CN114103587A - 一种基于热泵空调技术的集成式热管理控制系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于热泵空调技术的集成式热管理控制系统及其控制方法，涉及车载设备技术领域。本发明本系统由电动压缩机、车外换热器、车内换热器、四通换向阀、电子膨胀阀组成；所述电动压缩机是热泵空调循环制冷剂介质流动的动力来源，其性能好坏直接影响热泵空调系统的能耗及制冷或制热的效能，所述车内换热器和车外换热器分别根据工作工况的不同充当蒸发器或冷凝器的作用。本发明采用热泵空调实现夏季制冷，冬季制热均由一套暖通系统组成，且冬季高能效比的热泵空调比PTC省电，且通过电动压缩机、车外换热器、车内换热器、四通换向阀、电子膨胀阀的配合，使得系统在进行使用时能够改善风道内进入乘员舱空气的温度。

Description

一种基于热泵空调技术的集成式热管理控制系统及其控制 方法

技术领域

本发明属于车载设备技术领域，特别是涉及一种基于热泵空调技术的集成式热管理控制系统及其控制方法。

背景技术

目前，将空调系统、动力电池热管理系统、电机电气系统等集成的热管理技术的研究也在不断的探索中，美国国家可再生能源实验室（NREL）针对热流循环的集成热管理技术；

另外，NREL在2010年还提出了一种基于混合动力驱动的集成整车热管理系纯电动车热泵空调与动力系统集成式热管理系统研究统，包括内燃机和空调系统，认为该系统是提高操作性能和降低能耗的有效途径；

但是集成电驱动和内燃机在温度和热负荷兼容性方面，仍有些困难，国内学者杨小龙等人提出一种综合考虑电池、电机的整车集成热管理系统，在实验基础上对其整车热管理进行建模及仿真分析,在冬季制热模式下，该热泵系统制热与PTC热电阻制热相比，整车电能消耗可降低16.4%，续驶里程可提高18.3%，国内学者张天时提出液流型电池组结构设计，电机电池热管理系统仿真，提出1D/3D耦合的集成热管理计算方法的研究，并对相变蓄能装置应用进行了探索研究，闫振敏提出了电动汽车液流循环系统的集成热管理平台，完成电机、电池传热模型等数学建模和实现系统关联耦合分析，并提出了评价方法和优化分析，国内学者瞿晓华提出了采用层次分析方法建立电动车热管理方案的工程评价模型，采用CFD（Computational Fluid Dynamics）数学仿真和实验研究相结合的方法，对电动车热管理系统空调箱及控制模块进行深入分析和研究；

动热泵空调系统制热与传统PTC空调供热不同，传统制热空调采用变风量实现对空调温度的控制，电动热泵空调可以通过调节压缩机转速及电子膨胀阀的开度，实现对温度的调节，纯电动汽车无发动机余热可以利用，因此制热方式自生热多是PTC制暖，但是能耗过高、COP值低一直是PTC制暖的弊端，而低耗高效、性能稳定、安全性好、温控好等特点的热泵空调系统，将是改善现有问题的一种有效的方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于热泵空调技术的集成式热管理控制系统及其控制方法，以解决了现有的问题：制热方式自生热多是PTC制暖，但是能耗过高、COP值低一直是PTC制暖的弊端，缺少一种低耗高效、性能稳定、安全性好、温控好等特点的热泵空调系统。

为解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明为一种基于热泵空调技术的集成式热管理控制系统，本系统由电动压缩机、车外换热器、车内换热器、四通换向阀、电子膨胀阀组成；

所述电动压缩机是热泵空调循环制冷剂介质流动的动力来源；

所述车内换热器和车外换热器分别根据工作工况的不同充当蒸发器或冷凝器的作用，实现空调系统循环介质与车内外空气相变换热的重要场所作用；

所述四通换向阀在热泵系统中的作用是改变循环介质在热泵系统中流动方向，实现制冷与制热模式的相互切换；

所述电子膨胀阀作为节流装置，实现循环制冷剂温度及压力的控制。

进一步地，所述车内换热器和车外换热器之间连接有两个通道。

进一步地，所述车内换热器和车外换热器之间且位于其中一个所述通道上设置有电动压缩机和四通换向阀，四通换向阀用于将过冷液体或者热循环气体抽吸到电动压缩机中。

进一步地，所述车内换热器和车外换热器之间且位于其中另一个所述通道上设置有电子膨胀阀，用于对过冷液体或者热循环气体进行节流。

进一步地，本系统还包括有储液干燥器及换热器风扇，用于除去管路加入循环介质中的杂质和水分作用以及提高换热器换热传热的作用。

进一步地，所述换热器风扇安装在车外换热器的内侧，所述储液干燥器与电动压缩机进行连接。

一种基于热泵空调技术的集成式热管理控制系统的控制方法，用于上述一种基于热泵空调技术的集成式热管理控制系统，其步骤如下：

S1：确定需要启动制冷状态还是启动制热状态；

S2：确定需要启动制冷状态；

S3：启动电动压缩机，将抽吸低压端低压低温气态制冷剂，经由压缩机压缩后转变为高温高压的过热气体；

S4：启动车外换热器，循环制冷器经过车外换热器发生相变冷凝换热，热量经换热器的翅壁传递到空气中，变为高压中温循环液态过冷制冷剂；

S5：确定需要启动制热状态；

S6：启动电动压缩机，电动压缩机将抽吸来自车外换热器的低压端低压低温制冷剂，经四通换向阀进入压缩机压缩变为高温高压的过热气体，再经由四通换向阀进入车内换热器；

S7：启动车内换热器，车内换热器向乘员舱风道内低温空气冷凝放热，从而提高风道内进入乘员舱空气的温度。

本发明具有以下有益效果：

1、本发明采用热泵空调实现夏季制冷，冬季制热均由一套暖通系统组成，且冬季高能效比的热泵空调比PTC省电。

2、本发明通过电动压缩机、车外换热器、车内换热器、四通换向阀、电子膨胀阀的配合，使得系统在进行使用时能够提高风道内进入乘员舱空气的温度，循环制冷剂流出车内换热器变为高压中温的过冷液体，并能够向环境吸收热量，带入热泵系统进入循环，随后制冷剂通过四通换向阀进入压缩机，实现制热循环。

3、本发明通过储液干燥器及换热器风扇等辅助部件，起到除去管路加入循环介质中的杂质和水分作用以及提高换热器换热传热的作用，从而提高热泵空调系统的性能。

4、本发明在车辆高速运行时，动力电池组发热量大，热管理系统能够对电池进行散热；当环境温度较低时，充分利用电机余热，降低制热功耗。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的现有技术热泵空调液流循环系统结构原理示意图；

图2为本发明一种基于热泵空调技术的集成式热管理控制系统的电动热泵空调工作原理示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1所示，为背景技术中介绍的现有技术，为美国国家可再生能源实验室（NREL）针对热流循环的集成热管理技术所公开的现有技术的内容。

实施例1：

请参阅图2所示，本发明为一种基于热泵空调技术的集成式热管理控制系统，本系统主要由电动压缩机、车外换热器、车内换热器、四通换向阀、电子膨胀阀等构件组成；

电动压缩机是热泵空调循环制冷剂介质流动的动力来源，其性能好坏直接影响热泵空调系统的能耗及制冷或制热的效能；

车内换热器和车外换热器分别根据工作工况的不同充当蒸发器或冷凝器的作用，实现空调系统循环介质与车内外空气相变换热的重要场所作用，换热器的性能对于热泵空调系统性能影响较大；

四通换向阀在热泵系统中的作用是改变循环介质在热泵系统中流动方向，实现制冷与制热模式的相互切换；

电子膨胀阀作为节流装置，实现循环制冷剂温度及压力的控制，保证空调的过冷度和过热度，为循环介质发生相变创造条件；

进一步的，车内换热器和车外换热器之间连接有两个通道，车内换热器和车外换热器之间且位于其中一个通道上设置有电动压缩机和四通换向阀，四通换向阀用于将过冷液体或者热循环气体抽吸到压缩机中，进而改变循环介质在热泵系统中流动方向，实现制冷与制热模式的相互切换；

具体的，车内换热器和车外换热器之间且位于其中另一个通道上设置有电子膨胀阀，用于过冷液体或者热循环气体进行节流；

将本系统应用在车上后，制冷循环时，管道内部循环制冷剂流动方向由白色箭头表示，电动压缩机将抽吸低压端低压低温气态制冷剂，经由压缩机压缩后转变为高温高压的过热气体，通过四通电磁换向阀连接车外换热器通道，进入车外换热器，循环制冷器经过车外换热器发生相变冷凝换热，热量经换热器的翅壁传递到空气中，变为高压中温循环液态过冷制冷剂，制冷剂经过节流膨胀阀的作用后，循环制冷剂变为低压低温气雾，进入乘员舱内换热器蒸发吸热，再经由四通换向阀被抽吸到压缩机。压缩机在整个工作过程中因为转动，使得循环介质不断流动而实现制冷循环；

热泵空调制热循环时，管路内部循环制冷剂的流动方向由黑色箭头表示，电动压缩机将抽吸来自车外换热器的低压端低压低温制冷剂，经四通换向阀进入压缩机压缩变为高温高压的过热气体，再经由四通换向阀进入车内换热器，车内换热器向乘员舱风道内低温空气冷凝放热，从而提高风道内进入乘员舱空气的温度，循环制冷剂流出车内换热器变为高压中温的过冷液体，因为电子膨胀阀的节流作用，将循环制冷剂进一步变为低温低压的气液混合态，制冷剂进入车外换热器后，向环境吸收热量，带入热泵系统进入循环，随后制冷剂通过四通换向阀进入压缩机，实现制热循环；

具体的，为了提高热泵系统的性能，本系统还包括有储液干燥器及换热器风扇等辅助部件，用于起到除去管路加入循环介质中的杂质和水分作用以及提高换热器换热传热的作用，从而提高热泵空调系统的性能；

优选的，换热器风扇安装在车外换热器的内侧，储液干燥器与电动压缩机进行连接。

实施例2：

在上述实施例1的基础上，公开了一种基于热泵空调技术的集成式热管理控制系统的控制方法：

第一步：确定需要启动制冷状态还是启动制热状态；

第二步：确定需要启动制冷状态；

第三步：启动电动压缩机，将抽吸低压端低压低温气态制冷剂，经由压缩机压缩后转变为高温高压的过热气体；

第四步：启动车外换热器，循环制冷器经过车外换热器发生相变冷凝换热，热量经换热器的翅壁传递到空气中，变为高压中温循环液态过冷制冷剂；

第五步：确定需要启动制热状态；

第六步：启动电动压缩机，电动压缩机将抽吸来自车外换热器的低压端低压低温制冷剂，经四通换向阀进入压缩机压缩变为高温高压的过热气体，再经由四通换向阀进入车内换热器；

第七部：启动车内换热器，车内换热器向乘员舱风道内低温空气冷凝放热，从而提高风道内进入乘员舱空气的温度。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该本发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (7)

1.一种基于热泵空调技术的集成式热管理控制系统，其特征在于：本系统由电动压缩机、车外换热器、车内换热器、四通换向阀、电子膨胀阀组成；

所述电动压缩机是热泵空调循环制冷剂介质流动的动力来源；

所述车内换热器和车外换热器分别根据工作工况的不同充当蒸发器或冷凝器的作用，实现空调系统循环介质与车内外空气相变换热的重要场所作用；

所述四通换向阀在热泵系统中的作用是改变循环介质在热泵系统中流动方向，实现制冷与制热模式的相互切换；

所述电子膨胀阀作为节流装置，实现循环制冷剂温度及压力的控制。

2.根据权利要求1所述的一种基于热泵空调技术的集成式热管理控制系统，其特征在于，所述车内换热器和车外换热器之间连接有两个通道。

3.根据权利要求2所述的一种基于热泵空调技术的集成式热管理控制系统，其特征在于，所述车内换热器和车外换热器之间且位于其中一个所述通道上设置有电动压缩机和四通换向阀，四通换向阀用于将过冷液体或者热循环气体抽吸到电动压缩机中。

4.根据权利要求2所述的一种基于热泵空调技术的集成式热管理控制系统，其特征在于，所述车内换热器和车外换热器之间且位于其中另一个所述通道上设置有电子膨胀阀，用于对过冷液体或者热循环气体进行节流。

5.根据权利要求1所述的一种基于热泵空调技术的集成式热管理控制系统，其特征在于，本系统还包括有储液干燥器及换热器风扇，用于除去管路加入循环介质中的杂质和水分作用以及提高换热器换热传热的作用。

6.根据权利要求5所述的一种基于热泵空调技术的集成式热管理控制系统，其特征在于，所述换热器风扇安装在车外换热器的内侧，所述储液干燥器与电动压缩机进行连接。

7.一种基于热泵空调技术的集成式热管理控制系统的控制方法，用于权利要求1-6任意一种基于热泵空调技术的集成式热管理控制系统,其特征在于，步骤如下：

S1：确定需要启动制冷状态还是启动制热状态；

S2：确定需要启动制冷状态；

S3：启动电动压缩机，将抽吸低压端低压低温气态制冷剂，经由压缩机压缩后转变为高温高压的过热气体；

S4：启动车外换热器，循环制冷器经过车外换热器发生相变冷凝换热，热量经换热器的翅壁传递到空气中，变为高压中温循环液态过冷制冷剂；

S5：确定需要启动制热状态；

S6：启动电动压缩机，电动压缩机将抽吸来自车外换热器的低压端低压低温制冷剂，经四通换向阀进入压缩机压缩变为高温高压的过热气体，再经由四通换向阀进入车内换热器；

S7：启动车内换热器，车内换热器向乘员舱风道内低温空气冷凝放热，从而提高风道内进入乘员舱空气的温度。

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