CN113829840A - 一种电动汽车空调热泵系统和温度控制方法 - Google Patents

一种电动汽车空调热泵系统和温度控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种电动汽车空调热泵系统，其特征在于，具备制热模式和制冷模式两种工作模式，系统包含制热回路，制冷回路和四通换向阀。四通换向阀用于控制空调热泵系统的工作模式，切换当前工作回路为制冷回路或者制热回路中的任意一个。本发明还包含利用电动汽车空调热泵系统进行温度控制的方法。本发明涉及的电动汽车空调热泵系统，与现有技术相比具有的优势效果是：在达到同样的制热量时，热泵系统消耗的能源仅为PTC电加热器的一半左右；同时与现有热泵系统相比，使用四通换向阀换向控制系统回路切换，使系统管路回路实现了简化设计，减少了截止阀的使用数量，降低了系统整体零部件的生产制造成本。

Description

一种电动汽车空调热泵系统和温度控制方法
技术领域
本发明涉及到电动汽车空调领域，特别是一种电动汽车空调热泵系统和温度控制方法。
背景技术
在人类能源危机和环境危机的双重压力下,节能环保型电动汽车成为汽车行业的研究热点。传统燃油汽车中，汽车空调在制冷时压缩机由发动机驱动，在制热时利用发动机余热，对续航里程几乎没有影响。而对于纯电动汽车，汽车空调在制冷时压缩机由电能驱动，在制热时利用PTC加热器电加热器，且消耗电能较多，因此，电动汽车空调系统对电动汽车续航里程的影响不容忽视。
发明内容
本发明的目的是针对现有电动汽车空调系统制热时对电动汽车续航里程的影响的问题，提供一种电动汽车空调热泵系统，并且对现有热泵系统进行结构优化，节省零部件制造成本。
本发明提供的一种电动汽车空调热泵系统，其特征在于，具备制热模式和制冷模式两种工作模式，系统包含制热回路，制冷回路和四通换向阀；四通换向阀用于控制空调热泵系统的工作模式，切换当前工作回路为制冷回路或者制热回路中的任意一个。
进一步地，所述制冷回路包含电动压缩机、室外换热器、室外换热器风扇、过滤器、电子膨胀阀、室内换热器、室内换热器鼓风机和气液分离器；
当所述四通换向阀控制所述空调热泵系统的工作模式为所述制冷模式时，所述电动压缩机驱动的制冷剂依次流过所述四通换向阀、所述室外换热器、所述过滤器、所述电子膨胀阀、所述室内换热器和气液分离器；所述室外换热器风扇用于配合所述室外换热器进行热交换；所述室内换热器鼓风机配合所述室内换热器进行热交换。
进一步地，所述制热回路包含电动压缩机、室内换热器、室内换热器鼓风机、电子膨胀阀、过滤器、室外换热器、室外换热器风扇和气液分离器；
当所述四通换向阀控制所述空调热泵系统的工作模式为所述制热模式时，所述电动压缩机驱动的制冷剂依次流过所述四通换向阀、所述室内换热器、所述电子膨胀阀、所述过滤器、所述室外换热器和气液分离器；所述室外换热器风扇用于配合所述室外换热器进行热交换；所述室内换热器鼓风机配合所述室内换热器进行热交换。
进一步地，所述制热回路还包含PTC加热器；所述室内换热器鼓风机配合所述PTC加热器进行热交换。
进一步地，其特征在于，在所述电子膨胀阀的进口和/或出口，设置用于监测所述制冷剂温度和压力的温压传感器。
进一步地，在所述室外换热器一端设置用于监测所述制冷剂温度的温度传感器；在所述室外换热器外侧设置用于监测被所述室外换热器风扇吹出的气流温度的室外换热器温度传感器。
进一步地，在所述室内换热器外侧设置用于监测被所述室内换热器鼓风机吹出的气流温度的室内换热器温度传感器；在所述PTC外侧设置用于检测被所述室内换热器鼓风机吹出的气流温度的PTC温度传感器；在乘员舱内设置室内温度传感器；在乘员舱外设置阳光传感器。
进一步地，所述四通换向阀为球阀。
本发明还提供一种利用电动汽车空调热泵系统进行温度控制方法，其特征在于，在所述制热模式下，当室外温度低于热泵制热阈值时，开启所述PTC加热器进行电辅助加热；反之，关闭所述PTC加热器。
进一步地，所述热泵制热阈值为零下10摄氏度。
本发明涉及的电动汽车空调热泵系统，与现有技术相比具有的优势效果是：在达到同样的制热量时，热泵系统消耗的能源仅为PTC电加热器的一半左右；同时与现有热泵系统相比，使用四通换向阀换向控制系统回路切换，使系统管路回路实现了简化设计，减少了截止阀的使用数量，降低了系统整体零部件的生产制造成本。
附图说明
图1是本发明的电动汽车空调热泵系统的一个较佳实施例的结构示意图；
图2是本发明的电动汽车空调热泵系统的一个较佳实施例的制冷模式的工作示意图；
图3是本发明的电动汽车空调热泵系统的一个较佳实施例的制热模式的工作示意图；
图4是本发明的电动汽车空调热泵系统的一个较佳实施例的制冷模式中，四通换向阀的工作状态图；
图5是本发明的电动汽车空调热泵系统的一个较佳实施例的制热模式中，四通换向阀的工作状态图；
图6是本发明的电动汽车空调热泵系统温度控制方法的一个较佳实施例的控制流程图。
其中，1-压缩机，2-四通换向阀，3-室内换热器，4-电子膨胀阀，5-室外换热器，6-气液分离器，7-室外换热器风扇，8-风加热PTC，9-室内换热器温度传感器，10-第一温压传感器，11-第二温压传感器，12-室内换热器鼓风机，13-室外换热器温度传感器，14-室内温度传感器，15-阳光传感器，16-PTC温度传感器，17-温度传感器，18-过滤器。
具体实施方式
以下将结合附图说明本发明的具体实施例。
实施例1
请参阅图1，本发明的一种电动汽车空调热泵系统的一个较佳实施例，同时包含制热回路和制冷回路。整个热泵系统，具备两种工作模式，制热模式和制冷模式，分别对应制热回路和制冷回路。热泵系统利用四通换向阀来选择工作模式，在不同的时间，四通换向阀处于不同的导通模式，引导制冷剂沿着不同的方向前进，从而使得热泵系统在制热模式或者制冷模式中自由切换。
制冷回路由电动压缩机1、室外换热器5、过滤器18、电子膨胀阀4、室内换热器3和气液分离器6形成的回路构成。其中，四通换向阀2连接在电动压缩机1和室外换热器5，以及室内换热器3和气液分离器6之间。
在室外换热器5旁，布置室外换热器风扇7，在室内换热器3旁布置室内换热器鼓风机12。室外换热器风扇7配合室外换热器5，室内换热器鼓风机12配合室内换热器3，用于加强热交换。
制热回路由电动压缩机1、室内换热器3、电子膨胀阀4、过滤器18、室外换热器5和气液分离器6形成的回路构成。其中，四通换向阀2连接在电动压缩机1和室内换热器3，以及室外换热器5和气液分离器6之间。
在室外换热器5旁，布置室外换热器风扇7，在室内换热器3旁还布置有PTC加热器8和室内换热器鼓风机12。室外换热器风扇7配合室外换热器5，室内换热器鼓风机12配合室内换热器3及PTC加热器8，用于加强热交换。PTC加热器8用于在极端低温下启动电加热来满足整车制热需求。
在本实施例中，利用单一的四通换向阀2来完成制冷回路和制热回路的切换，同时制热回路和制冷回路共享电动压缩机1、电子膨胀阀4、气液分离器6、室外换热器5、室内换热器3、室内换热器鼓风机12、室外换热器风扇7和过滤器18，优化了系统结构复杂程度，减少了零件的使用数量，节约了系统的制造成本。
为了监控整个系统的工作状态，在电子膨胀阀4的两端(进口和出口)分别设置用于监测制冷剂温度和压力的第一温压传感器10和第二温压传感器11，用于监测在不同工作模式下双向流通的制冷剂压力和温度。在室外换热器5的外侧，还设置用于监测由室外换热器风扇7吹出气流的温度的室外换热器温度传感器13。在室内换热器3的外侧设置用于监测被室内换热器鼓风机12吹出的气流温度的室内换热器温度传感器9。室外换热器温度传感器13和室内换热器温度传感器9用于监测热泵的工作状态。在PTC加热器8的外侧设置PTC温度传感器16，用于测量PTC的温度，在PTC工作时实时反馈，智能调节PTC工作功率。进一步地，在乘员舱内设置室内温度传感器14，在乘员舱外设置阳光传感器15。室内温度传感器14监测室内温度，阳光传感器15监测阳光强度，当达到一定阈值的时候(例如参考用户设定的温度值)，反馈给热泵系统，调整热泵系统的风机风量及压缩机档位，更加精准且主动的进行室内温度控制。
请参阅图2，在本发明的一种电动汽车空调热泵系统的一个较佳实施例中，热泵系统在制冷模式下，此时，由电动压缩机1驱动的制冷剂依次流过四通换向阀2、室外换热器5、过滤器18、电子膨胀阀4、室内换热器3和气液分离器6，形成制冷回路(如粗线加箭头所示)。
本系统的制冷运行模式为：来自电动压缩机1的高温高压气态制冷剂经过四通换向阀2进入室外换热器5，通过室外换热器5进行换热并冷凝成为高温高压的液态制冷剂，高温高压的液态制冷剂经过电子膨胀阀4的节流，成为低温低压的气液两相制冷剂送入室内换热器3，通过鼓风机吹出的冷风与乘员舱内进行换热，达到制冷的目的；然后，流出室内换热器3的低温低压的气态制冷剂经过气液分离器6返回电动压缩机1进行压缩，重新开始制冷循环。
在制冷模式下，当温度传感器17、第一温压传感器10、第二温压传感器11或室内换热器温度传感器9的读数超过设定极限值后将实现自动报警。
请参阅图3，在本发明的一种电动汽车空调热泵系统的一个较佳实施例中，热泵系统在制热模式下，此时，由电动压缩机1驱动的制冷剂依次流过四通换向阀2、室内换热器3、电子膨胀阀4、过滤器18、室外换热器5和气液分离器6，形成制热回路(如粗线箭头所示)。在极端低温下，启动PTC加热器8采用电加热来满足整车制热需求。
本系统的制热运行模式为：来自电动压缩机1的高温高压气态制冷剂经过四通换向阀2进入室内换热器3，通过室内换热器3与乘员舱内进行换热并冷凝成为高温高压的液态制冷剂，达到制热的目的；然后，高温高压的液态制冷剂经过电子膨胀阀4的节流，成为低温低压的气液两相制冷剂送入室外换热器5，通过室外换热器5与外界环境进行换热，流出室外换热器5的低温低压的制冷剂进入气液分离器6，气液分离器6分离出来的低温低压气态制冷剂返回电动压缩机1进行压缩，重新开始制热循环。PTC加热器8采用电加热来直接加热空气，满足整车制热需求。
在制热模式下，当温度传感器17、第一温压传感器10、第二温压传感器11或室外换热器温度传感器13的读数超过设定极限值后将实现自动报警。
请参阅图4和图5，在本发明的一种电动汽车空调热泵系统的一个较佳实施例中，四通换向阀2为球阀，其结构相对于传统的四通阀，控制稳定性较好，在路况不好，车辆颠簸较大时，也能稳定控制，而传统四通阀在颠簸状态下容易出现阀片控制失效。图4展示了当四通换向阀2切换到制冷模式时的工作状态。此时，从压缩机出口流出的制冷剂从底部的入口进入，自左侧流出；完成管道循环的制冷剂从右侧的入口进入，从顶部流出进入压缩机进口。图5展示了当四通换向阀2切换到制热模式时的工作状态。此时，从压缩机出口流出的制冷剂从底部的入口进入，自右侧流出；完成管道循环的制冷剂从左侧的入口进入，从顶部流出进入压缩机进口。
请参阅图6，本实施例还包含一种利用电动汽车空调热泵系统进行温度控制方法，在所述制热模式下，会自动利用PCT加热器进行电辅助加热，判定步骤包含：
步骤S101、读取室外温度。
步骤S102、如果室外温度低于热泵制热阈值(零下10摄氏度)，进入步骤S103，否则进入步骤S104。
步骤S103、开启PTC加热器。
步骤S104、关闭PTC加热器。
采用本发明的一种电动汽车空调热泵系统的电动汽车冷暖一体式热泵空调系统，是解决电动汽车空调系统削弱续航里程的重要解决方案。热泵是一种基于逆卡诺循环的高效节能装置，其从低位热源中吸取热量，并将热量传递给高位热源。汽车热泵系统通过转换汽车空调系统中制冷剂运行流向，从外部环境低温空气中吸热并向乘员舱内放热，使乘员舱内空气升温的蒸汽压缩式循环系统。电动汽车空调热泵系统实现乘员舱内采暖，其消耗的电能仅用于将车外的热量“转移”到车内，通常其能效比高于2.0。从原理上讲达到同样的制热量，热泵系统消耗的能源仅为PTC加热器电加热器5的一半，即如果乘员舱内需要4000W的采暖需求热量，只需要消耗约2000W的电能，可以一定幅度提高电动车的行驶里程，对电动汽车的发展有重要意义。同时该系统采用室内换热器和室外换热器制冷制热模式共用，减少了换热器数量，同时使用四通换向阀进行模式切换，减少了阀的使用数量及管路复杂程度，与现有热泵系统相比，更节约零部件制造成本。
应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种电动汽车空调热泵系统，其特征在于，具备制热模式和制冷模式两种工作模式，系统包含制热回路，制冷回路和四通换向阀；四通换向阀用于控制空调热泵系统的工作模式，切换当前工作回路为制冷回路或者制热回路中的任意一个。
2.如权利要求1所述的电动汽车空调热泵系统，其特征在于，所述制冷回路包含电动压缩机、室外换热器、室外换热器风扇、过滤器、电子膨胀阀、室内换热器、室内换热器鼓风机和气液分离器；
当所述四通换向阀控制所述空调热泵系统的工作模式为所述制冷模式时，所述电动压缩机驱动的制冷剂依次流过所述四通换向阀、所述室外换热器、所述过滤器、所述电子膨胀阀、所述室内换热器和气液分离器；所述室外换热器风扇用于配合所述室外换热器进行热交换；所述室内换热器鼓风机配合所述室内换热器进行热交换。
3.如权利要求1所述的电动汽车空调热泵系统，其特征在于，所述制热回路包含电动压缩机、室内换热器、室内换热器鼓风机、电子膨胀阀、过滤器、室外换热器、室外换热器风扇和气液分离器；
当所述四通换向阀控制所述空调热泵系统的工作模式为所述制热模式时，所述电动压缩机驱动的制冷剂依次流过所述四通换向阀、所述室内换热器、所述电子膨胀阀、所述过滤器、所述室外换热器和气液分离器；所述室外换热器风扇用于配合所述室外换热器进行热交换；所述室内换热器鼓风机配合所述室内换热器进行热交换。
4.如权利要求3所述的电动汽车空调热泵系统，其特征在于，所述制热回路还包含PTC加热器；所述室内换热器鼓风机配合所述PTC加热器进行热交换。
5.如权利要求2至4中任一所述的电动汽车空调热泵系统，其特征在于，在所述电子膨胀阀的进口和/或出口，设置用于监测所述制冷剂温度和压力的温压传感器。
6.如权利要求2至4中任一所述的电动汽车空调热泵系统，其特征在于，在所述室外换热器一端设置用于监测所述制冷剂温度的温度传感器；在所述室外换热器外侧设置用于监测被所述室外换热器风扇吹出的气流温度的室外换热器温度传感器。
7.如权利要求2至4中任一所述的电动汽车空调热泵系统，其特征在于，在所述室内换热器外侧设置用于监测被所述室内换热器鼓风机吹出的气流温度的室内换热器温度传感器；在所述PTC外侧设置用于检测被所述室内换热器鼓风机吹出的气流温度的PTC温度传感器；在乘员舱内设置室内温度传感器；在乘员舱外设置阳光传感器。
8.如权利要求1所述的电动汽车空调热泵系统，其特征在于，所述四通换向阀为球阀。
9.一种利用如权利要求3或4中任一电动汽车空调热泵系统进行温度控制方法，其特征在于，在所述制热模式下，当室外温度低于热泵制热阈值时，开启所述PTC加热器进行电辅助加热；反之，关闭所述PTC加热器。
10.如权利要求9所述的电动汽车空调热泵系统温度控制方法，其特征在于，所述热泵制热阈值为零下10摄氏度。
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