CN110195940A - 一种集成热交换器的汽车空调热泵系统 - Google Patents

Abstract

本申请属于汽车空调领域，具体涉及一种集成热交换器的汽车空调热泵系统，包括带有车外散热器的汽车空调热泵回路，用于辅助加热车外散热器的动力冷却系统回路，以及同时连接于汽车空调热泵回路与动力冷却回路，并能实现切换汽车空调热泵回路与动力冷却回路连通方式的集成式换热器回路。本申请的汽车空调热泵系统集成多个回路，实现在不同工况下的制热采暖。

Description

一种集成热交换器的汽车空调热泵系统

技术领域

本申请属于汽车空调领域，具体涉及一种集成热交换器的汽车空调热泵系统。

背景技术

汽车空调系统引入热泵技术其主要的原因在于纯电动汽车或者插电式混合动力汽车不能再继续用发动机冷却水作为稳定的热源用于空调制热采暖。在引入热泵技术之前，电动汽车的空调系统制热功能主要由电加热器，如PTC风暖加热器、PTC水暖加热器或膜式水暖加热器、加热管加热器等完成。但直接采用电加热器得到的热量，由于效率问题会大大降低电池的电量和行驶里程。当冬季行驶打开基于电加热器的空调制热采暖时，至少1/3甚至近一半的电量用于制热，而使用热泵系统制热由于吸收车外热量则整车行驶里程大幅提升。

目前电动汽车热泵系统基本采用R134a制冷剂，其工作特性加上现有零部件生产工艺水平，当冬季外界问题低于-10℃时，热泵系统存在车外散热器结霜问题，且性能和效率直线下降已不能使用热泵系统制热，仍需采用电加热作为辅助热源用于空调制热采暖。

为实现空调制热采暖，需要采用两套系统，增加了装置的复杂度。

发明内容

本申请提供一种集成热交换器的汽车空调热泵系统，其集成多个回路，实现在不同工况下的制热采暖。

为实现上述技术目的，本申请采取的技术方案，一种集成热交换器的汽车空调热泵系统，包括带有车外散热器的汽车空调热泵回路，用于辅助加热车外散热器的动力冷却系统回路，以及同时连接于汽车空调热泵回路与动力冷却回路，并能实现切换汽车空调热泵回路与动力冷却回路连通方式的集成式换热器回路。

作为本申请改进的技术方案，汽车空调热泵回路包括车内冷凝器、制热用膨胀阀、冷媒电磁阀、车外散热器、冷媒电磁三通阀、制冷用膨胀阀、蒸发器、储液器与电动压缩机；其中，车内冷凝器、制热用膨胀阀、车外散热器、冷媒电磁三通阀、制冷用膨胀阀、蒸发器、储液器与电动压缩机依次连通形成闭合回路；冷媒电磁阀与制热用热膨胀阀并列设置，两端均分别连接于车内冷凝器与车外散热器；冷媒电磁三通阀的入口连接于车外散热器，一出口直接连通于储液器，另一出口通过制冷用膨胀阀与蒸发器连通于储液器；车外散热器制冷剂侧的一端接于制热用膨胀阀的一端，另一端接于冷媒电磁三通阀；车外散热器冷却液侧的两端接入动力冷却系统；车外散热器用于制冷剂与空气热交换、制冷剂与动力冷却系统回路中的冷却液热交换；汽车空调热泵回路还包括接入冷却闭合回路的集成式换热器，集成式换热器制冷剂侧的一端接车内冷凝器的一端，另一端接于制热用膨胀阀的一端。

作为本申请改进的技术方案，动力冷却系统回路包括依次连通并形成闭合回路的集成式换热器、冷却三通阀、冷却液散热器、热泵三通阀、电子水泵以及整车动力单元；动力冷却系统回路还包括与冷却液散热器并列设置的汽车空调热泵回路中的车外散热器；车外散热器冷却液侧的一端接于冷却三通阀，另一端接于热泵三通阀；动力冷却系统回路还包括与冷却液散热器并列设置的独立管道，独立管道的一端连接于冷却三通阀，另一端连接于电子水泵。

作为本申请改进的技术方案，电子水泵用于整车动力单元的散热，所述整车动力单元包括电机、CDU与MCU。

作为本申请改进的技术方案，集成式换热器回路包括依次连通的集成式换热器、冷却三通阀、冷却液散热器以及热泵三通阀；集成式换热器回路还包括与冷却液散热器并列设置的车外散热器、车外散热器冷却液侧的一端接于冷却三通阀，另一端接于热泵三通阀；集成式换热器的入口接于空调热泵系统中的车内冷凝器、与接于动力冷却系统回路中整车动力单元的出口；车外散热器制冷剂侧接于空调热泵系统中的制热用膨胀阀与冷媒电磁三通阀之间。

作为本申请改进的技术方案，冷却液通过集成式换热器吸收制冷剂侧的热量后，切换冷却三通阀与热泵三通阀使得独立管道连通集成式换热器与电子水泵，以实现动力冷却系统储热；切换冷却三通阀与热泵三通阀使得车外散热器连通集成式换热器与电子水泵、车外散热器还连通冷媒电磁阀与冷媒电磁三通阀，以实现自动除霜功能；切换冷却三通阀与热泵三通阀使得车外散热器连通集成式换热器与电子水泵、车外散热器连通冷媒电磁阀与冷媒电磁三通阀、冷却液散热器连通集成式换热器与电子水泵、独立管道关闭以实现利用动力冷却系统热量的空调热泵系统制热功能。

有益效果

本申请的集成热交换器的电动汽车热泵系统，在制热模式下，冷却液通过集成式换热器吸收制冷剂侧的热量后，对冷却三通阀和热泵三通阀的组合切换可实现动力冷却系统冷却、动力冷却系统储热、利用动力冷却系统热量的空调热泵系统制热功能和车外散热器除霜功能。

本申请的空调热泵系统能够利用集成换热器实现动力余热对热泵系统车外散热器提供热量，从而防止结霜且改善热泵系统在低温情况下的COP。

本申请充分利用动力余热对热泵系统车外散热器提供热量，扩大热泵系统的温度使用范围，防止车外散热器结霜以提高乘员舒适性，提升热泵系统低温情况下的性能和效率。

附图说明

图1现有的典型热泵系统制热模式示意图；

图2本申请的集成热交换器的汽车空调热泵系统示意图；

图3本申请的汽车空调热泵回路中动力冷却系统回路示意图；

图4本申请的汽车空调热泵回路中汽车空调热泵回路示意图；

图5本申请的汽车空调热泵回路中集成式换热器回路示意图；

图6本申请的汽车空调热泵回路的动力冷却系统储热工作示意图；

图7本申请的汽车空调热泵回路的自动除霜模式工作示意图；

图8本申请的汽车空调热泵回路的余热利用制热模式工作示意图。

图中，箭头代表冷却液或制冷剂流向。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的和技术方案更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

如图1所示，现有的热泵系统制热示意图：

1.电动压缩机将低温低压的制冷剂气体压缩成高温高压的气体；

2.高温高压的制冷剂气体通过乘员舱车内冷凝器，释放热量给车内空气，从而变成高温高压的制冷剂液体；

3.高温液态制冷剂利用制热用膨胀阀的节流作用变成低压的气液两相制冷剂，通过外部热交换器(车外散热器)吸收外界热量后，变成低温低压的制冷剂气体被吸入压缩机。

为实现充分利用动力余热对热泵系统车外散热器提供热量，扩大热泵系统的温度使用范围，防止车外散热器结霜以提高乘员舒适性，提升热泵系统低温情况下的性能和效率。

如图2所示，本申请将热泵的制冷系统、动力冷却系统回路以及集成换热器回路进行集成、耦合。

具体的，一种集成热交换器的汽车空调热泵系统，包括带有车外散热器的汽车空调热泵回路，用于辅助加热车外散热器的动力冷却系统回路，以及同时连接于汽车空调热泵回路与动力冷却回路，并能实现切换汽车空调热泵回路与动力冷却回路连通方式的集成式换热器回路；汽车空调热泵回路与动力冷却系统耦合可实现动力冷却系统的储热；汽车空调热泵回路与动力冷却系统耦合可实现利用动力冷却系统的热量对车外散热器进行除霜；汽车空调热泵回路与动力冷却系统耦合可实现利用动力冷却回路的余热提升空调制热效果。

其中，汽车空调热泵回路如图4所示，本申请的汽车空调热泵回路较典型热泵系统(见图2与图4)，增加液液换热器(下文称集成式换热器)，同时改外部热交换器(空气与制冷剂换热)为冷却液和制冷剂换热器(下文简称车外散热器)，其他沿用典型热泵系统(见图1)。

具体的，由车内冷凝器1、制热用膨胀阀5、冷媒电磁阀10、车外散热器8(制冷剂与冷却液、空气热交换)、冷媒电磁三通阀6、制冷用膨胀阀4、蒸发器2、储液器9与电动压缩机3依次连通的形成空调闭合回路；还包括接入冷却闭合回路的集成式换热器7(制冷剂与冷却液热交换)。

详细表述为：汽车空调热泵回路包括车内冷凝器、制热用膨胀阀、冷媒电磁阀、车外散热器、冷媒电磁三通阀、制冷用膨胀阀、蒸发器、储液器与电动压缩机；其中，车内冷凝器、制热用膨胀阀、车外散热器、冷媒电磁三通阀、制冷用膨胀阀、蒸发器、储液器与电动压缩机依次连通形成闭合回路；冷媒电磁阀与制热用热膨胀阀并列设置，两端均分别连接于车内冷凝器与车外散热器；冷媒电磁三通阀的入口连接于车外散热器，一出口直接连通于储液器，另一出口通过制冷用膨胀阀与蒸发器连通于储液器；车外散热器制冷剂侧的一端接于制热用膨胀阀的一端，另一端接于冷媒电磁三通阀；车外散热器冷却液侧的两端接入动力冷却系统；车外散热器用于制冷剂与空气热交换、制冷剂与动力冷却系统回路中的冷却液热交换；汽车空调热泵回路还包括接入冷却闭合回路的集成式换热器，集成式换热器制冷剂侧的一端接车内冷凝器的一端，另一端接于制热用膨胀阀的一端。

如图3所示，动力冷却回路由集成式换热器7(制冷剂与冷却液热交换)、冷却三通阀11、冷却液散热器12、热泵三通阀13、电子水泵14、整车动力单元15、车外散热器8。

详细地，车外散热器8冷却液侧的一端连接于冷却三通阀10一端，另一端接于动力冷却系统回路的热泵三通阀13的一端；冷却液散热器12与车外散热器8并列设置，即冷却液散热器12的一端连接于冷却三通阀10一端，另一端接于动力冷却系统回路的热泵三通阀13的一端。

集成式换热器7冷却液侧的一端通过冷却三通阀分别连接于动力冷却系统回路动力单元14的一端与车外散热器8冷却液侧进口的一端。

也可表述为：动力冷却系统回路包括依次连通并形成闭合回路的集成式换热器、冷却三通阀、冷却液散热器、热泵三通阀、电子水泵以及整车动力单元；动力冷却系统回路还包括与冷却液散热器并列设置的汽车空调热泵回路中的车外散热器；车外散热器冷却液侧的一端接于冷却三通阀，另一端接于热泵三通阀；动力冷却系统回路还包括与冷却液散热器并列设置的独立管道，独立管道的一端连接于冷却三通阀，另一端连接于电子水泵。电子水泵用于整车动力单元的散热，所述整车动力单元包括电机、CDU与MCU。

如图5所示，集成式换热器回路：

1.部件构成：由集成式换热器(制冷剂与冷却液热交换)、冷却三通阀、冷却液散热器、热泵三通阀组成；

2.集成式换热器分冷却液侧和制冷剂侧，冷却液进出口、制冷剂进出口共四个接口，实现制冷剂侧和冷却液侧的热交换。

具体的：集成式换热器回路包括冷却三通阀11，汽车空调热泵回路中的车外散热器8，冷却系统回路中的冷却液散热器12，以及热泵三通阀13；其中冷却三通阀的入口连接于集成式换热器冷却液侧出口的一端，冷却三通阀的出口接于车外散热器入口的一端和冷却系统回路中的电子水泵入口的一端；其中热泵三通阀的入口连接于车外散热器冷却液侧出口的一端和冷却液散热器出口的一端，热泵三通阀的出口冷却系统回路中的电子水泵入口的一端。

其中冷却液散热器和车外散热器以并联的方式连接于冷却三通阀和热泵三通阀之间。

也可表述为：集成式换热器回路包括依次连通的集成式换热器、冷却三通阀、冷却液散热器以及热泵三通阀；集成式换热器回路还包括与冷却液散热器并列设置的车外散热器、车外散热器冷却液侧的一端接于冷却三通阀，另一端接于热泵三通阀；集成式换热器的入口接于空调热泵系统中的车内冷凝器、与接于动力冷却系统回路中整车动力单元的出口；车外散热器制冷剂侧接于空调热泵系统中的制热用膨胀阀与冷媒电磁三通阀之间。

冷却液通过集成式换热器吸收制冷剂侧的热量后，切换冷却三通阀与热泵三通阀使得独立管道连通集成式换热器与电子水泵，以实现动力冷却系统储热；切换冷却三通阀与热泵三通阀使得车外散热器连通集成式换热器与电子水泵、车外散热器，还连通冷媒电磁阀与冷媒电磁三通阀，以实现自动除霜功能；切换冷却三通阀与热泵三通阀使得车外散热器连通集成式换热器与电子水泵、车外散热器连通冷媒电磁阀与冷媒电磁三通阀、冷却液散热器连通集成式换热器与电子水泵、独立管道关闭以实现利用动力冷却系统热量的空调热泵系统制热功能。

具体表现为：如图6所示，在低温环境下，当汽车空调热泵回路在制热模式下工作且车外散热器8足以吸收外界热量时，通过切换冷却三通阀11，冷却液完全不流经冷却液散热器12和车外散热器8，冷却液通过集成式换热器7吸收高温制冷剂的热量，以及加上整车动力单元的发热，以实现动力冷却系统回路冷却液的储热工作。

如图7所示，在低温高湿环境中，当冷却液和制冷剂换热器通过传感器探测到车外散热器8表面结霜，影响制热效果时，电动压缩机3关停，及汽车空调热泵回路停止工作；通过组合切换冷却三通阀11和热泵三通阀13，使经过储热后的冷却液完全流经车外散热器8，实现自动除霜功能。

如图8所示，本发明的高效制热模式关键在于车外散热器8除了吸收外界空气热量外，还有动力余热和制冷剂本身的能量传递给车外散热器，制冷剂本身的能量传递通过集成式换热器7，实现冷却液从乘员舱内部冷凝器出来的高温制冷剂吸收热量。此时，车外散热器作为制冷系统的蒸发器，确保吸收足够热量，防止结霜。

综上，本申请突出带动力余热利用的含集成热交换器汽车空调热泵回路，可实现高效制热和换热器自动除霜功能，扩大热泵系统的温度使用范围，防止车外散热器频繁结霜以提高乘员舒适性，提升热泵系统低温情况下的性能和效率。

以上仅为本发明的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些均属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种集成热交换器的汽车空调热泵系统，其特征在于，包括带有车外散热器的汽车空调热泵回路，用于辅助加热车外散热器的动力冷却系统回路，以及同时连接于汽车空调热泵回路与动力冷却回路，并能实现切换汽车空调热泵回路与动力冷却回路连通方式的集成式换热器回路。

2.根据权利要求1所述的一种集成热交换器的汽车空调热泵系统，其特征在于，汽车空调热泵回路包括车内冷凝器、制热用膨胀阀、冷媒电磁阀、车外散热器、冷媒电磁三通阀、制冷用膨胀阀、蒸发器、储液器与电动压缩机；其中，车内冷凝器、制热用膨胀阀、车外散热器、冷媒电磁三通阀、制冷用膨胀阀、蒸发器、储液器与电动压缩机依次连通形成闭合回路；冷媒电磁阀与制热用热膨胀阀并列设置，两端均分别连接于车内冷凝器与车外散热器；冷媒电磁三通阀的入口连接于车外散热器，一出口直接连通于储液器，另一出口通过制冷用膨胀阀与蒸发器连通于储液器；车外散热器制冷剂侧的一端接于制热用膨胀阀的一端，另一端接于冷媒电磁三通阀；车外散热器冷却液侧的两端接入动力冷却系统；车外散热器用于制冷剂与空气热交换、制冷剂与动力冷却系统回路中的冷却液热交换；汽车空调热泵回路还包括接入冷却闭合回路的集成式换热器，集成式换热器制冷剂侧的一端接车内冷凝器的一端，另一端接于制热用膨胀阀的一端。

3.根据权利要求1所述的一种集成热交换器的汽车空调热泵系统，其特征在于，动力冷却系统回路包括依次连通并形成闭合回路的集成式换热器、冷却三通阀、冷却液散热器、热泵三通阀、电子水泵以及整车动力单元；动力冷却系统回路还包括与冷却液散热器并列设置的汽车空调热泵回路中的车外散热器；车外散热器冷却液侧的一端接于冷却三通阀，另一端接于热泵三通阀；还包括与冷却液散热器并列设置的独立管道，独立管道的一端连接于冷却三通阀，另一端连接于电子水泵。

4.根据权利要求3所述的一种集成热交换器的汽车空调热泵系统，其特征在于，电子水泵用于整车动力单元的散热，所述整车动力单元包括电机、CDU与MCU。

5.根据权利要求1所述的一种集成热交换器的汽车空调热泵系统，其特征在于，集成式换热器回路包括依次连通的集成式换热器、冷却三通阀、冷却液散热器以及热泵三通阀；集成式换热器回路还包括与冷却液散热器并列设置的车外散热器、车外散热器冷却液侧的一端接于冷却三通阀，另一端接于热泵三通阀；集成式换热器的入口接于空调热泵系统中的车内冷凝器、与接于动力冷却系统回路中整车动力单元的出口；车外散热器制冷剂侧接于空调热泵系统中的制热用膨胀阀与冷媒电磁三通阀之间。

6.根据权利要求1所述的一种集成热交换器的汽车空调热泵系统，其特征在于，冷却液通过集成式换热器吸收制冷剂侧的热量后，切换冷却三通阀与热泵三通阀使得独立管道连通集成式换热器与电子水泵，以实现动力冷却系统储热；切换冷却三通阀与热泵三通阀使得车外散热器连通集成式换热器与电子水泵、车外散热器还连通冷媒电磁阀与冷媒电磁三通阀，以实现自动除霜功能；切换冷却三通阀与热泵三通阀使得车外散热器连通集成式换热器与电子水泵、车外散热器连通冷媒电磁阀与冷媒电磁三通阀、冷却液散热器连通集成式换热器与电子水泵、独立管道关闭以实现利用动力冷却系统热量的空调热泵系统制热功能。