CN113715573A - 防止结霜的电动汽车二次回路热泵空调系统 - Google Patents

Abstract

一种防止结霜的电动汽车二次回路热泵空调系统，包括：依次循环连接的压缩机、第一换热器、第一节流阀、二次回路水路循环系统、第二节流阀、第二换热器和气液分离器，以及第一电磁阀、第二电磁阀和空调箱；二次回路水路循环系统包括：依次循环连接的电池冷却器、水箱、电机、膨胀水壶和水泵，以及室外冷凝风机。空调箱包括：用于输送空气的风机、冷暖风门和用于切换导入乘员舱空气的内外循环风门。本发明通过增加二次回路水路循环系统代替室外换热器，减小制冷剂温度与外侧温度的温差，并且仅通过两个电磁阀与节流阀的控制实现制冷剂流道与工作模式的切换，提高换热效果与系统低温制热性能与高温制冷性能，达到防止结霜的效果。

Description

防止结霜的电动汽车二次回路热泵空调系统

技术领域

本发明涉及的是一种汽车空调领域的技术，具体是一种防止结霜的电动汽车二次回路热泵空调系统。

背景技术

常规车用热泵空调系统，在低温环境和高温环境中，由于室外换热器中制冷剂温度与室外空气温度的温差过大，导致室外换热器中换热效率较低，换热量较少，达不到需求的热交换效果，从而导致系统低温制热性能与高温制冷性能较差，无法满足乘员舱供暖供冷需求。另外，汽车热泵空调系统制热与制冷性能常需要对系统结构与技术进行优化，用来减少成本。

车用热泵空调系统在低温环境(0℃以下)中，室外换热器中制冷剂温度过低。当室外换热器翅片表面温度低于0℃时，室外换热器表面会结霜，导致空气风量减小，换热量急速衰减，较小的换热量将加速霜层的生长，从而形成恶性循环以导致系统在低温环境中频繁结霜而无法工作。

经过对现有技术的检索发现，中国专利文献号CN 110422028A，公开日2019.11.08，公开了一种带除霜功能的电动汽车用热泵空调，该发明籍由热泵芯体代原有的PTC供暖，在保证空调功能的同时，尽量减少电量的消耗，在室外换热器结霜时，通过切换截止阀至除霜模式，将压缩机排出的高温气体直接通过室外换热器，快速除霜。这种化霜方式化霜时间要求长，运行的工况恶略，而且会在一些低温工况出现压缩机液击的风险，对系统可靠性及其不利。但该现有技术无法解决电动汽车热泵系统的室外换热器结霜问题。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种防止结霜的电动汽车二次回路热泵空调系统，增加二次回路水路循环系统代替室外换热器，通过电池冷却器(Chiller)中水路与主循环制冷剂进行热量交换，将换热改进为制冷剂-水-空气二次换热，以此提升二次水路循环系统中的水温，减小制冷剂温度与外侧温度的温差，并且仅通过两个电磁阀与节流阀的控制实现制冷剂流道与工作模式的切换，提高换热效果与系统低温制热性能与高温制冷性能，达到防止结霜的效果。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明包括：依次循环连接的压缩机、第一换热器、第一节流阀、二次回路水路循环系统、第二节流阀、第二换热器和气液分离器，以及第一电磁阀、第二电磁阀和空调箱，其中：第一电磁阀并联连接在第一节流阀两端，用于控制第一节流阀的通断，第二电磁阀并联连接在第二节流阀两端，并与气液分离器相连，用于控制第二节流阀的通断，第一换热器和第二换热器设置于空调箱内。

所述的二次回路水路循环系统包括：依次循环连接的电池冷却器、水箱、电机、膨胀水壶和水泵，以及室外冷凝风机，其中：室外冷凝风机设置于水箱上，电池冷却器设置于第一节流阀和第二电磁阀之间，并与第二电磁阀相连。

所述的空调箱包括：用于输送空气的风机、冷暖风门和用于切换导入乘员舱空气的内外循环风门，其中：风机设置于第一换热器上游侧和第二换热器下游侧，冷暖风门与第一换热器相连，内外循环风门与风机相连。

本发明涉及一种基于上述系统的循环方法，包括：制热模式和制冷模式。

所述的制热模式为：将第一电磁阀设置成处于关闭状态，第一节流阀设置成处于节流状态，第二电磁阀设置成处于开启状态，第二节流阀设置成处于全关状态，冷暖风门设置成处于关闭状态，将要吹入乘员舱的空气需经过第一换热器与第一换热器中的制冷剂进行热量交换。

所述的制冷模式为：将第一电磁阀设置成处于开启状态，第一节流阀设置成处于全关状态，第二电磁阀设置成处于关闭状态，第二节流阀设置成处于节流状态，冷暖风门设置成处于开启状态，将要吹入乘员舱的空气不经过第一换热器而直接通过旁侧通道流过。

技术效果

本发明整体解决了电动汽车热泵空调系统在低温高湿天气下室外换热器的结霜问题；本发明采用二次回路缩小换热介质与空气的温差，防止霜层在换热器表面生长；相比现有技术其技术效果进一步包括：

1、具有更高的制冷剂温度，减小与室外温差，在电池冷却器中具有更好的换热效果，以在寒冷工况下提供更大的制热量和更高的制热能效以及高温工况下提供更好的制冷性能，产生更低的油耗或者电耗；

2、能够在更低的环境温度下提升二次回路的水温，进一步减小主路与环境温差，具有更高的制热量和制热能效，产生更低的电耗；

3、不增加过多支路与阀件，仅通过两个电磁阀与节流阀的切换实现二次回路多模式的功能，控制逻辑简单，阀件与系统生产成本较低，实现了二次回路热泵空调能效提升和多模式切换的效果。

附图说明

图1为本发明总体结构示意图；

图2为本发明第一实施例制热模式的制冷剂流动通道的结构示意图；

图3为本发明第一实施例制热模式的制冷剂的循环状态图；

图4为本发明第二实施例制冷模式的制冷剂流动通道的结构示意图；

图5为本发明本发第二实施例制冷模式的制冷剂的循环状态图；

图中：压缩机1、第一换热器2、第二换热器3、电池冷却器4、气液分离器5、第一电磁阀6、第一节流阀7、第二电磁阀8、第二节流阀9、水箱10、室外冷凝风机11、电机12、水泵13、膨胀水壶14、冷暖风门15、内外循环风门16、风机17、空调箱18、二次回路水路循环系统19、压缩机的入口20、压缩机的出口21、电池冷却器主路制冷剂的入口22、电池冷却器主路制冷剂的出口23、电池冷却器水路的水入口24、电池冷却器水路的水出口25、制热支路26。

具体实施方式

实施例1

如图1所示，为本实施例涉及的一种防止结霜的电动汽车二次回路热泵空调系统，通过调节电磁阀的流道切换和节流阀的开度调节，实现系统制冷模式、制热模式、除湿制热模式、除霜模式的切换，其中包含：依次循环连接的压缩机1、第一换热器2、用于节流膨胀的第一节流阀3、二次回路水路循环系统19、用于节流膨胀的第二节流阀9、第二换热器3和气液分离器5，以及用于切换制冷剂流道的第一电磁阀6、第二电磁阀8、用于调节车厢内的温度和湿度的空调箱18，其中：第一电磁阀6并联连接在第一节流阀7两端，用于控制第一节流阀7的通断，第二电磁阀8并联连接在第二节流阀9两端，并通过制热支路26与气液分离器5相连，用于控制第二节流阀9的通断，第一换热器2和第二换热器3设置于空调箱18内。

所述的二次回路水路循环系统19包括：依次循环连接的电池冷却器4、水箱10、用于给水路提供热量的电机12、用于调节水流量的膨胀水壶14和用于给水路提供动力的水泵13，以及室外冷凝风机11，其中：室外冷凝风机11设置于水箱10上，电池冷却器4设置于第一节流阀7和第二电磁阀8之间，并与第二电磁阀8相连，替代传统车用热泵空调系统中的室外换热器，用于系统主循环与二次回路水路循环进行热量交换的板式热交换器。

所述的空调箱18包括：用于输送空气的风机17、冷暖风门15和用于切换导入乘员舱空气的内外循环风门16，其中：风机17设置于第一换热器2上游侧和第二换热器3下游侧，冷暖风门15与第一换热器2相连，内外循环风门16与风机17相连。

所述的第一节流阀7为电子膨胀阀，包括：节流状态、全开状态和全关状态，其中：节流状态中第一节流阀7进行降压操作，全开状态中第一节流阀7不进行降压操作，全关状态中第一节流阀7被设置为全关。

所述的气液分离器5，用于分离流向压缩机的入口20的制冷剂的液体和气体，并用于使得分离的气相制冷剂流入压缩机的入口20。

所述的水箱10用于将在电池冷却器4中经过与主路制冷剂进行热交换后的水与室外环境空气进行热交换。

本实施例包括：空调箱循环路径、制冷剂主路循环路径和水路二次回路循环路径。

如图2所示，制热模式实施：第一电磁阀6被设置成处于关闭状态，第一节流阀7被设置成处于节流状态，第二电磁阀8被设置成处于开启状态，第二节流阀9被设置成处于全关状态，冷暖风门15被设置成处于关闭状态，将要吹入乘员舱的空气需经过第一换热器2与第一换热器2中的制冷剂进行热量交换。

所述的制热模式时，制冷剂主路循环路径为：经压缩机1压缩后的高温高压制冷剂进入第一换热器2进行冷凝，向乘员舱内排放热量，再由第一换热器2的出口进入第一节流阀7进行节流膨胀，膨胀后的低温低压制冷剂进入电池冷却器4与电池冷却器4中二次回路水侧的高温水进行换热，从二次回路水路循环中的高温水中吸热，电池冷却器主路制冷剂的出口23制冷剂的温度从高温水中吸热后温度显著提升，提高电池冷却器4中制冷剂换热的蒸发温度，增大了电池冷却器4的换热量与系统的制热性能，后经第二电磁阀8后进入气液分离器5进行气液分离，第二节流阀9出口的混合两相制冷剂进入气液分离器5后液相、气相制冷剂和润滑油首先分离，润滑油通过回油孔和气相制冷剂混合，液态制冷剂储存在气液分离器5底部，同时达到储液的作用，分离后气态的制冷剂与润滑油混合后进入压缩机1的入口20压缩完成工作循环。

在制热模式下，水路二次回路循环路径为：水路首先在水箱10中与室外空气进行热量交换，通过室外冷凝风机11从室外空气中吸热后进行一次升温，升温后的水再由水箱10的出口经过电机12余热的加热进行二次升温，可将水温提升约X℃，升温后的高温水通过水泵13进入电池冷却器4向主循环的制冷剂提供热量，以置换电池冷却器4中主循环制冷剂的冷量，提高制冷剂侧出入口的温度，在电池冷却器4中换热完成后再回到水箱10中从空气吸热。二次回路水路循环中水经过水箱10中从空气侧吸热与电机12余热加热双向供热，提高水温以为主循环中的制冷剂更多的提供热量交换，提高制冷剂侧温度并减小了制冷剂侧与外部换热的温差，提高换热效果，达到防止换热器结霜的效果，保证热泵系统低温工作的稳定性与能效。

实施例2

如图4所示，制冷模式为：第一电磁阀6被设置成处于开启状态，第一节流阀7被设置成处于全关状态，第二电磁阀8被设置成处于关闭状态，第二节流阀9被设置成处于节流状态，冷暖风门15被设置成处于开启状态，将要吹入乘员舱的空气不经过第一换热器2而直接通过旁侧通道流过。

所述的制冷模式下，制冷剂主路循环路径为：经压缩机1压缩后的高温高压制冷剂进入第一换热器2中基本无热量交换，再由第一换热器2出口流经第一电磁阀6后进入电池冷却器4内部与电池冷却器4中二次回路水侧的低温水进行换热，向二次回路水路循环中的低温水放热，降低电池冷却器主路制冷剂的出口23制冷剂的温度，经冷凝放热后的制冷剂由电池冷却器主路制冷剂的出口23进入第二节流阀9进行节流膨胀，而后进入第二换热器3蒸发吸热，为乘员舱内提供冷量，由第二换热器3出口流出的两相制冷剂进入气液分离器5进行气液分离，分离后气态的制冷剂与润滑油混合后进入压缩机1完成工作循环；

所述的制冷模式下，水路二次回路循环路径为：水路循环在水箱10中向室外空气放热降温，低温水再由水箱10出口经过电机10和水泵13进入电池冷却器4从主循环的制冷剂中吸热，为其提供冷量，在电池冷却器4中换热完成后再回到水箱10中向空气中放热，显著减小制冷剂与外部温度的温差，达到提升系统低温制热与高温制冷效果的目的。

现有电动汽车热泵系统中，低温制冷剂往往直接通过换热器与空气换热，低温制冷剂容易引发换热器表面温度过低，换热器表面温度结霜，结霜会对整个系统产生不可逆的负面影响，现有技术往往聚焦于如何通过限制制冷剂回路的运行延长结霜时间或者结霜之后快速反向运行化霜；本发明首次提出了采用制冷剂与防冻液换热，防冻液与空气换热的形式，防冻液与空气侧的温差缩小，霜层无法生长。

上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。

Claims (6)

1.一种防止结霜的电动汽车二次回路热泵空调系统，其特征在于，包括：依次循环连接的压缩机、第一换热器、第一节流阀、二次回路水路循环系统、第二节流阀、第二换热器和气液分离器，以及第一电磁阀、第二电磁阀和空调箱，其中：第一电磁阀并联连接在第一节流阀两端，用于控制第一节流阀的通断，第二电磁阀并联连接在第二节流阀两端，并与气液分离器相连，用于控制第二节流阀的通断，第一换热器和第二换热器设置于空调箱内；

所述的二次回路水路循环系统包括：依次循环连接的电池冷却器、水箱、电机、膨胀水壶和水泵，以及室外冷凝风机，其中：室外冷凝风机设置于水箱上，电池冷却器设置于第一节流阀和第二电磁阀之间，并与第二电磁阀相连。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征是，所述的空调箱包括：用于输送空气的风机、冷暖风门和用于切换导入乘员舱空气的内外循环风门，其中：风机设置于第一换热器上游侧和第二换热器下游侧，冷暖风门与第一换热器相连，内外循环风门与风机相连。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征是，所述的第一节流阀为电子膨胀阀，包括：节流状态、全开状态和全关状态，其中：节流状态中第一节流阀进行降压操作，全开状态中第一节流阀不进行降压操作，全关状态中第一节流阀被设置为全关。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征是，所述的气液分离器，用于分离流向压缩机的入口的制冷剂的液体和气体，并用于使得分离的气相制冷剂流入压缩机的入口。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征是，所述的水箱，在电池冷却器中经过与主路制冷剂进行热交换后的水与室外环境空气进行热交换。

6.一种基于权利要求1～5中任一所述的系统的循环方法，其特征是，包括：制热模式和制冷模式；

所述的制热模式为：将第一电磁阀设置成处于关闭状态，第一节流阀设置成处于节流状态，第二电磁阀设置成处于开启状态，第二节流阀设置成处于全关状态，冷暖风门设置成处于关闭状态，将要吹入乘员舱的空气需经过第一换热器与第一换热器中的制冷剂进行热量交换；

所述的制冷模式为：将第一电磁阀设置成处于开启状态，第一节流阀设置成处于全关状态，第二电磁阀设置成处于关闭状态，第二节流阀设置成处于节流状态，冷暖风门设置成处于开启状态，将要吹入乘员舱的空气不经过第一换热器而直接通过旁侧通道流过。

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