CN110966797B - 一种车辆热泵空调系统及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种车辆热泵空调系统及其控制方法。本发明通过第一(板式)换热器和对压缩机进行补气(补气增焓压缩机)将制冷剂分成两路，补气回路制冷剂为压综机进行补气，主流路继续换热运行。并通过补气回路制冷剂来冷却主流路中的制冷剂，提高输气量，降低压缩机的排气温度。本发明的热泵空调系统还通过构建旁通支路的方式，使本发明的空调系统可在逆循环除霜控制和旁通除霜控制之间切换，可根据结霜量的不同，采用不同除霜控制，从而提高除霜效率。

Description

一种车辆热泵空调系统及其控制方法
技术领域
本发明涉及一种车辆热泵空调系统及其控制方法，具体而言，涉及一种电动汽车热泵空调系统及其控制方法。
背景技术
新能源电动汽车解决了燃油汽车的环保问题和化石燃料依赖问题，但是由于电动汽车在冬季没有发动机余热可以利用，采用电加热辅助的空调系统又会耗费大量的电能制热，缩短了续航里程，为了提高新能源电动汽车的冬季制热效率，采用了热泵型空调系统，但是热泵系统在冬季低温高湿的室外环境下制热运行时，车外换热器容易出现结霜现象，霜层的不断加厚使得车载空调系统制热能力不断衰减，现有车载热泵系统除霜运行时，会将制热模式切换成制冷模式，室内停止供暖，大大影响了乘员舒适性。
此外，常规电动汽车空调系统只能在较高的室外环境温度下运行，正常运行的环境温度最低为-10℃左右，当环境温度进一步降低时，低压压力下降，排气温度过高，超出压缩机的安全运行范围，压缩机寿命严重缩短。
发明内容
鉴于此，本发明提供一种车辆热泵空调系统及其控制方法。本发明通过第一(板式)换热器和对压缩机进行补气(补气增焓压缩机)等将制冷剂分成两路，通过补气回路制冷剂来冷却主流路中的制冷剂，提高输气量，降低压缩机的排气温度。另外本发明还提供一种除霜控制方法，提升系统的平均制热能力和热舒适性。根据室外蒸发器结霜量不同，提供不同的除霜策略。
具体地：一种车辆热泵空调系统，包括车内换热器，车外换热器，第一换热器，压缩机，四通换向阀，其特征在于：
压缩机的排气口与四通换向阀的第一端口连通，压缩机的进气口与四通换向阀的第二端口连通，四通换向阀的第三端口通过第一支管与车内换热器的进口A连通，车内换热器的出口B通过第二支管与第一换热器的进口E连通，第一换热器的出口F通过第三支管与车外换热器的进口C连通，车外换热器的出口D通过第四支管与四通换向阀的第四端口连通；
第三支管上设有第一节流装置；
第二支管上还连接有第一补气支管，第一补气支管上设有第二节流装置，第一补气支管的一端连接在第二支管上，另一端与第一换热器的进口G连通，第一换热器的出口H与压缩机的补气进口连通。
优选地，压缩机的进气口与四通换向阀的第二端口之间还设有气液分离器。
优选地，还包括第五支管、第六支管，第五支管的一端与压缩机的排气口连通，另一端与车外换热器的进口C连通；第六支管的一端与车外换热器的出口D连通，第六支管的另一端连通车内换热器的出口B，第六支管上设有冷媒加热装置和第四节流装置。
优选地，包括制冷运行：第一节流装置打开，第二、三、四节流装置关闭，从压缩机出来高温高压液态制冷剂，经过四通换向阀，进入车外换热器中冷凝放热后，高温高压的液态制冷剂经过第一节流装置，节流降压后，流经第一换热器进入车内换热器，再次经过四通换向阀进入气液分离器，进入压缩机完成一个制冷循环。
优选地，包括制热运行：其中，第一节流装置打开，第二、三、四节流装置关闭，从压缩机出来高温高压液态制冷剂，经过四通换向阀，进入车内换热器中冷凝放热，达到加热车内空气的目的，此时高温高压的液态制冷剂流经第一换热器，在第一节流装置处节流降压后，进入车内换热器，再次经过四通换向阀进入气液分离器，进入压缩机完成一个制热循环。
优选地，包括低温制热模式：其中，该低温制热模式下第一、二节流装置打开，第三、四节流装置关闭；
从压缩机出来的高温高压液态制冷剂，经过四通换向阀，进入车内换热器中冷凝放热，从车内换热器出口出来的制冷剂分成两路，分别为主路和中间补气支路：
中间补气支路的液态制冷剂通过第二节流装置节流降压至中温中压的气液混合状态，并在第一换热器吸收主路高温高压制冷剂的热量蒸发为气态，最后进入压缩机；
主路的液态制冷剂经过第一换热器后，由第一节流装置节流后变为低温低压的气液混合状态，流入车外换热器吸收外环境的热量变为低压气体，再经过气液分离器，进入到压缩机完成一个制热循环。
本发明还提供一种如本发明所述的热泵空调系统的除霜控制方法，其特征在于：包括如下步骤：
S01、空调系统制热模式运行时，当压缩机累计上电运行时间、室外环境温度及低压饱和温度均达到各自的预设值时，系统进入到除霜运行控制。
除霜运行控制包括：其中室外环境温度计为Tout,低压对应饱和温度计为Tse；
当Tout≥第一预设温度，且低压对应饱和温度：
Figure BDA0002311793300000031
时，进入旁通除霜控制；
当第二预设温度≤Tout＜第一预设温度，且
Figure BDA0002311793300000032
Figure BDA0002311793300000041
时，进入逆循环除霜控制，除霜周期为第一预设时间；
当室外环境温度Tout＜第二预设温度时，且低压对应饱和温度Tse＜第一预设值，进入逆循环除霜控制，但除霜周期为第二预设时间。
优选地，第一预设温度为-5℃，第二预设温度为-17.5℃，第一预设时间为45min，第二预设时间为30min。
优选地，包括除霜模式：当检测到结霜量较大时，采用逆循环除霜；
当室外换热器结霜量较小时,采用旁通除霜控制。
优选地，所述逆循环除霜控制具体为：四通换向阀换向，其中，第一节流装置打开，第二、三、四节流装置关闭，系统由制热模式转为制冷模式；
旁通除霜控制具体为：四通换向阀不换向，第一节流装置和第二节流装置关闭，压缩机的高温排气一部分经过第五支管直接进入车外换热器进行除霜，另一路制冷剂经过第六支管上的第四节流装置节流降压后，进入冷媒加热装置蒸发，通过控制第三节流装置和第四节流装置的开度来调节除霜时车内的制热量。
优选地，还包括如下步骤：在除霜运行中，检测符合退出除霜条件，退出除霜模式。
有益效果：
本发明的热泵空调系统采用补气增焓技术，使电动汽车空调系统可以在较低环境温度下持续运行，将系统运行温度扩大至-35℃-55℃之间。避免了除霜运行过程中制热切换到制冷时室内温度降低以及压缩机带液，提高了人体舒适性和压缩机的运行可靠性，并且有效缩短了除霜时间。解决了低温型电动汽车空调冬季结霜问题，有效避免了化霜期间车内侧停止制热问题；解决了室外环境温度较低时，常规电动汽车空调制热效果差、无法制热问题。
应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性的，并不能限制本公开。
附图说明
通过参照附图详细描述其示例实施例，本公开的上述和其它目标、特征及优点将变得更加显而易见。下面描述的附图仅仅是本公开的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1本发明的热泵空调系统示意图。
其中：1-气液分离器；2-车内换热器；3-四通换向阀；4-压缩机；5-车外换热器；6-板式换热器；7-第一节流装置；8-第三节流装置；9-第二节流装置；10-第四节流装置；11-冷媒加热装置。
具体实施方式
现在将参考附图更全面地描述示例实施例。然而，示例实施例能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的实施例；相反，提供这些实施例使得本公开将全面和完整，并将示例实施例的构思全面地传达给本领域的技术人员。在图中相同的附图标记表示相同或类似的部分，因而将省略对它们的重复描述。
此外，所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施例中。在下面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本公开的实施例的充分理解。然而，本领域技术人员将意识到，可以实践本公开的技术方案而没有特定细节中的一个或更多，或者可以采用其它的方法、组元、装置、步骤等。在其它情况下，不详细示出或描述公知方法、装置、实现或者操作以避免模糊本公开的各方面。
应理解，虽然本文中可能使用术语第一、第二、第三等来描述各种结构，但这些结构不应受这些术语限制。这些术语乃用以区分一结构与另一结构。因此，下文论述的第一结构可称为第二结构而不偏离本公开概念的教示。如本文中所使用，术语“及/或”包括相关联的列出项目中的任一个及一或多者的所有组合。
本领域技术人员可以理解，附图只是示例实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本公开所必须的，因此不能用于限制本公开的保护范围。
下面结合附图1对本发明中的具体实施方式的内容进行详细描述：
如图1所示，本发明提供一种车辆热泵空调系统，包括车内换热器2，车外换热器5，第一换热器，压缩机4，四通换向阀；其中，压缩机4的排气口与四通换向阀3的第一端口连通，压缩机4的进气口与四通换向阀3的第二端口连通，四通换向阀3的第三端口通过第一支管与车内换热器2的进口A连通，车内换热器2的出口B通过第二支管与第一换热器的进口E连通，第一换热器的出口F通过第三支管与车外换热器5的进口C连通，车外换热器5的出口D通过第四支管与四通换向阀3的第四端口连通；第三支管上设有第一节流装置7；第二支管上还连接有第一补气支管，第一补气支管上设有第二节流装置9，第一补气支管的一端连接在第二支管上，另一端与第一换热器的进口G连通，第一换热器的出口H与压缩机4的补气进口连通。
压缩机4的进气口与四通换向阀的第二端口之间还设有气液分离器1。
热泵空调系统还包括第五支管、第六支管，第五支管的一端与压缩机4的排气口连通，另一端与车外换热器5的进口C连通；第六支管的一端与车外换热器5的出口D连通，第六支管的另一端连通车内换热器2的出口B，第六支管上设有冷媒加热装置11和第四节流装置10。
本发明的第一换热器可为板式换热器6，本发明的节流装置可为电子膨胀阀，本发明的节流装置还可设有消音装置。
本发明的热泵空调系统包括如下运行过程：
模式一：制冷运行：
系统制冷运行时，从压缩机4出来高温高压液态制冷剂，经过四通换向阀3，进入车外换热器5中冷凝放热后，此时高温高压的液态制冷剂经过第一节流装置7，节流降压后，流经板式换热器6进入车内换热器2，再次经过四通换向阀3进入气液分离器1，吸入压缩机4完成一个制冷循环。该模式下第一节流装置7开度由PI控制自动调节，第二、三、四节流装置开度调节为0。其中，PI控制即通过控制器内置的比例积分控制逻辑，当系统蒸发器过热度发生改变时，读取温度偏差计算，并使膨胀阀的阀针位置改变，实现节流装置开度自动调节。
模式二：制热运行
系统制热运行时，从压缩机4出来高温高压液态制冷剂，经过四通换向阀3，进入车内换热器2中冷凝放热，达到加热车内空气的目的，此时高温高压的液态制冷剂流经板式换热器6，在第一节流装置7处节流降压后，进入车内换热器2，再次经过四通换向阀3进入气液分离器1，吸入压缩机4完成一个制热循环。该模式下第一节流装置7开度由PI控制自动调节，第二、三、四节流装置开度调节为0。
模式三：低温工况下制热运行
当室外环境温度较低，低于-10℃时，系统进入低温制热模式。从压缩机4出来的高温高压液态制冷剂，经过四通换向阀3，进入车内换热器2中冷凝放热。从车内换热器2出来的高温高压液态制冷剂经过板式换热器6冷却后分为主路和中间补气支路。中间补气支路的液态制冷剂通过第二节流装置9节流降压至中温中压的气液混合状态，并在板式换热器6吸收主路高温高压制冷剂的热量蒸发为气态，最后进入压缩机4。经过板式换热器6过冷的主路制冷剂由第一节流装置7节流后变为低温低压的气液混合状态，流入车外换热器5吸收外环境的热量变为低压气体，再经过气液分离器1，进入到压缩机4完成一个制热循环。该模式下第一、二节流装置开度由PI控制自动调节，第三、四节流装置开度调节为0。
模式四：除霜运行
系统制热运行一段时间后，车外换热器5表面开始结霜，当达到设定除霜要求时机组进入化霜阶段，采用逆循环除霜耦合旁通除霜的控制策略，除霜期间系统不停机，提升了系统的平均制热能力和热舒适性。当检测到结霜量较大时，采用逆循环除霜，四通换向阀3换向，系统由制热模式转为制冷模式。当室外换热器结霜量较小时,采用旁通除霜控制，四通换向阀3不换向，第一节流装置7和第二节流装置9开度调节为0，压缩机4的高温排气一部分经过旁通支路直接进入室外换热器进行除霜，另一路制冷剂经过第四节流装置10节流降压后，进入冷媒加热装置11蒸发，然后通过四通换向阀3，经过气液分离器1进入到压缩机4内，最后回到车内换热器2，完成一个循环。通过控制第三节流装置8和第四节流装置10的开度来调节除霜时车内的制热量。
本发明还提供一种如本发明所述的热泵空调系统的除霜控制方法，包括如下除霜控制逻辑：
S01、系统制热模式运行时，当压缩机4累计上电运行时间、室外环境温度及低压饱和温度达到预设值时，系统进入到除霜运行控制；
S02、当室外环境Tout≥-5℃，且低压对应饱和温度
Figure BDA0002311793300000081
Figure BDA0002311793300000082
时，进入旁通除霜控制，四通换向阀3不换向，第一节流装置7和第二节流装置9开度调节为0，压缩机4的高温排气一部分经过旁通支路直接进入室外换热器进行除霜，同时满足车外换热器5除霜及车内制热功能。此阶段除霜周期为30min；其中，低压对应饱和温度为蒸发压力对应的饱和温度。
S03、当室外环境温度-17.5℃≤Tout＜-5℃，且低压对应饱和温度：
Figure BDA0002311793300000091
时，其中，第一预设值为-30℃，进入逆循环除霜控制，四通换向阀33换向，从压缩机44出来的制冷剂，进入车外换热器55中冷凝放热，对换气器进行化霜。此阶段除霜周期为45min；
S04、当室外环境温度Tout＜-17.5℃时，且低压对应饱和温度Tse＜-30℃，此时控制方法同S3，但除霜周期为30min；
S05、检测符合退出除霜条件，系统根据不同工况进入制热运行模式。
本发明采用补气增焓技术，使电动汽车空调系统可以在较低环境温度下持续运行，将系统运行温度扩大至-35℃-55℃之间。避免了除霜运行过程中制热切换到制冷时室内温度降低以及压缩机4带液，提高了人体舒适性和压缩机4的运行可靠性。
本发明采用旁通支路除霜和逆循环除霜相结合，并且有效缩短了除霜时间。解决了低温型电动汽车空调冬季结霜问题，有效避免了化霜期间车内侧停止制热问题；解决了室外环境温度较低时，常规电动汽车空调制热效果差、无法制热问题。
有益效果：
本发明具有至少以下有益效果：
本发明提供的车辆热泵空调系统及其控制方法。本发明通过第一(板式)换热器和对压缩机4进行补气(补气增焓压缩机4)将制冷剂分成两路，补气回路制冷剂为压综机进行补气，主流路继续换热运行。并通过补气回路制冷剂来冷却主流路中的制冷剂，提高输气量，降低压缩机4的排气温度。本发明的热泵空调系统还通过构建旁通支路的方式，使本发明的空调系统可在逆循环除霜控制和旁通除霜控制之间切换，可根据结霜量的不同，采用不同除霜控制，从而提高除霜效率。
以上具体地示出和描述了本公开的示例性实施例。应可理解的是，本公开不限于这里描述的详细结构、设置方式或实现方法；相反，本公开意图涵盖包含在所附权利要求的精神和范围内的各种修改和等效设置。

Claims (4)

1.一种车辆热泵空调系统，包括车内换热器(2)，车外换热器(5)，第一换热器，压缩机(4)，四通换向阀(3)，其特征在于：
压缩机(4)的排气口与四通换向阀(3)的第一端口连通，压缩机(4)的进气口与四通换向阀(3)的第二端口连通，四通换向阀(3)的第三端口通过第一支管与车内换热器(2)的进口A连通，车内换热器(2)的出口B通过第二支管与第一换热器的进口E连通，第一换热器的出口F通过第三支管与车外换热器(5)的进口C连通，车外换热器(5)的出口D通过第四支管与四通换向阀(3)的第四端口连通；第三支管上设有第一节流装置(7)；
第二支管上还连接有第一补气支管，第一补气支管上设有第二节流装置(9)，第一补气支管的一端连接在第二支管上，另一端与第一换热器的进口G连通，第一换热器的出口H与压缩机(4)的补气进口连通；
所述车辆热泵空调系统还包括第五支管、第六支管，第五支管的一端与压缩机(4)的排气口连通，另一端与车外换热器(5)的进口C连通；第六支管的一端与车外换热器(5)的出口D连通，第六支管的另一端连通车内换热器(2)的出口B，第六支管上设有冷媒加热装置(11)和第四节流装置(10)；
所述压缩机(4)的进气口与四通换向阀(3)的第二端口之间还设有气液分离器(1)；
当车辆热泵空调系统制冷模式运行时，从压缩机(4)出来高温高压液态制冷剂，经过四通换向阀(3)，进入车外换热器(5)中冷凝放热后，此时高温高压的液态制冷剂经过第一节流装置(7)，节流降压后，流经第一换热器(6)进入车内换热器(2)，再次经过四通换向阀(3)进入气液分离器(1)，吸入压缩机(4)完成一个制冷循环；该模式下第一节流装置(7)开度由PI控制自动调节，第二、三、四节流装置开度调节为0；
当车辆热泵空调系统制热模式运行时，从压缩机(4)出来高温高压液态制冷剂，经过四通换向阀(3)，进入车内换热器(2)中冷凝放热，达到加热车内空气的目的，此时高温高压的液态制冷剂流经第一换热器(6)，在第一节流装置(7)处节流降压后，进入车外换热器(5)，再次经过四通换向阀(3)进入气液分离器(1)，吸入压缩机(4)完成一个制热循环；该模式下第一节流装置(7)开度由PI控制自动调节，第二、三、四节流装置开度调节为0；
当室外环境温度低于-10℃时，车辆热泵空调系统进入低温制热模式，从压缩机(4)出来的高温高压液态制冷剂，经过四通换向阀(3)，进入车内换热器(2)中冷凝放热；从车内换热器(2)出口出来的制冷剂分成两路，分别为主路和中间补气支路：中间补气支路的液态制冷剂通过第二节流装置(9)节流降压至中温中压的气液混合状态，并在第一换热器吸收主路高温高压制冷剂的热量蒸发为气态，最后进入压缩机(4)；经过第一换热器(6)过冷的主路制冷剂由第一节流装置(7)节流后变为低温低压的气液混合状态，流入车外换热器(5)吸收外环境的热量变为低压气体，再经过气液分离器(1)，进入到压缩机(4)完成一个制热循环；该模式下第一、二节流装置开度由PI控制自动调节，第三、四节流装置开度调节为0；
车辆热泵空调系统制热运行一段时间后，车外换热器(5)表面开始结霜，当达到设定除霜要求时机组进入化霜阶段，但除霜期间系统不停机，当检测到结霜量较大时，采用逆循环除霜，四通换向阀(3)换向，系统由制热模式转为制冷模式；当室外换热器结霜量较小时，采用旁通除霜控制，四通换向阀(3)不换向，第一节流装置(7)和第二节流装置(9)开度调节为0，压缩机(4)的高温排气一部分经过旁通支路直接进入室外换热器进行除霜，另一路制冷剂经过四通换向阀(3)、车内换热器进入第四节流装置(10)，经第四节流装置(10)节流降压后，进入冷媒加热装置(11)蒸发，然后通过四通换向阀(3)，经过气液分离器(1)进入到压缩机(4)内，最后回到车内换热器(2)，完成一个循环；通过控制第三节流装置(8)和第四节流装置(10)的开度来调节除霜时车内的制热量。
2.一种如权利要求1所述的车辆热泵空调系统，其特征在于：所述第一换热器为板式换热器(6)。
3.一种针对权利要求1或2所述车辆热泵空调系统的除霜控制方法，其特征在于：包括如下步骤：
S01：车辆热泵空调系统制热模式运行时，当压缩机(4)累计上电运行时间、室外环境温度及低压饱和温度均达到各自的预设值时，系统进入到除霜运行控制。
4.根据权利要求3所述车辆热泵空调系统的除霜控制方法，其特征在于：除霜运行控制包括：其中室外环境温度记为Tout，低压对应饱和温度记为Tse；
当Tout≥第一预设温度，且
Figure FDA0002784694170000031
时，进入旁通除霜控制；
当第二预设温度≤Tout＜第一预设温度，且
Figure FDA0002784694170000041
Figure FDA0002784694170000042
时，进入逆循环除霜控制，除霜周期为第一预设时间；
当室外环境温度Tout＜第二预设温度时，且低压对应饱和温度Tse＜第一预设值，进入逆循环除霜控制，但除霜周期为第二预设时间。
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