CN112706581A - 跨临界二氧化碳电动客车空调系统及控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种跨临界二氧化碳电动客车空调系统及控制方法，系统包括：压缩机的出口连接四通换向阀的第一端口，四通换向阀的第二端口连接室外换热器一端，室外换热器的另一端通过回热器的第二通道连接膨胀机的入口；膨胀机的出口连接第一三通电磁阀的第一端口；第一三通电磁阀的第二端口连接第二三通电磁阀的第二端口，第二三通电磁阀的第一端口通过室内换热器连接四通换向阀的第三端口，四通换向阀的第四端口连接气液分离器入口，气液分离器出口通过回热器的第一通道连接压缩机的入口。采用自然工质CO2作为制冷剂，解决现有卤代烃制冷剂污染环境的技术问题。

Description

跨临界二氧化碳电动客车空调系统及控制方法
技术领域
本发明属于客车空调领域，特别涉及一种跨临界二氧化碳电动客车空调系统及控制方法。
背景技术
现如今，人民环保意识的增强、能源的短缺以及国际局势的动荡使得开发无污染的新能源汽车成为国际及社会关注的焦点。对于可持续战略来讲，开发出清洁、高效、无污染的新能源汽车成为未来交通工具发展的必经之路。纯电动汽车与传统的燃油汽车相比，具有低碳、环保和节能的明显优势，这使得电动汽车受到了越来越广泛的关注。电动汽车是未来汽车的发展方向，电动客车则成为了绿色城市的标志之一。目前，制约电动客车发展的主要问题之一是电池续航能力不足，作为客车能耗最大的附属部件，空调系统的耗电量将会使得客车的续航里程极大地降低，因此一套环保、节能、高效的空调系统对于电动客车产业推广具有重要的意义。
当今世界面临着非常严峻的环境问题，传统卤代烃制冷剂(HCFCS、HFCS)被认为是导致臭氧层破坏的主要原因之一，因此寻找一种节能环保的绿色制冷方式成为重要任务。
发明内容
本发明的目的在于提供一种跨临界二氧化碳电动客车空调系统及控制方法，采用绿色制冷方式解决现有卤代烃制冷剂污染环境的技术问题，并针对于跨临界二氧化碳制冷系统性能差的问题提出在系统中运用变频压缩膨胀一体机的解决方案。针对此新型跨临界二氧化碳电动客车空调系统本发明还提出最优膨胀机与压缩机输气量之比，解决膨胀-压缩一体机的设计难题；此外基于已设计好的实际CO2跨临界电动客车空调系统提出最优控制方案，以增强电动客车在运行时电池续航能力。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
跨临界二氧化碳电动客车空调系统，包括：室外换热器、压缩机、膨胀机、四通换向阀、气液分离器、室内换热器和回热器；
压缩机的出口连接四通换向阀的第一端口，四通换向阀的第二端口连接室外换热器一端，室外换热器的另一端通过回热器的第二通道连接膨胀机的入口；膨胀机的出口连接第一三通电磁阀的第一端口；第一三通电磁阀的第二端口连接第二三通电磁阀的第二端口，第二三通电磁阀的第一端口通过室内换热器连接四通换向阀的第三端口，四通换向阀的第四端口连接气液分离器入口，气液分离器出口通过回热器的第一通道连接压缩机的入口；
第一三通电磁阀的第三端口连接室外换热器的另一端；第二三通电磁阀的第三端口连接电子膨胀阀的入口；
回热器的第二通道与膨胀机的入口之间设有电子膨胀阀和单向阀。
本发明进一步的改进在于：还包括电机；压缩机、电机、膨胀机三者集合为同轴的压缩-膨胀一体机。
本发明进一步的改进在于：所述电机为变频电机。
本发明进一步的改进在于：在不同的设计工况下存在不同的最优膨胀机与压缩机理论容积输气量之比，可根据不同应用地区的具体气候特点、电机额定转速与膨胀机和压缩机的等熵效率对此一体机进行最优设计，此压缩-膨胀一体机具有变频功能。
本发明进一步的改进在于：所述跨临界二氧化碳电动客车空调系统括两台压缩机；两台压缩机串联。
本发明进一步的改进在于：所述跨临界二氧化碳电动客车空调系统还包括油泵；两台压缩机、油泵、电机、膨胀机共用一根主轴；所述油泵用于给压缩机提供润滑油；两台压缩机和油泵的动力来自膨胀机的膨胀功和电机的输入电功。
本发明进一步的改进在于：还包括设置于室内换热器处的PTC电加热装置。
进一步的，压缩-膨胀一体机中包含两台压缩机、一台膨胀机，一个油泵和一台三相电机，四机及油泵共用一根主轴；三相电机保证膨胀部分与压缩部分转速相同，两台压缩机和油泵的动力来自膨胀机的膨胀功和电机的输入电功。
进一步的，压缩-膨胀一体机可在一定范围内进行无极变频调节。
本发明进一步的改进在于：对于CO2跨临界制冷系统，由于CO2在超临界区物性的特殊性，高压侧放热过程中由于单位温度变化造成的焓差变化是随气体冷却器出口温度的降低为非均等变化过程，导致跨临界CO2客车空调系统在不同的膨胀机与压缩机输气量之比下存在最优能效比，此最优的膨胀机与压缩机的输气量之比的主要影响因素为设计工况，压缩-膨胀一体机转速，膨胀机等熵效率和压缩机等熵效率。即：
θ＝f(T0,f1,ηe,ηc)
其中：θ——膨胀机与压缩机理论容积输气量之比；
T0——制冷模式设计室外环境温度；
f1——压缩-膨胀一体机设计工况下额定转速；
ηe——膨胀机在设计工况下的等熵效率；
ηc——一级压缩机在设计工况下的等熵效率。
通过上述公式计算得到最优能效比下膨胀机与压缩机理论容积输气量之比后，即可确定膨胀机与一级压缩机的容积之比，进而确定膨胀-压缩一体机的具体结构尺寸。
本发明进一步的改进在于：制冷模式状态下，四通换向阀的第三端口和第四端口连通；四通换向阀的第一端口和第二端口连通；第一三通电磁阀的第一端口和第二端口连通；第二三通电磁阀的第二端口和第一端口连通；
CO2从室内换热器流出后通过四通换向阀第三端口和第四端口连通形成的第一通道进入气液分离器进行气液分离，通过回热器吸热后进入压缩机进行压缩；压缩后的高温高压CO2流体通过四通换向阀的第一端口和第二端口连通构建的第二通道进入室外换热器与室外空气进行强制对流换热，冷却后的CO2流体通过回热器的第二通道进行过冷后通过单向阀与电子膨胀阀进入膨胀机进行膨胀；此后低温低压的CO2流体通过第一三通电磁阀的第一端口、第二端口建立的第一通道，第二三通电磁阀的第二端口、第一端口建立的第一通道回到室内换热器的入口，完成制冷循环。
本发明进一步的改进在于：制热模式状态下，四通换向阀的第二端口和第四端口连通；四通换向阀的第一端口和第三端口连通；第一三通电磁阀的第一端口和第三端口连通；第二三通电磁阀的第三端口和第一端口连通；CO2流体从室外换热器一端流出后通过四通换向阀的第二端口、第四端口连通构建的第三通道进入气液分离器中进行气液分离，随后CO2流体流经回热器第一通道进入压缩机中进行压缩；压缩后的高温高压CO2流体通过四通换向阀的第一端口、第三端口连通构建的第四通道进入室内换热器，与室内空气进行强制对流换热；冷却后的CO2流体通过三通电磁阀的第一端口、第三端口连通构建的第二通道与电子膨胀阀进入膨胀机中进行膨胀；膨胀后的低温低压CO2流体通过三通电磁阀的第一端口、第三端口连通构建的第二通道回到室外换热器另一端，完成制热循环。
跨临界二氧化碳电动客车空调系统的控制方法，包括以下步骤：
制冷模式下，用户设定理想回风温度Tset后，压缩-膨胀一体机在额定转速下开始工作，此时监测环境温度T0是否与设计工况下环境温度Tdesign相同：
若T0>Tdesign，且系统运行稳定后监测实时回风温度TR与设定回风温度Tset不同，则根据此时的环境温度T0，设定回风温度Tset与膨胀机和压缩机的理论容积输气量之比θ按照此时的频率调节公式提高压缩-膨胀一体机频率，增大制冷量；若压缩-膨胀一体机频率f1达到最大值制冷量仍未达到理想状态，则减小电子膨胀阀开度，进一步增大制冷量，若排气压力最高达到12MPa则停止电子膨胀阀调节，此时达到此空调系统的最大制冷能力，在当前条件下运行；
若T0<Tdesign，且系统运行稳定后监测实时回风温度TR与设定回风温度Tset不同，则根据此时的环境温度T0，设定回风温度Tset与膨胀机和压缩机的理论容积输气量之比θ按照此时的频率调节公式降低电子膨胀阀频率，减小制冷量，直至T0＝Tdesign。
跨临界二氧化碳电动客车空调系统的控制方法，包括以下步骤：
在制冷模式下，与传统跨临界二氧化碳客车空调最优排压理论不同，本发明提出的系统能效比随着排气压力的降低而升高，因此通过调节一体机频率控制制冷量并保证排压处于较低水平更有利于节能；此外，本发明提出的系统能效与设计工况的选择息息相关，因此以设计工况环境温度为分界，膨胀压缩一体机频率调节公式不同；
Tdesign为压缩-膨胀一体机的设计室外环境温度，Tset为用户设定的回风温度，TR为实时监测的回风温度，T0为室外环境温度，f1为压缩-膨胀一体机频率，Pdis为压缩-膨胀一体机第一通道出口的压力，θ为膨胀机与压缩机理论容积输气量之比；用户设定理想回风温度Tset后，压缩-膨胀一体机在额定转速下开始工作，此时监测环境温度T0是否与设计工况下环境温度Tdesign相同，若T0>Tdesign，且系统运行稳定后监测实时回风温度TR与设定回风温度Tset不同，则根据此时的环境温度T0，设定回风温度Tset与膨胀机和压缩机的理论容积输气量之比θ提高一体机频率，增大制冷量；频率调节公式为：
f1＝f1(T0,Tset,θ)
其中：f1——压缩-膨胀一体机频率；
T0——运行过程中环境温度；
Tset——用户设定回风温度；
Θ——膨胀机与压缩机理论容积输气量之比；
若f1达到最大值制冷量仍未达到理想状态，则减小膨胀阀开度，进一步增大制冷量，处于安全考虑排气压力最高达到12MPa则停止膨胀阀调节，此时达到此空调系统的最大制冷能力，在当前条件下运行；
若T0<Tdesign，且系统运行稳定后监测实时回风温度TR与设定回风温度Tset不同，则根据此时的环境温度T0，设定回风温度Tset与膨胀机和压缩机的理论容积输气量之比θ降低一体机频率，减小制冷量，可大幅度减小功耗，节省电池里程；其频率调节公式为：
f2＝f2(T0,Tset,θ)
其中：f1——压缩-膨胀一体机频率；
T0——运行过程中环境温度；
Tset——用户设定回风温度；
Θ——膨胀机与压缩机理论容积输气量之比。
跨临界二氧化碳电动客车空调系统的控制方法，包括以下步骤：
制热模式下，用户设定理想回风温度Tset后，压缩-膨胀一体机在额定转速下开始工作，电子膨胀阀根据此时的压缩-膨胀一体机频率f1、设定回风温度Tset、室外环境温度T0自动调节至此条件下最优排气压力；系统运行稳定后监测实时回风温度TR是否与设定回风温度Tset相同：
若相同则在当前的转速与电子膨胀阀开度下持续运行；
若TR<Tset，则提高压缩-膨胀一体机频率f1，再次重新调节电子膨胀阀开度，使得排气压力达到最优值；若电子膨胀阀频率已达到最大值，且TR依然没有达到Tset，则开启PTC辅助电加热装置，补足所需热量；每次提高压缩-膨胀一体机频率调节电子膨胀阀开度后，若检测到最优排气压力大于11.5MPa或在此运行条件下压缩机排气温度超过115℃，则增大电子膨胀阀开度直到排气压力与温度均处于安全范围内；
若TR>Tset，系统自动根据此时的电子膨胀阀频率f1，设定回风温度Tset，室外环境温度T0减小电子膨胀阀开度，使运行制热量与所需制热量相匹配；若电子膨胀阀开至最大仍产生过余热量，则降低压缩-膨胀一体机频率，直至压缩-膨胀一体机频率达到最小值，并在当前条件下运行。
跨临界二氧化碳电动客车空调系统的控制方法，包括以下步骤：
Tset为用户设定的回风温度，TR为实时监测的回风温度，T0为室外环境温度，f1为压缩-膨胀一体机频率，Pdis与Tdis为压缩-膨胀一体机第一通道出口的压力与温度。带有压缩-膨胀一体机的跨临界二氧化碳电动客车空调系统在制热模式下的控制方法包括：
用户设定理想回风温度Tset后，压缩-膨胀一体机在额定转速下开始工作，膨胀阀根据此时的一体机频率f1、设定回风温度Tset、室外环境温度T0自动调节至此条件下最优排气压力；
Pdis＝f(Tset,T0,f1)
其中：Pdis——压缩机排气压力；
T0——室外环境温度；
f1——一体机转速。
系统运行稳定后监测实时回风温度TR是否与设定回风温度Tset相同，若相同则在当前的转速与膨胀阀开度下持续运行；若TR<Tset，则提高一体机频率f1，再次重新调节膨胀阀开度，使得排气压力达到最优值。若一体机频率已达到最大值，且TR依然没有达到Tset，则开启PTC辅助电加热装置，补足所需热量。出于安全考虑，每次提高一体机频率调节膨胀阀开度后，若检测到最优排气压力大于11.5MPa或在此运行条件下压缩机排气温度超过115℃，则增大膨胀阀开度直到排气压力与温度均处于安全范围内，其减少的热量通过PTC辅助电加热装置补足；
若TR>Tset，系统自动根据此时的一体机频率f1，设定回风温度Tset，室外环境温度T0减小膨胀阀开度，使运行制热量与所需制热量相匹配。若膨胀阀开至最大仍产生过余热量，则降低一体机频率，直至一体机频率达到最小值，并在当前条件下运行。
与现有技术相比，本发明有以下有益效果：
用压缩-膨胀一体机代替传统跨临界CO2客车空调系统中的压缩机与节流阀可以极大地提高跨临界CO2空调系统在制冷时的能效比，使其能效比达到甚至高于传统氟利昂类制冷剂系统；由于CO2跨临界空调系统在制热时的优异性能，其制热量与制热能效比远高于传统氟利昂类制冷剂系统，使得此系统的全年综合能效远高于普通氟利昂类制冷系统，极大节省电池功耗，增加客车续航能力，提高乘客热舒适性，在节能环保方面有巨大优势。
此客车空调的控制系统主要分为制冷与制热两种模式，在制冷模式中又通过实时环境温度与设计温度的不同分为两种控制模式，通过实时监测回风温度实现对系统的精准控制，使客车时刻处于制冷、制热量达标且功耗最低的状态。
压缩-膨胀一体机为一集成模块，结构紧凑轻巧，非常适用于容积有限的客车空调系统。
本发明系统克服了跨临界CO2系统在制冷模式下节流损失大，高压低效的问题，通过对实时回风温度、室外环境温度、设计环境温度以及用户设定回风温度的监控，精准调节一体机频率及排气压力，使其无论在制冷或制热模式下能效比均达到最高。此改进的电动客车空调系统在制冷模式下能效比达到甚至超过传统卤代烃制冷剂制冷系统的能效比，由于其优异的制热性能，全年综合能效比远高于传统卤代烃制冷剂电动客车空调系统，极大减少电池负担，提升电动客车热舒适性与续航里程。
附图说明
图1为本发明跨临界二氧化碳电动客车空调系统的原理图；
图2为本发明跨临界二氧化碳电动客车空调系统制热模式下控制方法流程图；
图3为传统跨临界二氧化碳电动客车空调系统不同膨胀阀开度下的压焓图；
图4为本发明跨临界二氧化碳电动客车空调系统不同膨胀阀开度下的压焓图；
图5为本发明跨临界二氧化碳电动客车空调系统制冷模式下控制方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，对本发明做进一步详细说明。
CO2作为一种自然工质，其GWP＝1，ODP＝0，被认为是最具有潜力的环保制冷剂。CO2作为制冷剂就要高密度、低黏度，流动损失小，传热效果良好等优点。除此之外，CO2用作客车空调制冷工质时，其最大的优势在于其制热能力。传统卤代烃制冷剂电动客车空调系统主要侧重于制冷模式，即使采用热泵型空调其在冬季采暖工况下，制热效率低，制热量小，仅依靠空调系统不足以满足乘客的舒适性需求，其往往使用低效的电加热装置补足制热能力。而CO2跨临界循环在制热时制热量大，能效高，在低温工况下仍然可以满足乘客的舒适性需求，极大节省电池耗电。然而CO2的临界温度仅为31.1℃，临界压力高达7.38MPa，导致运行压力高、节流损失大，其制冷能力弱于传统制冷工质。用膨胀机代替传统的节流阀，可以减少制冷剂进入蒸发器时的焓值，从而提高制冷量，并且膨胀功可以回收并转化为电能，为压缩机提供动力，有效减少功耗，有效增强电动客车在制冷模式的电池续航能力。
如今节能与环保已成为世界各国的发展主题。传统卤代烃制冷剂往往具有很高的GWP，已处于逐步淘汰的进程中。电动客车空调系统目前主要以卤代烃制冷剂为主，其主要侧重于制冷模式，即使采用热泵型空调其在冬季采暖工况下，制热效率低，制热量小，仅依靠空调系统不足以满足乘客的舒适性需求，其往往使用低效的电加热装置补足制热能力。而CO2跨临界循环在制热时制热量大，能效高，在低温工况下仍然可以满足乘客的舒适性需求，极大节省电池耗电。然而CO2的临界温度低，导致运行压力高、节流损失大，其制冷能力弱于传统制冷工质。用膨胀机代替传统的节流阀，可以减少制冷剂进入蒸发器时的焓值，从而提高制冷量，并且膨胀功可以回收并转化为电能，为压缩机提供动力，有效减少功耗，有效增强电动客车在制冷模式的电池续航能力。而仅利用一台单独的膨胀机代替节流装置，其体积大，制造成本高，控制困难，且其输出功不便于回收，需要一套辅助回收功率设备，若将其与压缩机集成为同轴一体机装置，可解决上述问题，且方便控制运行稳定。综上可知，带有膨胀-压缩一体机的跨临界二氧化碳电动客车空调系统相比于传统制冷剂系统在节能环保，增强电动客车电池续航能力以及紧凑结构和稳定运行方面具有极大的优势。
实施例1
请参阅图1所示，本发明提供一种跨临界二氧化碳电动客车空调系统，该空调系统带有压缩-膨胀一体机，具有制冷与制热两种模式，两种模式的切换由一个四通换向阀与两个三通电磁阀来实现。
本发明一种跨临界二氧化碳电动客车空调系统，包括：室外换热器1、压缩机2、电机3、膨胀机4、四通换向阀5、电子膨胀阀6、单向阀7、气液分离器8、室内风机9、PTC电加热装置10、室内换热器11、回热器12、第一三通电磁阀13、第二三通电磁阀14、室外风机16。压缩机2、电机3、膨胀机4三者集合为同轴的压缩-膨胀一体机15。
压缩机2的出口连接四通换向阀5的第一端口，四通换向阀5的第二端口连接室外换热器1的一端，室外换热器1的另一端通过回热器12的第二通道连接膨胀机4的入口；膨胀机4的出口连接第一三通电磁阀13的第一端口；第一三通电磁阀13的第二端口连接第二三通电磁阀14的第二端口，第二三通电磁阀14的第一端口通过室内换热器11连接四通换向阀5的第三端口，四通换向阀5的第四端口连接气液分离器8入口，气液分离器8出口通过回热器12的第一通道连接压缩机2的入口。回热器12的第二通道与膨胀机4的入口之间设有电子膨胀阀6和单向阀7。
第一三通电磁阀13的第三端口连接室外换热器1的另一端；第二三通电磁阀14的第三端口连接电子膨胀阀6的入口。
制热模式时，当系统监测到空调系统无法达到所需制热量，开启设置于室内换热器11处的PTC电加热装置10，补充所需热量，满足车内热舒适性。
实施例2
本发明一种跨临界二氧化碳电动客车空调系统，制冷模式时，室内换热器11作为蒸发器使用，室外换热器1作为气体冷却器使用。
CO2从室内换热器11流出后通过四通换向阀5第三端口和第四端口连通形成的第一通道进入气液分离器8进行气液分离，通过回热器12吸热后进入压缩-膨胀一体机15的第一通道中进行压缩；压缩后的高温高压CO2流体通过四通换向阀5的第一端口和第二端口连通构建的第二通道进入室外换热器1，在室外风机16的作用下与室外空气进行强制对流换热，冷却后的CO2流体通过回热器12的第二通道进行过冷后通过单向阀7与电子膨胀阀6进入压缩-膨胀一体机15的第二通道中进行膨胀；此后低温低压的CO2流体通过第一三通电磁阀13的第一端口、第二端口建立的第一通道，第二三通电磁阀14的第二端口、第一端口建立的第一通道回到室内换热器11的入口，完成制冷循环。
实施例3
本发明一种跨临界二氧化碳电动客车空调系统，制热模式时，室内换热器11作为气体冷却器使用，室外换热器1作为蒸发器使用。
CO2流体从室外换热器1一端流出后通过四通换向阀5的第二端口、第四端口连通构建的第三通道进入气液分离器8中进行气液分离，随后CO2流体流经回热器12第一通道进入压缩-膨胀一体机15的第一通道中进行压缩；压缩后的高温高压CO2流体通过四通换向阀5的第一端口、第三端口连通构建的第四通道进入室内换热器11，与室内空气进行强制对流换热；冷却后的CO2流体通过三通电磁阀14的第一端口、第三端口连通构建的第二通道与电子膨胀阀6进入压缩-膨胀一体机15的第二通道中进行膨胀；膨胀后的低温低压CO2流体通过三通电磁阀13的第一端口、第三端口连通构建的第二通道回到室外换热器1另一端，完成制热循环。
制热模式时，当系统监测到空调系统无法达到所需制热量，开启PTC电加热装置10，补充所需热量，满足车内热舒适性。
实施例4
对于CO2跨临界制冷系统，由于CO2在超临界区物性的特殊性，高压侧放热过程中由于单位温度变化造成的焓差变化是随气体冷却器出口温度的降低为非均等变化过程，导致跨临界CO2客车空调系统在不同的膨胀机与压缩机输气量之比下存在最优能效比，此最优的膨胀机与压缩机的输气量之比的主要影响因素为设计工况，压缩-膨胀一体机转速，膨胀机等熵效率和压缩机等熵效率。即：
θ＝f(T0,f1,ηe,ηc)
其中：θ——膨胀机与压缩机理论容积输气量之比；
T0——制冷模式设计室外环境温度；
f1——压缩-膨胀一体机设计工况下额定转速；
ηe——膨胀机在设计工况下的等熵效率；
ηc——一级压缩机在设计工况下的等熵效率。
通过上述公式计算得到最优能效比下膨胀机与压缩机理论容积输气量之比后，即可确定膨胀机与一级压缩机的容积之比，进而确定膨胀-压缩一体机的具体结构尺寸。
实施例5
为使改进的带有压缩-膨胀一体机的跨临界二氧化碳电动客车空调系统能够在运行过程中高效稳定运行，达到功耗最低，对于其制热模式与制冷模式的控制进行如下说明：
系统在制热模式下控制过程如图2所示，Tset为用户设定的回风温度，TR为实时监测的回风温度，T0为室外环境温度，f1为压缩-膨胀一体机频率，Pdis与Tdis为压缩-膨胀一体机第一通道出口的压力与温度。在制热模式下，带有压缩-膨胀一体机的跨临界二氧化碳电动客车空调系统在制热模式下的控制方法包括：
用户设定理想回风温度Tset后，压缩-膨胀一体机在额定转速下开始工作，膨胀阀根据此时的一体机频率f1、设定回风温度Tset、室外环境温度T0自动调节至此条件下最优排气压力；
Pdis＝f(Tset,T0,f1)
其中：Pdis——压缩机排气压力；
T0——室外环境温度；
f1——一体机转速。
系统运行稳定后监测实时回风温度TR是否与设定回风温度Tset相同，若相同则在当前的转速与膨胀阀开度下持续运行；若TR<Tset，则提高一体机频率f1，再次重新调节膨胀阀开度，使得排气压力达到最优值。若一体机频率已达到最大值，且TR依然没有达到Tset，则开启PTC辅助电加热装置，补足所需热量。出于安全考虑，每次提高一体机频率调节膨胀阀开度后，若检测到最优排气压力大于11.5MPa或在此运行条件下压缩机排气温度超过115℃，则增大膨胀阀开度直到排气压力与温度均处于安全范围内，其减少的热量通过PTC辅助电加热装置补足。
若TR>Tset，系统自动根据此时的一体机频率f1，设定回风温度Tset，室外环境温度T0减小膨胀阀开度，使运行制热量与所需制热量相匹配。若膨胀阀开至最大仍产生过余热量，则降低一体机频率，直至一体机频率达到最小值，并在当前条件下运行。
图3为传统跨临界二氧化碳电动客车空调系统不同膨胀阀开度下的压焓图。由图可见，通常传统CO2跨临界客车空调在制冷模式时由于CO2在超临界区物性的特殊性，高压侧放热过程中由于单位温度变化造成的焓差变化是随气体冷却器出口温度的降低为非均等变化过程，即随着排气压力的升高，蒸发器内的焓差Δh1先增长迅速，后增长缓慢，而在压缩机内由于压缩过程造成的焓差Δh2增长幅度较为稳定，由能效比的定义可以看出，这种现象导致跨临界CO2客车空调系统存在使得系统能效比最高的最优排气压力。
跨临界客车空调在制冷模式时的能效比
Figure BDA0002882820450000131
其中：COP1——传统CO2跨临界客车空调制冷模式能效比
Δh1——蒸发器内的焓差；
Δh2——压缩机内压缩过程造成的焓差。
图4为带有压缩-膨胀一体机的跨临界二氧化碳电动客车空调系统不同膨胀阀开度下的压焓图。而对于带有压缩-膨胀一体机的跨临界CO2客车空调系统，其在制冷模式时的能效比为：
Figure BDA0002882820450000141
其中：COP2——带有压缩-膨胀一体机的CO2跨临界客车空调制冷模式能效比；
Δh1——蒸发器内的焓差；
Δh2——压缩机内压缩过程造成的焓差；
Δh3——膨胀机内膨胀过程造成的焓差。
由图可见在膨胀机等熵效率不过低时，随着压缩-膨胀一体机第二通道入口处膨胀阀开度的降低，其排气压力不断升高，系统蒸发器中的焓差Δh2与压缩机中压缩造成的焓差Δh1按照原有规律不断增大，但其节流损失越来越大，膨胀机压比减小，其内造成的焓差变化Δh3不断减小，三者综合结果导致随着排气压力的升高，制冷量的增大量小于压缩-膨胀一体机耗功的增大量，因此最优排气压力在此系统中不存在，系统能效比随着排气压力的降低而升高，因此对于带有压缩-膨胀一体机的跨临界CO2客车空调系统通过调节一体机频率控制制冷量且保证排压处于较低水平为更加节能的选择。此外由于压缩-膨胀一体机为压缩机与膨胀机公用一个公共轴，膨胀机的容积以及等熵效率比压缩机小，在改变其转速时，膨胀机对转速改变的敏感程度往往高于压缩机，即在降低转速时，膨胀机的膨胀效果相对增强，而在增加转速时，膨胀机的膨胀效果相对减弱，因此当实时环境温度高于设计工况温度时，一体机应提高频率，而当实时环境温度低于设计工况温度时，一体机应降低频率，此两种情况频率调节的公式参数也会相应发生变化。
系统在制冷模式下控制过程如图5所示，Tdesign为压缩-膨胀一体机的设计室外环境温度，Tset为用户设定的回风温度，TR为实时监测的回风温度，T0为室外环境温度，f1为压缩-膨胀一体机频率，Pdis为压缩-膨胀一体机第一通道出口的压力，θ为膨胀机与压缩机理论容积输气量之比。用户设定理想回风温度Tset后，压缩-膨胀一体机在额定转速下开始工作，此时监测环境温度T0是否与设计工况下环境温度Tdesign相同，若T0>Tdesign，且系统运行稳定后监测实时回风温度TR与设定回风温度Tset不同，则根据此时的环境温度T0，设定回风温度Tset与膨胀机和压缩机的理论容积输气量之比θ提高一体机频率，增大制冷量；频率调节公式为：
f1＝f1(T0,Tset,θ)
其中：f1——压缩-膨胀一体机频率；
T0——运行过程中环境温度；
Tset——用户设定回风温度；
Θ——膨胀机与压缩机理论容积输气量之比。
若f1达到最大值制冷量仍未达到理想状态，则减小膨胀阀开度，进一步增大制冷量，处于安全考虑排气压力最高达到12MPa则停止膨胀阀调节，此时达到此空调系统的最大制冷能力，在当前条件下运行。
若T0<Tdesign，且系统运行稳定后监测实时回风温度TR与设定回风温度Tset不同，则根据此时的环境温度T0，设定回风温度Tset与膨胀机和压缩机的理论容积输气量之比θ降低一体机频率，减小制冷量，可大幅度减小功耗，节省电池里程。其频率调节公式为：
f2＝f2(T0,Tset,θ)
其中：f1——压缩-膨胀一体机频率；
T0——运行过程中环境温度；
Tset——用户设定回风温度；
Θ——膨胀机与压缩机理论容积输气量之比。
本发明一种跨临界二氧化碳电动客车空调系统可以极大地提升跨临界CO2制冷循环的能效，通过在最优情况下对压缩-膨胀一体机进行设计，使其达到甚至超过传统卤代烃制冷剂电动客车空调系统在制冷模式的能效比。此外，在压缩-膨胀一体机的第二通道入口增加膨胀阀，用以实时精准调节跨临界CO2客车空调系统的排气压力，并保证制热模式时此系统的稳定运行。改进的跨临界二氧化碳电动客车空调系统可通过监测实时回风温度、室外环境温度、用户设定回风温度对压缩-膨胀一体机的频率及排气压力进行精准调节，使得系统在任意工况下均处于最优的能效状态，极大地降低能耗，提高电动客车续航里程。
由技术常识可知，本发明可以通过其它的不脱离其精神实质或必要特征的实施方案来实现。因此，上述公开的实施方案，就各方面而言，都只是举例说明，并不是仅有的。所有在本发明范围内或在等同于本发明的范围内的改变均被本发明包含。

Claims (10)

1.跨临界二氧化碳电动客车空调系统，其特征在于，包括：室外换热器(1)、压缩机(2)、膨胀机(4)、四通换向阀(5)、气液分离器(8)、室内换热器(11)和回热器(12)；
压缩机(2)的出口连接四通换向阀(5)的第一端口，四通换向阀(5)的第二端口连接室外换热器(1)一端，室外换热器(1)的另一端通过回热器(12)的第二通道连接膨胀机(4)的入口；膨胀机(4)的出口连接第一三通电磁阀(13)的第一端口；第一三通电磁阀(13)的第二端口连接第二三通电磁阀(14)的第二端口，第二三通电磁阀(14)的第一端口通过室内换热器(11)连接四通换向阀(5)的第三端口，四通换向阀(5)的第四端口连接气液分离器(8)入口，气液分离器(8)出口通过回热器(12)的第一通道连接压缩机(2)的入口；
第一三通电磁阀(13)的第三端口连接室外换热器(1)的另一端；第二三通电磁阀(14)的第三端口连接电子膨胀阀(6)的入口；
回热器(12)的第二通道与膨胀机(4)的入口之间设有电子膨胀阀(6)和单向阀(7)。
2.根据权利要求1所述的跨临界二氧化碳电动客车空调系统，其特征在于，还包括电机(3)；压缩机(2)、电机(3)、膨胀机(4)三者集合为同轴的压缩-膨胀一体机(15)。
3.根据权利要求2所述的跨临界二氧化碳电动客车空调系统，其特征在于，所述电机(3)为变频电机。
4.根据权利要求2所述的跨临界二氧化碳电动客车空调系统，其特征在于，所述跨临界二氧化碳电动客车空调系统括两台压缩机；两台压缩机串联。
5.根据权利要求4所述的跨临界二氧化碳电动客车空调系统，其特征在于，所述跨临界二氧化碳电动客车空调系统还包括油泵；两台压缩机(2)、油泵、电机(3)、膨胀机(4)共用一根主轴；所述油泵用于给压缩机(2)提供润滑油；两台压缩机和油泵的动力来自膨胀机(4)的膨胀功和电机(3)的输入电功。
6.根据权利要求1所述的跨临界二氧化碳电动客车空调系统，其特征在于，还包括设置于室内换热器(11)处的PTC电加热装置(10)。
7.根据权利要求1所述的跨临界二氧化碳电动客车空调系统，其特征在于，制冷模式状态下，四通换向阀(5)的第三端口和第四端口连通；四通换向阀(5)的第一端口和第二端口连通；第一三通电磁阀(13)的第一端口和第二端口连通；第二三通电磁阀(14)的第二端口和第一端口连通；
CO2从室内换热器(11)流出后通过四通换向阀(5)第三端口和第四端口连通形成的第一通道进入气液分离器(8)进行气液分离，通过回热器(12)吸热后进入压缩机进行压缩；压缩后的高温高压CO2流体通过四通换向阀(5)的第一端口和第二端口连通构建的第二通道进入室外换热器(1)与室外空气进行强制对流换热，冷却后的CO2流体通过回热器(12)的第二通道进行过冷后通过单向阀(7)与电子膨胀阀(6)进入膨胀机进行膨胀；此后低温低压的CO2流体通过第一三通电磁阀(13)的第一端口、第二端口建立的第一通道，第二三通电磁阀(14)的第二端口、第一端口建立的第一通道回到室内换热器(11)的入口，完成制冷循环。
8.根据权利要求1所述的跨临界二氧化碳电动客车空调系统，其特征在于，制热模式状态下，四通换向阀(5)的第二端口和第四端口连通；四通换向阀(5)的第一端口和第三端口连通；第一三通电磁阀(13)的第一端口和第三端口连通；第二三通电磁阀(14)的第三端口和第一端口连通；CO2流体从室外换热器(1)一端流出后通过四通换向阀(5)的第二端口、第四端口连通构建的第三通道进入气液分离器(8)中进行气液分离，随后CO2流体流经回热器(12)第一通道进入压缩机中进行压缩；压缩后的高温高压CO2流体通过四通换向阀(5)的第一端口、第三端口连通构建的第四通道进入室内换热器(11)，与室内空气进行强制对流换热；冷却后的CO2流体通过三通电磁阀(14)的第一端口、第三端口连通构建的第二通道与电子膨胀阀(6)进入膨胀机中进行膨胀；膨胀后的低温低压CO2流体通过三通电磁阀(13)的第一端口、第三端口连通构建的第二通道回到室外换热器(1)另一端，完成制热循环。
9.权利要求2所述的跨临界二氧化碳电动客车空调系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
制冷模式下，用户设定理想回风温度Tset后，压缩-膨胀一体机(15)在额定转速下开始工作，此时监测环境温度T0是否与设计工况下环境温度Tdesign相同：
若T0>Tdesign，且系统运行稳定后监测实时回风温度TR与设定回风温度Tset不同，则根据此时的环境温度T0，设定回风温度Tset与膨胀机和压缩机的理论容积输气量之比θ按照此时的频率调节公式提高压缩-膨胀一体机(15)频率，增大制冷量；若压缩-膨胀一体机(15)频率f1达到最大值制冷量仍未达到理想状态，则减小电子膨胀阀(6)开度，进一步增大制冷量，若排气压力最高达到12MPa则停止电子膨胀阀(6)调节，此时达到此空调系统的最大制冷能力，在当前条件下运行；
若T0<Tdesign，且系统运行稳定后监测实时回风温度TR与设定回风温度Tset不同，则根据此时的环境温度T0，设定回风温度Tset与膨胀机和压缩机的理论容积输气量之比θ按照此时的频率调节公式降低电子膨胀阀(6)频率，减小制冷量，直至T0＝Tdesign。
10.权利要求2所述的跨临界二氧化碳电动客车空调系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
制热模式下，用户设定理想回风温度Tset后，压缩-膨胀一体机(15)在额定转速下开始工作，电子膨胀阀(6)根据此时的压缩-膨胀一体机(15)频率f1、设定回风温度Tset、室外环境温度T0自动调节至此条件下最优排气压力；系统运行稳定后监测实时回风温度TR是否与设定回风温度Tset相同：
若相同则在当前的转速与电子膨胀阀(6)开度下持续运行；
若TR<Tset，则提高压缩-膨胀一体机(15)频率f1，再次重新调节电子膨胀阀(6)开度，使得排气压力达到最优值；若电子膨胀阀(6)频率已达到最大值，且TR依然没有达到Tset，则开启PTC辅助电加热装置，补足所需热量；每次提高压缩-膨胀一体机(15)频率调节电子膨胀阀(6)开度后，若检测到最优排气压力大于11.5MPa或在此运行条件下压缩机排气温度超过115℃，则增大电子膨胀阀(6)开度直到排气压力与温度均处于安全范围内；
若TR>Tset，系统自动根据此时的电子膨胀阀(6)频率f1，设定回风温度Tset，室外环境温度T0减小电子膨胀阀(6)开度，使运行制热量与所需制热量相匹配；若电子膨胀阀(6)开至最大仍产生过余热量，则降低压缩-膨胀一体机(15)频率，直至压缩-膨胀一体机(15)频率达到最小值，并在当前条件下运行。
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