CN112172456A - 一种电动汽车热泵空调除霜控制系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种电动汽车热泵空调除霜控制系统及方法,首先判定在空调系统状态下是否需要除霜,如果需要除霜,对电机入水口温度进行判断,如果电机入水口温度大于T2摄氏度,则使用余热回收除霜;如果电机入水口温度小于T2摄氏度,则切换为逆循环除霜阶段,直到除霜阶段结束后,进入制热模式。本发明解决了电动汽车由于外部换热器结霜导致空调系统COP下降,制热能力衰减,并且利用电机余热进行除霜,降低了电池能量消耗。

Description

一种电动汽车热泵空调除霜控制系统及方法
技术领域
本发明涉及新能源汽车除霜领域技术,具体涉及一种除霜控制系统和除霜控制方法。
背景技术
新能源汽汽车的能量来源为电池,在冬季温度降低时,乘员舱制热通过空调来进行制热。与传统汽车不同,传统燃油车由于发动机运转,可以通过吸收冷却水的废热来进行制热,而新能源汽车仅仅只能通过空调进行制热,所以对电池续航影响十分明显。
然而,在低温环境下进行制热时,车外换热器由于在制热的时候,容易凝结厚厚的霜,使得外部换热器的换热效率急剧下降,增加了压缩机的能耗,制热效率大大降低,使得电池能源浪费。在这种背景下,除霜和节能显得尤为重要。
常见的按时除霜控制法,温度-时间除霜控制法会存在误除霜,仅仅根据时间,或者温度进行除霜,仅仅检测换热器温度进行除霜,这会导致一定的误除霜,浪费电动汽车能源。
发明内容
鉴于此,本发明提供了一种控制除霜的控制系统,解决了电动汽车由于外部换热器结霜导致空调系统cop下降,制热能力衰减。利用电机运行产生的废热或者采用逆循环进行外部换热器除霜。本发明还提供了一种相应的控制方法。
为了实现上述目的,本发明采用的技术方案是:一种电动汽车热泵空调除霜控制系统,包括电机余热除霜回路和逆循环除霜回路,其中所述电机余热除霜回路包括热泵、空调箱的内部换热器Ⅱ、电子膨胀阀Ⅰ、外部换热器、电子膨胀阀Ⅲ、Chiller和储液罐,热泵的输出端与内部换热器Ⅱ的一端连接,内部换热器Ⅱ的另一端通过电子膨胀阀Ⅰ与外部换热器第一端连接,外部换热器第二端通过电子膨胀阀Ⅲ与Chiller的制冷剂输入端连接,Chiller的制冷剂输出端与储液罐的输入端连接,储液罐的输出端与热泵的输入端连接,从而构成电机余热除霜回路。
所述逆循环除霜回路包括电子膨胀阀Ⅳ和空调箱的内部换热器Ⅰ,电子膨胀阀Ⅳ的一端与外部换热器第二端连接,电子膨胀阀Ⅳ的另一端与内部换热器Ⅰ的一端连接,内部换热器Ⅰ的另一端输入储液罐,从而由热泵、空调箱的内部换热器Ⅱ、电子膨胀阀Ⅰ、外部换热器、电子膨胀阀Ⅳ、空调箱的内部换热器Ⅰ和储液罐构成逆循环除霜回路。
进一步上述方案中,内部换热器Ⅱ和内部换热器Ⅰ通过设置在空调箱内的风门选择内部换热器Ⅱ或内部换热器Ⅰ进行换热。
进一步,所述Chiller接入电机的水冷回路,可以对电机水路进行换热。其作用是通过电子膨胀阀Ⅲ节流后,通过电机除霜回路吸收电机水路的余热。
在上述方案中,所述电机余热除霜回路工作时,电子膨胀阀Ⅰ处于节流状态,电子膨胀阀Ⅲ全开。所述逆循环除霜回路工作时,电子膨胀阀Ⅰ全开,电子膨胀阀Ⅳ处于节流状态。
本发明还提供了一种电动汽车热泵空调除霜系统的控制方法,包括以下步骤:
(1)热泵空调工作在低温制热模式下,对外部换热器盘管的温度进行判定,如果外部换热器盘管的温度大于或者等于T1℃(T1为外部换热器开始结霜的温度即结霜温度临界点,小于0℃),则继续进行制热;如果外部换热器盘管温度小于T1℃,然后判定电机入水口温度。
(2)如果电机入水口温度小于T2℃,采用逆循环除霜回路除霜,直到除霜结束条件满足。
(3)如果电机入水口温度大于或者等于T2℃,先采用电机余热除霜回路除霜,在电机入水口温度小于T3℃时,则切换到逆循环除霜回路除霜,否则使用电机余热除霜回路除霜,直到除霜结束条件满足。
进一步,所述除霜结束条件为:逆循环除霜回路除霜或者电机余热除霜回路除霜运行t2分钟,或者满足外部换热器盘管温度大于T4℃(T4为蒸发器正常工作温度,其温度值大于0摄氏度),对AC开关进行判定;
如果AC指令关闭,则进入停机状态,如果AC指令没关闭,则继续进入电动汽车热泵空调制热。
本发明的除霜方法结合时间和温度,通过利用电机余热用于除霜,在无余热的时候进行逆循环除霜,不仅能够保证正常制热的运行,还能够以用电机余热用于除霜,降低了电池能量消耗。
现有技术中新能源电动汽车都是采用PTC(Positive Temperature Coefficient)加热水的方式,对外部换热器进行除霜,而PTC是通过电阻丝进行加热除霜,能耗比较高,会额外消耗电动汽车电池能耗,而本发明利用电动汽车在行驶过程中,电机的废热,通过chiller回收除霜,而不需要增加额外的能源消耗,本发明通过电机余热回收除霜和逆循环除霜的方式结合,在电机水路温度大于等于T2℃的时候,进行电机余热除霜,而小于T2℃的时候,进行逆循环除霜。在逆循环除霜的过程中,如果水温低于3摄氏度,就切换为逆循环除霜,既可以保证除霜效果,也可以消除在除霜过程中发生余热回收除霜和逆循环除霜模式控制的振铃现象。
本除霜过程中,电子膨胀阀Ⅲ4和电子膨胀阀Ⅳ9均采用外部换热器3 出口的过热度的控制。过热度控制可以保证内部换热器充分散热,而且能保证热泵在良好工况下运转,并且压缩机出口压力也不会过高,压缩机出口压力在最优控制范围内运行,从而使得压缩机保持在最优COP工况附近进行。控制的过热度设定为Ts为5℃。过热度的设定一般不易过大,过大过热度导致干蒸汽比较多,造成能源的浪费。其中通过外部换热器出口的压力对应的查表的干饱和温度设定为Tp,外部换热器出口的实际温度为 Tr。设定电子膨胀阀初始开度为Sini(初始开度的确定可以有电子膨胀阀的特性确定,也可以通过实验室实验标定确定范围),在控制过程中的开度为S,每次电子膨胀阀的运动增量为ΔS。
在空调最运行开始的时候,S=Sini
4℃<Tr+Ts-Tp,电子膨胀阀开度S=Sini+3xΔS;
2℃<Tr+Ts-Tp<=4℃,电子膨胀阀开度S=Sini+2xΔS;
1℃<Tr+Ts-Tp<=2℃,电子膨胀阀开度S=Sini+ΔS;
-1℃<=Tr+Ts-Tp<=1℃,电子膨胀阀开度S保持不变;
-2℃<Tr+Ts-Tp<=-1℃,电子膨胀阀开度S=Sini-ΔS;
-4℃<Tr+Ts-Tp<=-2℃,电子膨胀阀开度S=Sini-2xΔS;
Tr+Ts-Tp<-4℃;电子膨胀阀开度S=Sini-3xΔS;
其中为了防止电子膨胀阀步进过快,引起空调系统动作过快,每次调整电子膨胀阀开度的周期T(T设定可以根据电子膨胀阀的步进量程或者空调系统的性能适当改变)。
附图说明
图1是本发明的控制系统示意图;
图2是本发明的除霜控制方法流程图。
具体实施方式
为了使本领域的技术人员更好地理解发明的技术方案,下面结合附图对本发明作进一步的详细介绍。
如图1所示,一种电动汽车热泵空调除霜控制系统,包括电机余热除霜回路和逆循环除霜回路,其中所述电机余热除霜回路包括热泵7、空调箱的内部换热器Ⅱ1、电子膨胀阀Ⅰ2、外部换热器3、电子膨胀阀Ⅲ4、Chiller(换热器)5 和储液罐6,热泵7的输出端与内部换热器Ⅱ1的一端连接,内部换热器Ⅱ1的另一端通过电子膨胀阀Ⅰ2与外部换热器3第一端连接,外部换热器3第二端通过电子膨胀阀Ⅲ4与Chiller5的制冷剂输入端连接,Chiller5的制冷剂输出端与储液罐6的输入端连接,储液罐6的输出端与热泵7的输入端连接,从而构成电机余热除霜回路;所述Chiller5的水路接口接入电机的水冷回路。
所述逆循环除霜回路包括电子膨胀阀Ⅳ9和空调箱的内部换热器Ⅰ8,电子膨胀阀Ⅳ9的一端与外部换热器3第二端连接,电子膨胀阀Ⅳ9的另一端与内部换热器Ⅰ8的一端连接,内部换热器Ⅰ8的另一端输入储液罐6,从而由热泵7、空调箱的内部换热器Ⅱ1、电子膨胀阀Ⅰ2、外部换热器3、电子膨胀阀Ⅳ9、空调箱的内部换热器Ⅰ8和储液罐6构成逆循环除霜回路。
所述空调箱内有风门,可以调节风门进行内部换热器Ⅱ1,或者内部换热器Ⅰ8进行换热。
所述电机余热除霜的系统原理为:热泵7运行,将高温高压气体流入内部换热器Ⅱ1,其中内部换热器Ⅱ1不换热,制冷剂流向电子膨胀阀Ⅰ2。电子膨胀阀Ⅰ2回路处于全开状态,制冷剂通过电子膨胀阀Ⅰ2后,流向外部换热器进行除冰,最后制冷剂从电子膨胀阀Ⅲ4流向chiller5,其中电子膨胀阀Ⅲ4处于节流状态,电子膨胀阀Ⅳ9处于关闭状态,chiller5换热器通过吸收电机水冷回路余热,制冷剂吸收余热后流向储液罐6,最后回到热泵7。然后重复运行。
电机余热回收除霜主要是利用电动汽车在低温运行时,对电机的余热进行利用,对外部换热器进行除霜,其运行条件为电机入水口温度大于10℃时,进行余热回收利用。
所述逆循环除霜回路的系统原理为:制冷剂通过热泵7进入到内部换热器Ⅱ1流向经济器,再流向电子膨胀阀Ⅰ2,其中电子膨胀阀Ⅰ2全开不节流,然后流向外部换热器3,再通过节流电子膨胀阀Ⅳ9流向内部换热器Ⅰ8,制冷剂流向内部换热器Ⅰ8后流向储液罐6,最后流回热泵7。然后重复运行。
需要说明的是:热泵7(压缩机)出口排出高温高压的气体,外部换热器3 通过放热或吸热实现制冷或制热过程。
具体地,制热:电子膨胀阀Ⅰ2节流,外部换热器3吸热,内部换热器Ⅱ1 放热。电子膨胀阀Ⅳ9全开,电子膨胀阀Ⅲ4关闭。
逆循环除霜:电子膨胀阀Ⅰ2全开,外部换热器3放热,内部换热器Ⅰ8吸热。电子膨胀阀Ⅳ9节流,电子膨胀阀Ⅲ4关闭。由于电子膨胀阀Ⅰ2全开,高温高压的气体流入外部换热器3后,可以融霜,再经过电子膨胀阀Ⅳ9吸收乘员舱的热量,由于空调箱的模式风门在除霜时候是制热端(在内部换热器Ⅱ1),内部换热器Ⅰ8换热较少,乘员舱温度不会大幅度减少,形成逆循环除霜。而在逆循环除霜前进行了一段时间制热(20多分钟),乘员舱内部温度较高,可以使用部分热量进行除霜,提高制热性能。
电机余热除霜:电子膨胀阀Ⅰ2全开,外部换热器3放热,内部换热器Ⅱ1 吸热。电子膨胀阀Ⅳ9关闭,电子膨胀阀Ⅲ4节流。
制冷过程和逆循环除霜类似:电子膨胀阀Ⅰ2全开,外部换热器3放热,内部换热器Ⅱ1吸热。电子膨胀阀Ⅳ9节流,电子膨胀阀Ⅲ4关闭。内部换热器Ⅰ8 如果风机大,换热多,对乘员舱制冷。
为保证乘员舱内温度舒适度,以及保证除霜效果,在除霜过程中,空调箱中的风机可以适当降低运行速度。。
逆循环除霜时针对于电机无法进行余热利用时,对系统除霜的一种常规手段,在进行逆循环除霜的时候,有两种情况,一种是在进行电机入水口温度小于10℃度的时候进行,或者在电机余热除霜时,电机温度不够,则切换为逆循环除霜。
结合图2所示,本发明提供了一种除霜控制方法,其包括以下步骤:
a.电动汽车热泵空调由于在低温制热模式下才会存在除霜行为,在低温制热模式下,先使得制热运行20min。运行20分钟后,然后对外部换热器盘管的温度进行判定。
b.如果外部换热器盘管的温度大于或者等于T1℃(T1为外部换热器开始结霜的温度即结霜温度临界点,小于0℃。本实施例中为-3℃),则继续进行制热;如果外部换热器盘管温度小于T1℃,然后对电机入水口温度进行判定。
c.如果电机入水口温度小于小于T2℃(本实施例中为10℃),直接进入使用逆循环除霜,直到除霜结束条件满足。
d.如果电机入水口温度大于或者等于T2℃,先进入电机余热除霜,在电机入水口温度小于T3℃(本实施例中为2℃)时,则切换到逆循环除霜,否则使用电机余热除霜,直到除霜结束条件满足.
e.在你逆循环除霜或者电机余热除霜满足运行5分钟,或者满足外部换热器盘管温度大于T4℃(本实施例中为20℃),对AC开关进行判定。
f.如果AC指令关闭,则进入停机状态,如果AC指令没关闭,则继续进入电动汽车空调制热。
在控制过程中,制热时间t1分钟为经验值,一般制热除霜的周期要大于等于25分钟,才不会使得除霜过于频繁而浪费电池的能源。
在判定除霜结束的条件外部换热器盘管温度和除霜时间可根据制热系统进行调整,除霜时间可以设置大于t2分钟,并且外部盘管温度也可以根据不同的外部换热器特性进行调整,从而达到最佳的除霜结束条件。
以上通过说明的方式描述了本发明的某些示范性实施,对于本领域的普通技术人员,在不偏离本发明的精神和范围的请款管辖,可以用各种不同的方式对描述的实施例进行修正,因此,上述附图和描述在本质上使说明性的,不应理解为对本发明权利要求保护范围的限制。

Claims (9)

1.一种电动汽车热泵空调除霜控制系统,其特征在于:包括电机余热除霜回路和逆循环除霜回路,其中所述电机余热除霜回路包括热泵(7)、空调箱的内部换热器Ⅱ(1)、电子膨胀阀Ⅰ(2)、外部换热器(3)、电子膨胀阀Ⅲ(4)、Chiller(5)和储液罐(6),热泵(7)的输出端与内部换热器Ⅱ(1)的一端连接,内部换热器Ⅱ(1)的另一端通过电子膨胀阀Ⅰ(2)与外部换热器(3)第一端连接,外部换热器(3)第二端通过电子膨胀阀Ⅲ(4)与Chiller(5)的制冷剂输入端连接,Chiller(5)的制冷剂输出端与储液罐(6)的输入端连接,储液罐(6)的输出端与热泵(7)的输入端连接,从而构成电机余热除霜回路;
所述逆循环除霜回路包括电子膨胀阀Ⅳ(9)和空调箱的内部换热器Ⅰ(8),电子膨胀阀Ⅳ(9)的一端与外部换热器(3)第二端连接,电子膨胀阀Ⅳ(9)的另一端与内部换热器Ⅰ(8)的一端连接,内部换热器Ⅰ(8)的另一端输入储液罐(6),从而由热泵(7)、空调箱的内部换热器Ⅱ(1)、电子膨胀阀Ⅰ(2)、外部换热器(3)、电子膨胀阀Ⅳ(9)、空调箱的内部换热器Ⅰ(8)和储液罐(6)构成逆循环除霜回路。
2.根据权利要求1所述一种电动汽车热泵空调除霜控制系统,其特征在于:所述内部换热器Ⅱ(1)和内部换热器Ⅰ(8)通过设置在空调箱内的风门选择内部换热器Ⅱ(1)或内部换热器Ⅰ(8)进行换热。
3.根据权利要求1所述一种电动汽车热泵空调除霜控制系统,其特征在于:所述Chiller(5)接入电机的水冷回路。
4.根据权利要求1所述一种电动汽车热泵空调除霜控制系统,其特征在于:所述电机余热除霜回路工作时,电子膨胀阀Ⅰ(2)处于节流状态,电子膨胀阀Ⅲ(4)全开。
5.根据权利要求1所述一种电动汽车热泵空调除霜控制系统,其特征在于:所述逆循环除霜回路工作时,电子膨胀阀Ⅰ(2)全开,电子膨胀阀Ⅳ(9)处于节流状态。
6.利用权利要求1-5任一项所述电动汽车热泵空调除霜控制系统的控制方法,其特征在于,包括以下步骤:
(1)热泵空调工作在低温制热模式下,对外部换热器盘管的温度进行判定,如果外部换热器盘管的温度大于或者等于T1℃,T1为外部换热器结霜温度临界点,小于0℃,则继续进行制热;如果外部换热器盘管温度小于T1℃,然后判定电机入水口温度;
(2)如果电机入水口温度小于T2℃,采用逆循环除霜回路除霜,直到除霜结束条件满足;
(3)如果电机入水口温度大于或者等于T2℃,先采用电机余热除霜回路除霜,在电机入水口温度小于T3℃时,则切换到逆循环除霜回路除霜,否则使用电机余热除霜回路除霜,直到除霜结束条件满足。
7.根据权利要求6所述一种电动汽车热泵空调除霜系统的控制方法:其特征在于:所述除霜结束条件为:逆循环除霜回路除霜或者电机余热除霜回路除霜运行t2分钟,或者满足外部换热器盘管温度大于T4℃,对AC开关进行判定;
如果AC指令关闭,则进入停机状态,如果AC指令没关闭,则继续进入电动汽车热泵空调制热。
8.根据权利要求6或7所述一种电动汽车热泵空调除霜系统的控制方法:其特征在于:所述逆循环除霜回路除霜的过程如下:制冷剂通过热泵(7)进入到内部换热器Ⅱ(1)流向经济器,再流向电子膨胀阀Ⅰ(2),其中电子膨胀阀Ⅰ(2)全开,然后流向外部换热器(3),再通过节流电子膨胀阀Ⅳ(9)流向内部换热器Ⅰ(8),制冷剂流向内部换热器Ⅰ(8)后流向储液罐(6),最后流回热泵(7)。
9.根据权利要求6或7所述一种电动汽车热泵空调除霜系统的控制方法:其特征在于:所述电机余热除霜回路除霜的过程如下:热泵(7)运行,将高温高压气体流入内部换热器Ⅱ(1),其中内换热器Ⅱ(1)不换热,电子膨胀阀Ⅰ(2)回路处于节流状态,制冷剂通过节流电子膨胀阀Ⅰ(2)后,流向外部换热器进行除冰,最后制冷剂从电子膨胀阀Ⅲ(4)流向chiller(5),其中电子膨胀阀Ⅲ(4)全开,chiller(5)换热器通过吸收电机水冷回路余热,制冷剂吸收余热后流向储液罐(6),最后回到热泵(7)。
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