扇的新风量，从而保证系统的COP始终保持最优。当环境温度固定的时候，随着新风比的增加，气冷器的进风温度降低，因此制热量需要增加，压缩机功耗也会增加，系统的COP会先上升，后下降，存在一个最优的新风比保证系统的COP始终保持最优。新风比k通过下述公式计算：

k：新风比，单位：％

T：环境温度，单位：℃

n：乘客数量，单位：个；1≤n≤5。

请参阅图2所示，环境温度0℃下，系统COP随新风比的变化示意图；车厢的热负荷是固定的，新风比增加，冷凝器进口温度降低，制热量需求增加。本发明通过改变风门，从而改变系统的新风比，保证系统的运行COP始终最优。

Claims (6)

1.一种二氧化碳空调热泵系统的通风控制方法，其特征在于，所述一种二氧化碳空调热泵系统，包括压缩机(1)、气体冷却器(2)、节流阀(3)、蒸发器(4)、风扇(5)、风门(6)、车厢(7)、回风温度传感器T1(8)、送风温度传感器T2(9)、开关控制器(10)、第一PI控制器(11)和第二PI控制器(12)；

气体冷却器(2)包括a端口(13)、b端口(14)、c端口(15)、d端口(16)；

蒸发器(4)包括f端口(18)、h端口(20)；

开关控制器(10)包括i端口(21)、j端口(22)、k端口(23)；

风门(6)包括l端口(24)、m端口(25)、n端口(n)；

压缩机(1)出气口连接气体冷却器(2)的d端口(16)，气体冷却器(2)的b端口(14)连接节流阀(3)的进口，节流阀(3)的出口连接蒸发器(4)的h端口(20)，蒸发器(4)的f端口(18)连接压缩机(1)的进气口；气体冷却器(2)的c端口(15)连接车厢(7)的进风口，车厢(7)的出风口连接风门(6)的m端口，风门(6)的l端口(24)连接风扇(5)的进气口，风扇(5)的出气口连接气体冷却器(2)的a端口(13)，风门(6)的n端口连接到环境；回风温度传感器设置于车厢的出风口，回风温度传感器连接第二PI控制器(12)的输入；送风温度传感器设置于车厢的进风口，送风温度传感器连接第一PI控制器(11)的输入，第一PI控制器(12)的输出连接开关控制器(10)的j端口，第二PI控制器(12)的输出连接开关控制器(10)的k端口，开关控制器(10)的i端口连接压缩机的转速输入端；

所述通风控制方法：包括通过开关控制器(10)对送风温度控制和回风温度控制进行切换；

当启动阶段，开启送风温度控制；当运行稳定阶段，开启回风温度控制；切换的时间t由下述公式计算：

t：送风温度控制和回风温度控制的切换时间，单位：s；

T：环境温度，单位：℃；

V：车厢的体积，单位：m³；

n：乘客数量，单位：个。

2.根据权利要求1所述的一种二氧化碳空调热泵系统的通风控制方法，其特征在于，送风温度控制时：送风温度传感器将此时的车厢温度作为输入量，传送给第一PI控制器，第一PI控制器计算好相应的压缩机转速，输出给开关控制器(10)的j端口(22)；开关控制器(10)判断为切换的时间t内，将j端口(22)的输出量作为I端口(21)的输出量给压缩机，压缩机转速相应的变化，保证车厢的送风温度达到设定值。

3.根据权利要求1所述的一种二氧化碳空调热泵系统的通风控制方法，其特征在于，回风温度控制时：回风温度传感器将此时的车厢温度作为输入量，传送给第二PI控制器，第二PI控制器计算好相应的压缩机转速，输出给开关控制器(10)的k端口(23)；开关控制器(10)判断为切换的时间t外，将k端口(23)的输出量作为I端口(21)的输出量给压缩机，压缩机转速相应的变化，保证车厢的回风温度达到设定值。

4.根据权利要求1所述的一种二氧化碳空调热泵系统的通风控制方法，其特征在于，进入回风控制以后，车厢回风温度保持恒定；通过风门(6)控制由n端口(26)进入风扇的新风量，从而保证系统的COP始终保持最优。

5.根据权利要求4所述的一种二氧化碳空调热泵系统的通风控制方法，其特征在于，当环境温度固定的时候，随着新风比的增加，气冷器的进风温度降低，制热量需要增加，压缩机功耗也增加，系统的COP先上升，后下降，控制新风比保证系统的COP始终保持最优；新风比k通过下述公式计算：

k：新风比，单位：％；

T：环境温度，单位：℃；

n：乘客数量，单位：个。

6.根据权利要求1所述的一种二氧化碳空调热泵系统的通风控制方法，其特征在于，蒸发器(4)还包括e端口(17)和g端口(19)，蒸发器(4)的e端口(17)和g端口(19)连接到环境。

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