CN113895205A - 一种带余热回收的经济型热泵系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种带余热回收的经济型热泵系统，包括空调系统、电池冷却回路、电机冷却回路、控制阀系统，空调系统和电池冷却回路之间设有用于彼此之间进行热交换的电池冷却器，空调系统包括换热系统，换热系统包括板式换热器，控制阀系统包括用于控制电池冷却回路和电机冷却回路之间通断的五通阀、及用于控制电机冷却回路和板式换热器之间换热与否的三通阀；控制阀系统控制五通阀和三通阀实现热泵系统的余热回收；本发明的外换热器在制冷状态和制热状态下，冷媒可以在外换热器内部实现正反不同的流向，即制热和制冷流流向不同，可以实现外换热器流程最优化；并且本系统可以直接回收电器及冷却回路中散发的热量，有效提高了热泵系统的制热效率。

Description

一种带余热回收的经济型热泵系统

技术领域

本发明属于电动汽车领域，尤其是用于电动汽车热泵系统领域。

背景技术

电动汽车产业迅猛发展，但是由于电池特性以及电动车应用环境的多样性，导致目前电动车很难在严寒地区和炎热地区广泛使用，或者远距离运行；传统的电动汽车空调系统一般采用空调制冷+辅助PTC方法来实现乘员舱的制冷与采暖，这种系统结构采暖方式能效较低，对整车续航里程影响较大，这种加热方式消耗1KW的电能只能产生1KW热量；目前市场上出现了两种热泵制热空调系统，第一种空调系统从外界吸收热量，然后通过热泵的内置冷凝器，释放给乘客舱，但是该系统复杂，因系统的循环决定其在制热时外换热器的最后一个流程不能使用；第二种热泵空调系统采用余热回收器回收热量，不过是从大气中间接吸热，其中，外界空气热量至散热器至余热回收器至热泵最后送至乘客舱；这种方式采用了两个换热器，热量经过两次换热，效率较低。

发明内容

为了解决上述问题，本发明通过以下技术方案来实现上述目的：

一种带余热回收的经济型热泵系统，包括空调系统、电池冷却回路、电机冷却回路、控制阀系统，所述空调系统和电池冷却回路之间设有用于彼此之间进行热交换的电池冷却器，所述空调系统包括换热系统，所述换热系统包括板式换热器，所述控制阀系统包括用于控制电池冷却回路和电机冷却回路之间通断的五通阀、及用于控制电机冷却回路和板式换热器之间换热与否的三通阀；所述控制阀系统控制五通阀和三通阀实现热泵系统的余热回收。

作为本发明的进一步优化方案，所述空调系统包括内泠凝器、蒸发器、设于内泠凝器和蒸发器之间的气液分离器和压缩机；所述换热器系统包括依次串联的第一节流机构、外换热器和板式换热器，所述第一节流机构和内泠凝器之间设有第二单向阀，且第一节流机构上并联设有第一单向阀，所述蒸发器的进液口处设有第二节流机构。

作为本发明的进一步优化方案，所述控制阀系统包括设于内泠凝器和压缩机之间的第一电磁阀、设于压缩机和板式换热器之间的第二电磁阀、设于气液分离器和板式换热器之间的第三电磁阀、设于第二节流机构远离蒸发器12一侧的第四电磁阀、及设于电池冷却器和第一节流机构之间的电子膨胀阀；所述控制阀系统通过控制第一电磁阀、第二电磁阀、第三电磁阀、第四电磁阀、电子膨胀阀实现空调热泵系统的制热、制冷、除湿模式。

作为本发明的进一步优化方案，所述电池冷却回路包括电池和电池泵，所述电池冷却回路与五通阀的其中两个阀口联通。

作为本发明的进一步优化方案，所述电机冷却回路包括电机和电机泵，所述电机冷却回路与五通阀的其他阀口联通。

作为本发明的进一步优化方案，所述电机冷却回路上并联散热器，其一端与五通阀最后一个阀口联通，另一端和与电机冷却回路联通。

作为本发明的进一步优化方案，所述内泠凝器的一侧设有高压PTC，用于空调系统的辅热。

作为本发明的进一步优化方案，第一节流机构和第二节流机构均采用节流短管。

本发明的有益效果在于：

1)本发明的外换热器在制冷状态和制热状态下，冷媒可以在外换热器内部实现正反不同的流向，即制热和制冷流流向不同，可以实现外换热器流程最优化；并且本系统可以直接回收电器及冷却回路中散发的热量，有效提高了热泵系统的制热效率。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是本发明的模式①示意图；

图3是本发明中模式②示意图；

图4是本发明中模式③示意图；

图5是本发明中模式④示意图；

图6是本发明中模式⑤示意图；

图7是本发明中模式⑥示意图；

图8是本发明中模式⑦示意图；

图9是本发明中模式⑧示意图；

图10是本发明中模式⑨示意图；

图11是本发明中模式⑩示意图；

图12是本发明中模式十一示意图；

图13是本发明中模式十二示意图；

图中：11、内泠凝器；12、蒸发器；13、气液分离器；14、压缩机；15、第一单向阀；16、第二单向阀；17、第二节流机构；21、第一节流机构；22、外换热器；23、板式换热器；31、五通阀；32、三通阀；33、第一电磁阀；34、第二电磁阀；35、第三电磁阀；36、第四电磁阀；37、电子膨胀阀；4、电池冷却器；61、电池；62、电池泵；71、电机；72、电机泵；8、散热器；9、高压PTC。

具体实施方式

下面结合附图对本申请作进一步详细描述，有必要在此指出的是，以下具体实施方式只用于对本申请进行进一步的说明，不能理解为对本申请保护范围的限制，该领域的技术人员可以根据上述申请内容对本申请作出一些非本质的改进和调整。

如图1所示的一种带余热回收的经济型热泵系统，由空调系统、电池冷却回路，电机冷却回路和控制阀系统组成，其中，空调系统包括换热器系统、同时与换热系统连接的内泠凝器11和蒸发器12、设于内泠凝器11和蒸发器12之间的气液分离器13和压缩机14；

具体的，换热器系统包括依次串联的第一节流机构21、外换热器22和板式换热器23，在第一节流机构21和内泠凝器11之间设有第二单向阀16，在第一节流机构21上并联第一单向阀15，在蒸发器12的进液口处设有第二节流机构17；此外，在靠近内泠凝器11的一侧设有高压PTC9，用于空调系统的辅热；

电池冷却回路包括电池和电池泵62，电机冷却回路包括电机和电机泵72，其中，电池冷却回路和空调系统之间还设有电池冷却器4，电池冷却器4靠近空调系统一侧的两端分别与第一节流机构21和气液分离器13连接，电池冷却器4的另一侧与电池冷却回路连接，使用时，电池冷却回路通过电池冷却器4与空调系统进行热交换；

控制阀系统包括设于内泠凝器11和压缩机14之间的第一电磁阀33、设于压缩机14和板式换热器23之间的第二电磁阀34、设于气液分离器13和板式换热器23之间的第三电磁阀35、设于第二节流机构17远离蒸发器12一侧的第四电磁阀36，这里需要注意的是，第一电磁阀33、第二电磁阀34和第四电磁阀36均采用常开式电磁阀，而第三电磁阀35采用常闭式电磁阀；

控制阀系统还包括用于控制电池冷却回路和电机冷却回路联通或断开的五通阀31、及用于控制电机冷却回路和板式换热器23之间换热与否的三通阀32；

具体的，将五通阀31按照瞬时针依次将阀口设置为一号阀口、二号阀口、三号阀口、四号阀口、五号阀口，使用时，将一号阀口和二号阀口之间依次设有电池泵62、电池冷却器4、电池61，将三号阀口和五号阀口之间依次串联电机泵72、电机71、三通阀32、板式换热器23，同时在四号阀口和五号阀口之间设有散热器8；并且，三通阀32的第三个阀口和五号阀口联通；

此外，控制阀系统还包括电子膨胀阀37，该电子膨胀阀37设于电池冷却器4和第一节流机构21之间；

使用时，通过控制第一电磁阀33、第二电磁阀34、第三电磁阀35、第四电磁阀36、电子膨胀阀37能使得实现空调热泵系统实现制热、制冷、除湿模式；通过控制五通阀31可以实现电池冷却回路和电机冷却回路联通或断开，通过控制三通阀32可以实现电机冷却回路和板式换热器23之间换热与否；最后结合上述的三种控制实现选择切换热泵系统的十二种模式，具体分析如下；

如图2所示的模式①：单独空调制冷，单独电机散热；

在该模式下，控制空调系统侧的第一电磁阀33关闭，保持第三电磁阀35处于关闭状态，断开电子膨胀阀37；同时将五通阀31的一号阀口和二号阀口联通，三号阀口和四号阀口联通，五号阀口处于断开状态；控制三通阀32使得电机冷却回路和板式换热器23之间不进行换热；

此时空调系统、电池冷却回路、电机冷却回路均处于独立工作状态，其中，空调系统的冷媒循环回路为：气液分离器13、压缩机14、板式换热器23、外换热器22、第一单向阀15、第四电磁阀36、第二节流机构17、蒸发器12、气液分离器13；在电机冷却回路中，将散热器8串联入回路中，通过散热器8对电机冷却回路进行散热；

如图3所示的模式②：单独电池普通制冷，单独电机散热；

该模式下，与制冷模式①不同的是，断开第四电磁阀36，打开电子膨胀阀37，使得空调系统的冷却循环回路在流经第一单向阀15后经过电子膨胀阀37和电池冷却器4，最后流回气液分离器13器；此时，通过电池冷却回路通过电池冷却器4与空调系统进行热交换，交换出来的热量通过外交换器进行排出，对电池进行普通降温；

如图4所示的模式③：空调制冷，电池制冷，电机散热；

该模式下，与上述模式②不同的是，同时打开第四电磁阀36和电子膨胀阀37，在空调系统进行制冷的同时利用电池冷却器4与电池冷却循环进行热交换，即对电池进行制冷式降温，提升电池降温效果；

如图5所示的模式④：电池快速充电模式；

该模式下，由于电池充电时会产生大量的热量，但是此时车辆未启动，因此无法实现制冷式降温；所以，需要借助散热器8进行辅助散热；与模式②不同的是，控制三通阀32使得电机冷却回路和板式换热器23之间进行换热；使用时，电池产生的热量通过电池冷却器4与空调系统进行热交换，然后通过外换热器22进行一定程度的散热，同时，利用板式换热器23将部分热量传递至电机冷却回路上，然后利用散热器8进行辅助散热；从而实现电池快速充电时，利用外换热器22和散热器8进行散热降温的效果；

如图6所示的模式⑤：乘员舱热泵加热制热，电机保温；

该模式下，关闭第二电磁阀34、第四电磁阀36、电子膨胀阀37，打开第三电磁阀35；将五通阀31的一号阀口和二号阀口联通，三号阀口和五号阀口联通，四号阀口处于断开状态；控制三通阀32使得电机冷却回路和板式换热器23之间不进行换热，相当于散热器8被短路；

使用时，空调系统的冷媒循环回路为：气液分离器13、压缩机14、第一电磁阀33、内泠凝器11、第二单向阀16、节流管、外换热器22、板式换热器23、第三电磁阀35、气液分离器13；在电机冷却回路中，将散热器8串联入回路中，散热器8被短路，不进行工作；

如图7所示的模式⑥：乘员舱热泵加热，电机保温模式(板式换热器23吸热)

该模式下，与上述模式⑤不同的是，控制三通阀32使得电机冷却回路和板式换热器23之间进行换热，此时，利用板式换热器23进行吸收空调系统中的热量，进而对电池进行保温；

如图8所示的模式⑦：乘员舱热泵加热；

该模式下，与上述模式⑤不同的是，电池进行快充工作，同时控制三通阀32使得电机冷却回路和板式换热器23之间不进行换热；

如图9所示的模式⑧：乘员舱热泵加热，串联加热模式(电机和电池余热回收)；

该模式下，与上述模式⑦不同的是，同时将五通阀31的二号阀口和三号阀口联通，一号阀口和五号阀口联通，四号阀口处于断开状态；并控制三通阀32使得电机冷却回路和板式换热器23之间进行换热，此时，通过五通阀31将电池冷却回路和电机冷却回路联通，然后将电池和电机的产生热量通过板式换热器23交换至空调系统中，进而起到对电池和电机的余热回收；

如图10所示的模式⑨：制热除湿；

该模式下，打开第四电磁阀36，在制热状态下，同时使得蒸发器12进行工作；此时，鼓风机加大风速将风吹出；

如图11所示的模式⑩：制冷除湿；

该模式下，打开第二电磁阀34，关闭第三电磁阀35，冷媒离开压缩机14后分别沿着第一电磁阀33和第二电磁阀34进行双向流动，

如图12所示的模式十一：常温除湿；

该模式下，关闭第二电磁阀34，保持第三电磁阀35处于关闭状态；此时，空调系统的冷媒循环回路为：气液分离器13、第一电磁阀33、内泠凝器、第二单向阀16、第四电磁阀36、第二节流机构17、蒸发器12、气液分离器13；

如图13所示的模式十二：水路串联散热；

该模式下，空调系统停止工作，同时将五通阀31的二号阀口和三号阀口联通，一号阀口和四号阀口联通，五号阀口处于断开状态，此时散热器8串联进入电机冷却回路中；控制三通阀32使得电机冷却回路和板式换热器23之间不进行换热，这样通过五通阀31将电池冷却回路和电机冷却回路联通，然后将电池和电机的产生热量通过散热器8进行散热；

本发明通过上述的模式分析可知，当外换热器22在制冷状态和制热状态下，冷媒可以在外换热器22内部实现正反不同的流向，即制热和制冷流流向不同，可以实现流程最优化；并且本系统可以直接回收电器及冷却回路中散发的热量，有效提高了热泵系统的制热效率；

此外，本发明中使用节流短管代替部分的传统膨胀阀，节流短管的工作原理与热力膨胀阀一致，而且节流短管在余热回收回路中换热量的提升与使用热力膨胀阀基本相当，但是节流短管的成本仅仅是热力膨胀阀的10％，因此使用节流短管可以加大的降低整个系统的成本。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种带余热回收的经济型热泵系统,其特征在于：包括空调系统、电池冷却回路、电机冷却回路、控制阀系统，所述空调系统和电池冷却回路之间设有用于彼此之间进行热交换的电池冷却器(4)，所述空调系统包括换热系统，所述换热系统包括板式换热器(23)，所述控制阀系统包括用于控制电池冷却回路和电机冷却回路之间通断的五通阀(31)、及用于控制电机冷却回路和板式换热器(23)之间换热与否的三通阀(32)；所述控制阀系统控制五通阀(31)和三通阀(32)实现热泵系统的余热回收。

2.根据权利要求1所述的一种带余热回收的经济型热泵系统,其特征在于：所述空调系统包括内冷凝器(11)、蒸发器(12)、设于内冷凝器(11)和蒸发器(12)之间的气液分离器(13)和压缩机(14)；所述换热器系统包括依次串联的第一节流机构(21)、外换热器(22)和板式换热器(23)，所述第一节流机构(21)和内冷凝器(11)之间设有第二单向阀(16)，且第一节流机构(21)上并联设有第一单向阀(15)，所述蒸发器(12)的进液口处设有第二节流机构(17)。

3.根据权利要求2所述的一种带余热回收的经济型热泵系统,其特征在于：所述控制阀系统包括设于内冷凝器(11)和压缩机(14)之间的第一电磁阀(33)、设于压缩机(14)和板式换热器(23)之间的第二电磁阀(34)、设于气液分离器(13)和板式换热器(23)之间的第三电磁阀(35)、设于第二节流机构(17)远离蒸发器(12)一侧的第四电磁阀(36)、及设于电池冷却器(4)和第一节流机构(21)之间的电子膨胀阀(37)。

4.根据权利要求3所述的一种带余热回收的经济型热泵系统,其特征在于：所述电池冷却回路包括电池(61)和电池泵(62)，所述电池冷却回路与五通阀(31)的其中两个阀口联通。

5.根据权利要求4所述的一种带余热回收的经济型热泵系统，其特征在于：所述电机冷却回路包括电机(71)和电机泵(72)，所述电机冷却回路与五通阀(31)的其他阀口联通。

6.根据权利要求5所述的一种带余热回收的经济型热泵系统，其特征在于：所述电机冷却回路上并联设有散热器(8)，其一端与五通阀(31)最后一个阀口联通，另一端和与电机冷却回路联通。

7.根据权利要求6所述的一种带余热回收的经济型热泵系统，其特征在于：所述内泠凝器(11)的一侧设有高压PTC(9)，用于空调系统的辅热。

8.根据权利要求7所述的一种带余热回收的经济型热泵系统，其特征在于：所述第一节流机构(21)和第二节流机构(17)均采用节流短管。

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