CN116512869A - 一种基于气浮离心压缩机的储冷式汽车热管理系统 - Google Patents

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宋云建
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Abstract

本发明涉及一种基于气浮离心压缩机的储冷式汽车热管理系统，包括：制冷回路，其被配置为流通制冷剂，其中制冷回路中的制冷剂能够冷却换热介质回路中的换热介质；制冷系统组件，其设置在制冷回路上，其中制冷系统组件包括气浮离心压缩机，其被配置为压缩制冷剂；储冷支路，其两端与制冷回路连通；储冷组件，其设置在储冷支路上，储冷组件包括储冷装置，且被配置为存储且能够释放冷量；换热介质回路，其用于流通换热介质，以对电池包和/或乘客舱进行冷却或加热；第一换热装置，且被配置为在制冷回路与换热介质回路之间传递热量；第二换热装置，其被配置为在制冷回路与空气之间传递热量；第三换热装置，其被配置为在换热介质回路与空气之间传递热量。

Description

一种基于气浮离心压缩机的储冷式汽车热管理系统
技术领域
本发明涉及热量管理技术领域，尤其涉及一种基于气浮离心压缩机的储冷式汽车热管理系统。
背景技术
目前，汽车热管理系统完全根据乘客舱和电池的实际制冷需求控制压缩机等零部件的运行，而压缩机等零部件由于自身的特性，实际上在很大比例的工况下，并非运行在最佳效率点，这就导致了系统实际的性能系数(COP)较低，浪费了较多的能源。
为了满足不同的工况负荷要求，压缩机、膨胀阀、电子风扇等核心部件需要不停的调整工作状态，存在频繁的升降转速或开度，甚至存在频繁启停的情况，这将极大的影响系统各运动部件的可靠性和使用寿命。
发明内容
为解决现有技术中的上述问题中的至少一部分问题，本发明提供了一种基于气浮离心压缩机的储冷式汽车热管理系统，包括：
制冷回路，其被配置为流通制冷剂，其中所述制冷回路中的制冷剂能够冷却换热介质回路中的换热介质；
制冷系统组件，其设置在制冷回路上，其中制冷系统组件包括气浮离心压缩机，其被配置为压缩制冷剂；
储冷支路，其两端与所述制冷回路连通；
储冷组件，其设置在所述储冷支路上，所述储冷组件包括储冷装置，且被配置为存储且能够释放冷量，其中所述储冷装置的一部分与储冷支路连通，另一部分与换热介质回路连通；
换热介质回路，其用于流通换热介质，以对电池包和/或乘客舱进行冷却或加热；
第一换热装置，且被配置为在制冷回路与换热介质回路之间传递热量；
第二换热装置，其被配置为在制冷回路与空气之间传递热量；
第三换热装置，其被配置为在换热介质回路与空气之间传递热量。
进一步地，所述换热介质回路包括换热介质主回路以及与换热介质主回路连通的第一换热支路、加热支路和第二换热支路，其中第一换热支路、加热支路和第二换热支路并联，电池包设置在第一换热支路上；和/或
所述制冷回路包括制冷主路以及与制冷主路连通的第一制冷支路和第二制冷支路，其中第一制冷支路和第二制冷支路并联，气浮离心压缩机设置在所述制冷主路上。
进一步地，所述制冷系统组件还包括：
冷凝器，其设置在所述制冷主路上，并与所述气浮离心压缩机连通；
第一节流元件，其设置在所述第一制冷支路上，并与所述冷凝器连通；
第二节流元件，其设置在所述第二制冷支路上，并与所述冷凝器连通。
进一步地，所述第一换热装置的一部分与制冷回路连通，另一部分与换热介质回路连通，其中所述第一换热装置包括第一入口和第一出口以供制冷剂流过，以及第二入口和第二出口以供换热介质流过；
所述第二换热装置包括第一入口和第一出口以供制冷剂流过，以及第二入口和第二出口以供空气流过；
所述第二换热装置设置在所述第二制冷支路上；
所述第三换热装置包括第一入口和第一出口以供空气流过，以及第二入口和第二出口以供换热介质流过；
第三换热装置设置在所述第二换热支路上；
所述储冷装置包括第一入口和第一出口以供制冷剂流过，以及第二入口和第二出口以供换热介质流过。
进一步地，还包括：
电加热器，其设置在所述加热支路上，用于加热换热介质；
储冷节流元件，其设置在所述储冷支路上；
第一三通比例阀，其设置在所述换热介质主回路上，其第一路与所述第一换热装置的第二出口连通，第二路与第三三通比例阀的第一路及所述加热支路连通，第三路与所述第一换热支路连通；
第二三通比例阀，其设置在所述换热介质主回路上，其第一路与所述第一换热装置的第二入口以及所述第一换热支路连通，第二路与所述储冷装置的第二入口以及所述第二换热支路连通，第三路与所述加热支路连通；
第三三通比例阀，其设置在所述换热介质主回路上，其第一路与所述第一三通比例阀的第一路及加所述热支路连通，第二路与储冷装置的第二出口连通，第三路与第二换热支路连通。
进一步地，还包括：
设置在所述第一换热支路上的第一水泵和设置在所述第二换热支路上的第二水泵，第一水泵和第二水泵被配置为为换热介质的循环流动提供动力；
电子风扇，其安装在所述冷凝器上；
鼓风机，其与所述第二换热装置以及所述第三换热装置连通。
进一步地，所述气浮离心压缩机包括：
电机，其包括：
壳体，其内部两端分别设置有第一腔室及第二腔室；以及
转子，其上设置有气浮径向轴承，所述转子的端部设置有推力盘，所述推力盘的一侧或两侧设置有气浮推力轴承；
叶轮，布置于所述转子的端部，且位于所述第一腔室和/或第二腔室内；
进气口，其与所述第一腔室的进气口连通；
排气口，其与所述第二腔室的出气口连通；以及
连接管，其两端分别与所述第一腔室的出气口以及第二腔室的进气口连通。
进一步地，所述气浮离心压缩机还包括：
推力盘，其设置于所述转子的端部；
推力轴承，其设置于所述推力盘的一侧或两侧，且为气浮轴承；
级间补气口，所述级间补气口设置于所述连接管上。
进一步地，当第一节流元件和第二节流元件其中一个或两个处于开启的状态，且W压缩机＞W电池+W乘客舱时，储冷节流元件开启，并且根据量产冷量的差值实时调整储冷节流元件的开启比例，其中W压缩机为压缩机的制冷量，W电池为电池包的需求冷量，W乘客舱为乘客舱的需求冷量；
当检测到储冷装置的冷量已经饱和时，关停压缩机，启动第一水泵和/或第二水泵，通过换热介质回路中的换热介质将储冷装置中的冷量释放，通过换热介质循环将冷量释放至电池包和/或第三换热装置。
进一步地，当压缩机运行时，对电池包冷却过程包括：
第一三通比例阀的第一路和第三路开启，其第二路关闭，第二三通比例阀和第三三通比例阀的第一路、第二路和第三路均关闭；
第一节流元件开启，第一水泵运行，第一节流元件对流进的制冷剂进行节流，节流后的制冷剂迅速进行膨胀，并进入第一换热装置，在第一换热装置中，制冷剂吸收换热介质的热量，使换热介质降到预期的温度，被冷却的换热介质进入第一换热支路，以冷却电池包，然后再次进入第一换热装置；
当压缩机运行时，对乘客舱的制冷过程包括：
第二节流元件开启，第二节流元件对流进的制冷剂进行节流，节流后的制冷剂迅速进行膨胀，并进入第二换热装置，鼓风机将空气吸入，并输送至第二换热装置，在第二换热装置中，经过节流膨胀的制冷剂与空气进行热交换，制冷剂吸收空气中的热量，从而使空气降到预期的温度。
进一步地，当压缩机关闭时，利用储冷装置中的冷量来冷却电池包和乘客舱，包括：
电池包和乘客舱均需要制冷时，第一三通比例阀的第一路关闭，其第二路和第三路开启，第二三通比例阀的第一路和第二路开启，其第三路关闭，第三三通比例阀的第一路、第二路、第三路开启；
仅电池包需要制冷时，第一三通比例阀的第一路关闭，其第二路和第三路开启，第二三通比例阀的第一路和第二路开启，其第三路关闭，第三三通比例阀的第一路和第二路开启，第三路关闭；
仅乘客舱需要制冷时，第一三通比例阀的第一路和第二路关闭，第二三通比例阀的第一路和第二路关闭，第三三通比例阀的第二路和第三路开启，第一路关闭。
进一步地，利用储冷装置中的冷量来冷却电池包还包括：第一水泵运行，换热介质在储冷装置中与储冷工质进行换热，使换热介质降到预期的温度，被冷却的换热介质进入第一换热支路，以冷却电池包，然后再次进入储冷装置；
利用储冷装置中的冷量来冷却乘客舱还包括：第二水泵运行，在储冷装置中被储冷工质冷却的换热介质进入第二换热支路，到达第三换热装置，鼓风机将空气吸入，并输送至第三换热装置，在第三换热装置中，换热介质与空气进行热交换，换热介质吸收空气中的热量，从而使空气降到预期的温度。
进一步地，当电池包和乘客舱需要制热时，第一三通比例阀的第一路关闭，其第二路和第三路开启，第二三通比例阀的第一路、第二路、第三路开启，第三三通比例阀的第一路和第三路开启，第二路关闭；
仅电池包需要制热时，第一三通比例阀的第一路关闭，其第二路和第三路开启，第二三通比例阀的第一路和第三路开启，第二路关闭，第三三通比例阀的第一路关闭；
仅乘客舱需要制热时，第一三通比例阀的第二路关闭，第二三通比例阀的第一路关闭，第二路和第三路开启，第三三通比例阀的第一路和第三路开启，第二路关闭。
进一步地，关闭压缩机和储冷装置，启动电加热器对换热介质进行加热，经过电加热器加热的换热介质能够对电池包或乘客舱制热，还能够分成两路对电池包和乘客舱同时制热；
对电池包加热时，第一水泵开启，经电加热器加热后的换热介质进入第一换热支路，对电池包进行加热；
对乘客舱制热时，第二水泵开启，经电加热器加热后的换热介质进入第二换热支路，到达第三换热装置，同时鼓风机将空气吸入，并输送至第三换热装置，在第三换热装置中，换热介质与空气进行热交换，为乘客舱制热。
本发明至少具有下列有益效果：本发明公开的一种基于气浮离心压缩机的储冷式汽车热管理系统，该汽车热管理系统搭载一个超级储冷装置，根据不同的环境温度和车辆运动状态，压缩机始终保持在最大效率点进行工作，多余的冷量将存储进储冷装置，当储冷装置冷量饱和时，压缩机停止运行，储冷装置对外释放冷量，此方式保证压缩机始终保持在最佳工作效率点，极大的提升了系统的能量利用率；储冷装置选用特性较好的储冷工质材料，能够存储5kW以上冷量，这样可以极大的存储系统多余的冷量，确保一次释放可以满足较长时间的制冷需求，避免压缩机的频繁起停；本方案在储冷装置进行制冷时，通过换热芯体向乘客舱制冷，该结构同时还可用于对乘客舱的制热，结构简化，有效降低了管路的成本。该汽车热管理系统中使用的气浮离心压缩机，其采用气浮轴承，因此不需要油润滑，省去了回油管路，节省了压缩机油的成本；同时，由于气浮轴承工作时转轴不与轴承接触，而是靠气膜悬浮电机转子，因此可以将轴承寿命提高至少1倍，提升了压缩机与热管理系统的可靠性；采用气浮轴承，不使用压缩机油，制冷剂的换热效率得到提升，相对传统带压缩机油的压缩机，制冷量提升5％以上；售后市场维修进行部件维修更换时不再需要对压缩机油进行补充；相同冷量下，基于高速永磁同步电机的气浮离心压缩机相比涡旋压缩机，体积下降约30％，重量下降约50％，可以为新能源汽车节省更多的布置空间，也有利于新能源汽车进行轻量化。
附图说明
为了进一步阐明本发明的各实施例的以上和其它优点和特征，将参考附图来呈现本发明的各实施例的更具体的描述。可以理解，这些附图只描绘本发明的典型实施例，因此将不被认为是对其范围的限制。在附图中，为了清楚明了，相同或相应的部件将用相同或类似的标记表示。
图1示出了根据本发明一个实施例的一种基于气浮离心压缩机的储冷式汽车热管理系统的示意图。
图2示出本发明一个实施例的一种气浮离心压缩机的构型示意图；
图3a-3d分别示出本发明其他实施例的气浮离心压缩机的构型示意图；
图4a-4d分别示出本发明实施例的气浮离心压缩机中不同转子系统的构型示意图；
图5示出本发明一个实施例的一种小冷量气浮离心压缩机的结构示意图；以及
图6示出本发明一个实施例的一种小冷量气浮离心压缩机的剖面示意图。
具体实施方式
应当指出，各附图中的各组件可能为了图解说明而被夸大地示出，而不一定是比例正确的。
在本发明中，各实施例仅仅旨在说明本发明的方案，而不应被理解为限制性的。
在本发明中，除非特别指出，量词“一个”、“一”并未排除多个元素的场景。
在此还应当指出，在本发明的实施例中，为清楚、简单起见，可能示出了仅仅一部分部件或组件，但是本领域的普通技术人员能够理解，在本发明的教导下，可根据具体场景需要添加所需的部件或组件。
在此还应当指出，在本发明的范围内，“相同”、“相等”、“等于”等措辞并不意味着二者数值绝对相等，而是允许一定的合理误差，也就是说，所述措辞也涵盖了“基本上相同”、“基本上相等”、“基本上等于”。
在此还应当指出，在本发明的描述中，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是明示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为明示或暗示相对重要性。
另外，本发明的实施例以特定顺序对工艺步骤进行描述，然而这只是为了方便区分各步骤，而并不是限定各步骤的先后顺序，在本发明的不同实施例中，可根据工艺的调节来调整各步骤的先后顺序。
在本发明中，高温＞中温＞低温，高压＞低压。
图1示出了根据本发明一个实施例的一种基于气浮离心压缩机的储冷式汽车热管理系统的示意图。
如图1所示，一种基于气浮离心压缩机的储冷式汽车热管理系统包括：
制冷回路用于流通制冷剂，其包括制冷主路10以及与制冷主路10连通的第一制冷支路11和第二制冷支路12，其中第一制冷支路11和第二制冷支路12并联；
制冷系统组件，其设置在制冷回路上；
储冷支路20，其两端与制冷回路连通，且与第一制冷支路11、第二制冷支路12并联；
储冷组件，其设置在储冷支路20上，储冷组件包括储冷装置21和储冷节流元件22；储冷装置21被配置为存储且能够释放冷量，其包括第一入口和第一出口以供制冷剂流过，以及第二入口和第二出口以供换热介质流过，储冷装置21的一部分与储冷支路20连通，另一部分与换热介质回路连通；储冷装置21采用隔热保温设计，1小时保温效率95％以上，内部选用特性较好的储冷工质材料，能够存储5kW以上冷量。储冷节流元件22被配置为对制冷剂进行节流以降低制冷剂的温度和压力。
换热介质回路，其用于流通换热介质，以对电池包或乘客舱进行冷却或加热。换热介质回路包括换热介质主回路30以及与换热介质主回路30连通的第一换热支路31、加热支路32和第二换热支路33，其中第一换热支路31、加热支路32和第二换热支路33并联。电池包1设置在第一换热支路31上。
制冷系统组件包括气浮离心压缩机41、冷凝器42、第一节流元件43和第二节流元件44。气浮离心压缩机41被配置为压缩制冷剂。冷凝器42与气浮离心压缩机41连通，且被配置为冷凝制冷剂。第一节流元件43设置在第一制冷支路11上。第二节流元件44设置在第二制冷支路12上。第一节流元件43和第二节流元件44均于冷凝器42连通。气浮离心压缩机41排出的高温高压气体制冷剂经过冷凝器42冷凝成中温高压液体。节流元件的作用是对制冷剂进行节流以降低制冷剂的温度和压力，将中温高压的制冷剂变为低温低压的制冷剂，所述节流元件包括膨胀阀、毛细管、节流管等。中温高压液体制冷剂经过第一节流元件43和第二节流元件44变成低温低压液体制冷剂。
一种基于气浮离心压缩机的储冷式汽车热管理系统还包括第一换热装置50，第一换热装置50的一部分与制冷回路连通，另一部分与换热介质回路连通，且被配置为在制冷回路与换热介质回路之间传递热量，其中第一换热装置包括第一入口和第一出口以供制冷剂流过，以及第二入口和第二出口以供换热介质流过；第二换热装置51，其设置在第二制冷支路12上，且被配置为在制冷回路与空气之间传递热量，其中第二换热装置51包括第一入口和第一出口以供制冷剂流过，以及第二入口和第二出口以供空气流过；电加热器52，其设置在加热支路32上，用于加热换热介质；第三换热装置53，其设置在第二换热支路33上，且被配置为在换热介质回路与空气之间传递热量，其中第三换热装置53包括第一入口和第一出口以供空气流过，以及第二入口和第二出口以供换热介质流过。第一换热装置50包括板式换热器。第二换热装置51包括蒸发器。第三换热装置53包括换热芯体。
一种基于气浮离心压缩机的储冷式汽车热管理系统还包括设置在换热介质主回路30上的第一三通比例阀61、第二三通比例阀62、第三三通比例阀63。第一换热支路31的两端分别连接第一三通比例阀61和换热介质主回路30；加热支路32的两端分别连接第二三通比例阀62和换热介质主回路30；第二换热支路33的两端分别连接第三三通比例阀63和换热介质主回路30。
采用的三通比例阀既可以实现三路全部开启或全部关闭，也可以实现任意两路连通，而且还可以根据需求进行比例调节，此结构可以完全满足制冷和制热在各工况下的需求。第一三通比例阀61的第三路与第一换热支路31连通，其第一路与第一换热装置50的第二出口连通，第二路与第三三通比例阀63的第一路及加热支路32连通。第二三通比例阀62的第三路与加热支路32连通，其第一路与第一换热装置50的第二入口以及第一换热支路31连通，第二路与储冷装置21的第二入口以及第二换热支路33连通。第三三通比例阀63的第三路与第二换热支路33连通，其第一路与第一三通比例阀61的第二路以及加热支路32连通，第二路与储冷装置21的第二出口连通。
一种基于气浮离心压缩机的储冷式汽车热管理系统还包括设置在第一换热支路31上的第一水泵34和设置在第二换热支路33上的第二水泵35，第一水泵34和第二水泵35被配置为为换热介质的循环流动提供动力；电子风扇45，其安装在冷凝器42上；鼓风机46，其与第二换热装置51以及第三换热装置53连通。鼓风机46能够吸入空气，并输送至第二换热装置51或第三换热装置53。
上述基于气浮离心压缩机的储冷式汽车热管理系统的换热介质循环是多并联结构，第一水泵34和第二水泵35分别作为推动电池包和乘客舱实现换热的动力源。第一换热装置50和储冷装置21位于主换热介质回路30的两端，分别起到将制冷剂、储冷工质的热量传递至换热介质的作用，中间并联第一换热支路31和第二换热支路33，在第一换热支路31和第二换热支路33中间还并联一个加热支路32，第一换热支路31、加热支路32和第二换热支路33在整个回路中都是通过三通比例阀实现换热介质的流向切换。
当上述基于气浮离心压缩机的储冷式汽车热管理系统运行时，制冷剂的循环过程如下：
气浮离心压缩机41作为系统内制冷剂循环的动力源，对制冷剂进行压缩，压缩后的高温高压气体制冷剂通过制冷主路10到达冷凝器42，电子风扇45将常温的空气吸入冷凝器翅片，冷凝器42将高温高压制冷剂的热量与空气进行热交换。冷凝后的制冷剂可以分成三路，一路进入第一制冷支路11，到达第一节流元件43，一路进入第二制冷支路12，到达第二节流元件44，最后一路进入储冷支路20，到达储冷节流元件20。
当第一节流元件43开启时，第一节流元件43对流进的制冷剂进行节流，节流后的制冷剂迅速进行膨胀，成为低温低压的液体制冷剂，并进入第一换热装置50，在第一换热装置50中，经过节流的制冷剂通过第一换热装置50从换热介质中吸收热量，从而使换热介质降到预期的温度，以满足电池包冷却的需求，制冷剂变成低温低压的气体，然后回到气浮离心压缩机41。
当第二节流元件44开启时，第二节流元件44对流进的制冷剂进行节流，节流后的制冷剂迅速进行膨胀，成为低温低压的液体制冷剂，并进入第二换热装置51，在第二换热装置51中，经过节流膨胀的制冷剂与空气进行热交换，制冷剂吸收空气中的热量，从而使空气降到预期的温度，实现制冷的效果，经过蒸发吸热后的制冷剂变成低温低压的气体，再次回到气浮离心压缩机41。
当储冷节流元件22开启时，储冷节流元件22对流进的制冷剂进行节流，节流后的制冷剂迅速进行膨胀，成为低温低压的液体制冷剂，并进入储冷装置21，储冷装置21内的工质与节流膨胀的制冷剂进行换热，制冷剂吸收储冷工质中的热量，从而使储冷工质降到较低的温度，实现储冷装置的冷量收集，经过蒸发吸热后的制冷剂变成低温低压的气体，再次回到气浮离心压缩机41。
汽车热管理系统根据电池包需求制冷量W电池和乘客舱需求制冷量W乘客舱最大极限制冷负荷进行开发设计气浮离心压缩机，即气浮离心压缩机在相同工况下，最佳效率点能满足W电池和W乘客舱最大极限制冷负荷，保证在任何工况下，气浮离心压缩机都能够处于最佳的运行状态。
第一换热装置50前的第一节流元件43和第二换热装置51前的第二节流元件44分别根据电池包1冷却需求和乘客舱制冷需求实时控制开启状态和开启大小，即可以只开启其中一个节流元件，也可以两个同时开启。
上述基于气浮离心压缩机的储冷式汽车热管理系统运行时，优先保证电池包的制冷，其次为乘客舱制冷，当系统能力有盈余时，才会开启储冷装置前的储冷节流元件22。储冷装置21前的储冷节流元件22开启需满足以下两个条件：一是第一节流元件43和第二节流元件44其中一个或两个处于开启的状态；二是根据气浮离心压缩机41的制冷量W压缩机、电池包的需求冷量W电池和乘客舱的需求冷量W乘客舱的关系确定。当第一节流元件43和第二节流元件44其中一个或两个处于开启的状态，且W压缩机＞W电池+W乘客舱，储冷装置21前的储冷节流元件22开启，并且根据量产冷量的差值实时调整储冷节流元件22的开启比例。量产冷量的差值是指气浮离心压缩机的制冷量W压缩机与电池包的需求冷量W电池和乘客舱的需求冷量W乘客舱之和的差值。储冷装置21采用封闭隔热设计，1小时保温效率95％以上，内部选用特性较好的储冷工质材料，能够存储5kW以上冷量。
在车辆实际运行时，环境温度和车辆运行速度等状态会实时改变。因此，根据实时环境温度和车辆运行状态的不同，气浮离心压缩机始终保持较好的压比，使气浮离心压缩机在最佳效率点进行工作，以保证系统的最佳性能系数(COP)。
上述基于气浮离心压缩机的储冷式汽车热管理系统制冷运行：气浮离心压缩机41将制冷剂进行压缩，之后制冷剂经过冷凝器冷凝，冷凝后的制冷剂分成三路分别进入第一节流元件43、第二节流元件44和储冷节流元件22位置。第一节流元件43和第二节流元件44分别根据乘客舱和电池包的制冷需求量自动调节开度，如乘客舱和电池包已满足制冷需求，此时开启储冷节流元件22，使制冷剂进入储冷装置21中，储冷装置21存储冷量。当检测到储冷装置21的冷量已经饱和时，关停气浮离心压缩机41，启动第一水泵34和/或第二水泵35，通过换热介质回路中的换热介质将储冷装置21中的冷量释放，通过换热介质循环将冷量释放至电池包1和/或第三换热装置53。在三通比例阀的作用下，换热介质不经过电加热器52和第一换热装置50，此时，乘客舱不再使用第二换热装置51进行制冷，而是使用第三换热装置53进行制冷。
具体的，当气浮离心压缩机运行时，对电池包进行冷却的过程如下：
第一三通比例阀61的第一路和第三路开启，其第二路关闭；第二三通比例阀62的第一路、第二路和第三路关闭；第三三通比例阀63的第一路、第二路和第三路关闭。
第一节流元件43开启，第一水泵34运行，第一节流元件43对流进的制冷剂进行节流，节流后的制冷剂迅速进行膨胀，并进入第一换热装置50，在第一换热装置50中，制冷剂吸收换热介质的热量，使换热介质降到预期的温度，被冷却的换热介质进入第一换热支路31，以冷却电池包1，然后再次进入第一换热装置50。
当气浮离心压缩机运行时，对乘客舱进行制冷的过程如下：第二节流元件44开启，第二节流元件44对流进的制冷剂进行节流，节流后的制冷剂迅速进行膨胀，并进入第二换热装置51，鼓风机46将空气吸入，并输送至第二换热装置51，在第二换热装置51中，经过节流膨胀的制冷剂与空气进行热交换，制冷剂吸收空气中的热量，从而使空气降到预期的温度，实现制冷的效果。
当气浮离心压缩机关闭时，利用储冷装置中的冷量来冷却电池包和乘客舱，包括：
电池包和乘客舱均需要制冷时，第一三通比例阀61的第一路关闭，其第二路和第三路开启，第二三通比例阀62的第一路和第二路开启，其第三路关闭，第三三通比例阀63的第一路、第二路、第三路开启。
仅电池包需要制冷时，第一三通比例阀61的第一路关闭，其第二路和第三路开启，第二三通比例阀62的第一路和第二路开启，其第三路关闭，第三三通比例阀63的第一路和第二路开启，第三路关闭。
仅乘客舱需要制冷时，第一三通比例阀61的第一路和第二路关闭，第二三通比例阀62的第一路和第二路关闭，第三三通比例阀63的第二路和第三路开启，第一路关闭。
电池包冷却：第一水泵34运行，换热介质在储冷装置21中与储冷工质进行换热，使换热介质降到预期的温度，被冷却的换热介质进入第一换热支路31，以冷却电池包1，然后再次进入储冷装置21。
对乘客舱进行制冷：第二水泵35运行，在储冷装置21中被储冷工质冷却的换热介质进入第二换热支路33，到达第三换热装置53，鼓风机46将空气吸入，并输送至第三换热装置53，在第三换热装置53中，换热介质与空气进行热交换，换热介质吸收空气中的热量，从而使空气降到预期的温度，实现制冷的效果。
上述基于气浮离心压缩机的储冷式汽车热管理系统制热运行：
当电池包和乘客舱有制热需求时，第一三通比例阀61的第一路关闭，其第二路和第三路开启，第二三通比例阀62的第一路、第二路、第三路开启，第三三通比例阀63的第一路和第三路开启，第二路关闭。
仅电池包有制热需求时，第一三通比例阀61的第一路关闭，其第二路和第三路开启，第二三通比例阀62的第一路和第三路开启，第二路关闭，第三三通比例阀63的第一路关闭。
仅乘客舱有制热需求时，第一三通比例阀61的第二路关闭，第二三通比例阀62的第一路关闭，第二路和第三路开启，第三三通比例阀63的第一路和第三路开启，第二路关闭。
关闭气浮离心压缩机41和储冷装置21，启动电加热器52对换热介质进行加热，经过电加热器52加热的换热介质能够对电池包1或乘客舱制热，还能够分成两路对电池包1和乘客舱同时制热。
第一水泵34开启，经电加热器52加热后的换热介质进入第一换热支路31，对电池包1进行加热。
第二水泵35开启，经电加热器52加热后的换热介质进入第二换热支路33，到达第三换热装置53，同时鼓风机46将空气吸入，并输送至第三换热装置53，在第三换热装置53中，换热介质与空气进行热交换，为乘客舱制热。第一换热支路31和第二换热支路33为完全并联状态，上述基于气浮离心压缩机的储冷式汽车热管理系统制热运行时，在三通阀比例阀的作用下，换热介质不经过第一换热装置50和储冷装置21。
气浮离心压缩机将通过进气口进入的低温低压气体压缩成高温高压气体，并从排气口中排出。下面详细介绍气浮离心压缩机的结构及其工作原理。
在本发明的实施例中，术语“主气路”是指气体沿进气口进入压缩机压缩后，再经由排气口排出这一气体流路。术语“高压侧”是指压缩机内部气压较高的一侧，即末级叶轮所在的一侧，术语“低压侧”则是指压缩机内部相对于高压侧的一侧。在正常情况下，气体从高压侧经气浮轴承流向低压侧后回到主气路中。
图2及图3a-3d分别示出本发明不同实施例的气浮离心压缩机的构型示意图。如图所示，在发明的实施例中，气浮离心压缩机包括电机及叶轮200。其中电机的转子系统包含有径向的气浮轴承111，当电机转轴旋转时，所述径向的气浮轴承吸入气体，形成气膜支撑转子高速旋转，同时推力轴承(若有)也形成气膜，使得推力转轴与轴承无接触，轴承几乎无磨损，且能大幅地降低甚至消除机械损失及噪声。如图所示，叶轮200设置于转子101的端部处，用于压缩低温低压制冷剂气体，以形成高温高压的制冷剂气体排入冷凝器。在此，术语“径向”和“轴向”是指转子或其旋转轴的径向和轴向。
图4a-4d分别示出本发明实施例的气浮离心压缩机中不同转子系统的构型示意图。如图所示，在本发明的实施例中，转子系统101中包含两个径向轴承，两个径向轴承之间存在一定间距，且可对称地分布于所述转子上。在本发明的一个实施例中，径向轴承采用箔片式动压气浮轴承，当有气体引入轴承位置时，可形成气膜，进而达到气浮效果。
为了承受在压缩机工作过程中产生的轴向推力，在本发明的一个实施例中，转子系统中还设置有推力盘112及推力轴承113。推力盘112及推力轴承113是可选的。如图4a-4d所示，推力盘112可以设置于转子的任意一端，也可以在转子的两端分别设置一个推力盘112。当仅设置一个推力盘时，可在推力盘112的两侧分别设置一个推力轴承113，如图所示，两个推力轴承113的作用面均朝向推力盘112，因此可分别承受不同方向的轴向推力，具体而言，两个推力轴承113可承受的轴向推力方向相反。当设置有两个推力盘时，可在两个推力盘112相对的两侧，或者相远离的两侧分别设置一个推力轴承113，如图所示，两个推力轴承113的作用面均朝向所述推力盘112，因此可分别承受不同方向的轴向推力，具体而言，两个推力轴承113可承受的轴向推力方向相反。在本发明的一个实施例中，推力轴承采用箔片式动压气浮轴承，当有气体引入轴承位置时，可形成气膜，进而达到气浮效果。
如图2及图3a-3d所述，在本发明的不同实施例中，可根据实际需求，设置单级、双级或多级叶轮。具体而言，仅设置单级叶轮时，如图2及图3a所示，叶轮200可设置于所述转子的任意一端，则可将设置有叶轮的一侧记为高压侧，而未设置叶轮的一侧记为低压侧。当设置有两级叶轮时，如图3b及3c所示，两个叶轮可以分别设置于转子的两端，也可以全部设置于转子的任意一端，当分别设置于转子的两端时，可将设置有前一级叶轮的一侧记为低压侧，而设置有后一级叶轮的一侧记为高压侧，当全部设置于转子的一端时，则可将设置有叶轮的一侧记为高压侧，而未设置叶轮的一侧记为低压侧。类似地，如图3d所示，当设置有多级叶轮时，多个叶轮可以等分或不等分地分别设置于转子的两端，也可以全部设置于转子的任意一端，当分别设置于转子的两端时，可将设置有前一级叶轮的一侧记为低压侧，而设置有后一级叶轮的一侧记为高压侧，当全部设置于转子的一端时，则可将设置有叶轮的一侧记为高压侧，而未设置叶轮的一侧记为低压侧。基于此，如图2及3a-3d所示，当转子转动时，主气路中经叶轮压缩过的高压气体的一部分会在压力作用下，进入高压侧的径向轴承，然后经过电机定子与转子之间的气隙进入低压侧的径向轴承，并回到主气路中。当设置有推力盘及推力轴承时，高压气体还会经过推力轴承形成气膜，承受轴向推力。为了有效降低推力轴承所受到的轴向推力，在本发明的一个实施例中，低压侧的叶轮与高压侧的叶轮采用背靠背的方式设置，进而使得高压侧与低压侧的叶轮的轴向推力方向相反，以互相抵消。在本发明的一个实施例中，叶轮采用闭式叶轮。在本发明的一个实施例中，叶轮通过锁紧螺母固定于所述转子上。
下面以如图3b所示的构型为例，详细介绍本发明实施例中气浮离心压缩机的具体结构及工作原理。应当理解的是，采用其他构型的气浮离心压缩机的结构及工作原理与该实施例基本相同，区别仅在于叶轮的数量、位置和/或推力盘的数量、位置，在此不再赘述。
图5及图6分别示出本发明一个实施例的一种小冷量气浮离心压缩机的结构示意图及剖面示意图。如图所示，一种小冷量气浮离心压缩机，包括电机100、叶轮、进气口301、排气口302以及连接管303。
电机100包括转子101、定子102以及壳体103。定子102固定于壳体103内部，转子101的中心轴与所述定子102的中心轴重合。转子101上设置有两个径向的气浮轴承111，同时在靠近所述进气口301的一侧设置有推力盘112，且推力盘的两侧分别设置有一个气浮的推力轴承113，两个推力轴承相对设置，以分别承受指向低压侧或高压侧的轴向推力。
如图所示，壳体103的内部的两端分别设置有第一腔室及第二腔室。其中，第一腔室的进气口与压缩机的进气口301连通，也可理解为，进气口301即为所述第一腔室的进气口，第一腔室内设置有第一叶轮201，第一叶轮201固定于转子101的第一端。第一腔室与第二腔室之间设置有连接管303，经第一叶轮201压缩后的气体从第一腔室的出气口流出进入连接管303后，经第二腔室的进气口进入第二腔室内。第二腔室内设置有第二叶轮202，第二叶轮202固定于转子101的第二端，经第二叶轮202压缩后的气体大部分从第二腔室的出气口流出，第二腔室的出气口与压缩机的排气口302连通，也可理解为，排气口302即为第二腔室的出气口。如图所示，在本发明的实施例中，第一腔室及第二腔室的出气口处还分别设置有第一端盖135及第二端盖136，第一端盖135及第二端盖136与转子101之间存在间隙，同时，第一端盖135与第一叶轮201之间存在一定间隙，流经气浮轴承的气体可经由这一间隙回到主气路中，第二端盖136与第二叶轮202之间同样存在一定间隙，经第二叶轮202压缩后的气体中的一部分在压力作用下可经由这一间隙进入到气浮轴承中。在本发明的一个实施例中，第一叶轮201及第二叶轮202均采用闭式叶轮，相对于开式叶轮，闭式叶轮能够有效消除叶尖间隙引起的叶片压力面到吸力面的二次流动，进而可以有效提升压缩机气动效率。在本发明的一个实施例中，如前所示，第一叶轮201及第二叶轮202采用背靠背的设计方式，使得第一、第二叶轮的轴向推力方向相反，互相抵消，进而有效降低推力轴承所受到的轴向推力。在本发明的一个实施例中，第一叶轮201及第二叶轮202分别通过第一锁紧螺母211及第二锁紧螺母221固定于转子101上。
如图所示，电机的两端的外侧还分别设置有第一压壳131及第二压壳132，第一压壳131与第一叶轮201之间设置有第一密封圈133，以及第二压壳132与第二叶轮202之间设置有第二密封圈134，第一、第二密封圈可显著降低第一、第二叶轮出口到进口的回流效应，可进一步提升压缩机效率。
为了降低第二叶轮202的压缩功耗，在本发明的一个实施例中，在连接管303上还设置有级间补气孔331，以接入来自经济器的排气，对第一叶轮压缩后的气体进行冷却，进而达到降低高压叶轮的压缩功耗、提升系统的效率的目的。
在本发明的一个实施例中，电机100采用高速永磁同步电机，其轴承工作时为非接触式轴承，因此可以承受比通常的球轴承更高的转速，根据压缩机欧拉公式Δh＝U2Cu2-U1Cu1可知，同样做功能力的压缩机，转速越大，径向尺寸越小，因此采用永磁同步电机能够提升压缩机的功率密度。
如前所述的气浮离心压缩机其工作原理在于：经第二叶轮压缩后的气体经由第二叶轮与第二端盖之间空隙、第二端盖与转子之间的间隙进入高压侧的第二径向轴承，然后经过定子与转子之间的气隙进入低压侧的第一径向轴承，随后通过推力盘与电机壳体之间的间隙以及推力盘与第一端盖之间的间隙依次经过两个推力轴承，最后依次经过第一端盖与转子之间的间隙、第一叶轮与第一端盖之间的间隙进入第一腔室，即第一叶轮的排气口，回到主气路中实现内循环。相对于静压气浮轴承，所述气浮离心压缩机可以省略外接的补气通道，简化系统结构，提高可靠性。
虽然本发明的一些实施方式已经在本申请文件中予以了描述，但是本领域技术人员能够理解，这些实施方式仅仅是作为示例示出的。本领域技术人员在本发明的教导下可以想到众多的变型方案、替代方案和改进方案而不超出本发明的范围。所附权利要求书旨在限定本发明的范围，并借此涵盖这些权利要求本身及其等同变换的范围内的方法和结构。

Claims (14)

1.一种基于气浮离心压缩机的储冷式汽车热管理系统，其特征在于，包括：
制冷回路，其被配置为流通制冷剂，其中所述制冷回路中的制冷剂能够冷却换热介质回路中的换热介质；
制冷系统组件，其设置在制冷回路上，其中制冷系统组件包括气浮离心压缩机，其被配置为压缩制冷剂；
储冷支路，其两端与所述制冷回路连通；
储冷组件，其设置在所述储冷支路上，所述储冷组件包括储冷装置，且被配置为存储且能够释放冷量，其中所述储冷装置的一部分与储冷支路连通，另一部分与换热介质回路连通；
换热介质回路，其用于流通换热介质，以对电池包和/或乘客舱进行冷却或加热；
第一换热装置，且被配置为在制冷回路与换热介质回路之间传递热量；
第二换热装置，其被配置为在制冷回路与空气之间传递热量；
第三换热装置，其被配置为在换热介质回路与空气之间传递热量。
2.根据权利要求1所述的基于气浮离心压缩机的储冷式汽车热管理系统，其特征在于，所述换热介质回路包括换热介质主回路以及与换热介质主回路连通的第一换热支路、加热支路和第二换热支路，其中第一换热支路、加热支路和第二换热支路并联，电池包设置在第一换热支路上；和/或
所述制冷回路包括制冷主路以及与制冷主路连通的第一制冷支路和第二制冷支路，其中第一制冷支路和第二制冷支路并联，气浮离心压缩机设置在所述制冷主路上。
3.根据权利要求2所述的基于气浮离心压缩机的储冷式汽车热管理系统，其特征在于，所述制冷系统组件还包括：
冷凝器，其设置在所述制冷主路上，并与所述气浮离心压缩机连通；
第一节流元件，其设置在所述第一制冷支路上，并与所述冷凝器连通；
第二节流元件，其设置在所述第二制冷支路上，并与所述冷凝器连通。
4.根据权利要求3所述的基于气浮离心压缩机的储冷式汽车热管理系统，其特征在于，所述第一换热装置的一部分与制冷回路连通，另一部分与换热介质回路连通，其中所述第一换热装置包括第一入口和第一出口以供制冷剂流过，以及第二入口和第二出口以供换热介质流过；
所述第二换热装置包括第一入口和第一出口以供制冷剂流过，以及第二入口和第二出口以供空气流过；
所述第二换热装置设置在所述第二制冷支路上；
所述第三换热装置包括第一入口和第一出口以供空气流过，以及第二入口和第二出口以供换热介质流过；
第三换热装置设置在所述第二换热支路上；
所述储冷装置包括第一入口和第一出口以供制冷剂流过，以及第二入口和第二出口以供换热介质流过。
5.根据权利要求4所述的基于气浮离心压缩机的储冷式汽车热管理系统，其特征在于，还包括：
电加热器，其设置在所述加热支路上，用于加热换热介质；
储冷节流元件，其设置在所述储冷支路上；
第一三通比例阀，其设置在所述换热介质主回路上，其第一路与所述第一换热装置的第二出口连通，第二路与第三三通比例阀的第一路及所述加热支路连通，第三路与所述第一换热支路连通；
第二三通比例阀，其设置在所述换热介质主回路上，其第一路与所述第一换热装置的第二入口以及所述第一换热支路连通，第二路与所述储冷装置的第二入口以及所述第二换热支路连通，第三路与所述加热支路连通；
第三三通比例阀，其设置在所述换热介质主回路上，其第一路与所述第一三通比例阀的第一路及加所述热支路连通，第二路与储冷装置的第二出口连通，第三路与第二换热支路连通。
6.根据权利要求5所述的基于气浮离心压缩机的储冷式汽车热管理系统，其特征在于，还包括：
设置在所述第一换热支路上的第一水泵和设置在所述第二换热支路上的第二水泵，第一水泵和第二水泵被配置为为换热介质的循环流动提供动力；
电子风扇，其安装在所述冷凝器上；
鼓风机，其与所述第二换热装置以及所述第三换热装置连通。
7.根据权利要求1所述的基于气浮离心压缩机的储冷式汽车热管理系统，其特征在于，所述气浮离心压缩机包括：
电机，其包括：
壳体，其内部两端分别设置有第一腔室及第二腔室；以及
转子，其上设置有气浮径向轴承，所述转子的端部设置有推力盘，所述推力盘的一侧或两侧设置有气浮推力轴承；
叶轮，布置于所述转子的端部，且位于所述第一腔室和/或第二腔室内；
进气口，其与所述第一腔室的进气口连通；
排气口，其与所述第二腔室的出气口连通；以及
连接管，其两端分别与所述第一腔室的出气口以及第二腔室的进气口连通。
8.根据权利要求7所述的基于气浮离心压缩机的储冷式汽车热管理系统，其特征在于，所述气浮离心压缩机还包括：
推力盘，其设置于所述转子的端部；
推力轴承，其设置于所述推力盘的一侧或两侧，且为气浮轴承；
级间补气口，所述级间补气口设置于所述连接管上。
9.根据权利要求5所述的基于气浮离心压缩机的储冷式汽车热管理系统，其特征在于，当第一节流元件和第二节流元件其中一个或两个处于开启的状态，且W压缩机＞W电池+W乘客舱时，储冷节流元件开启，并且根据量产冷量的差值实时调整储冷节流元件的开启比例，其中W压缩机为压缩机的制冷量，W电池为电池包的需求冷量，W乘客舱为乘客舱的需求冷量；
当检测到储冷装置的冷量已经饱和时，关停压缩机，启动第一水泵和/或第二水泵，通过换热介质回路中的换热介质将储冷装置中的冷量释放，通过换热介质循环将冷量释放至电池包和/或第三换热装置。
10.根据权利要求6所述的基于气浮离心压缩机的储冷式汽车热管理系统，其特征在于，当压缩机运行时，对电池包冷却过程包括：
第一三通比例阀的第一路和第三路开启，其第二路关闭，第二三通比例阀和第三三通比例阀的第一路、第二路和第三路均关闭；
第一节流元件开启，第一水泵运行，第一节流元件对流进的制冷剂进行节流，节流后的制冷剂迅速进行膨胀，并进入第一换热装置，在第一换热装置中，制冷剂吸收换热介质的热量，使换热介质降到预期的温度，被冷却的换热介质进入第一换热支路，以冷却电池包，然后再次进入第一换热装置；
当压缩机运行时，对乘客舱的制冷过程包括：
第二节流元件开启，第二节流元件对流进的制冷剂进行节流，节流后的制冷剂迅速进行膨胀，并进入第二换热装置，鼓风机将空气吸入，并输送至第二换热装置，在第二换热装置中，经过节流膨胀的制冷剂与空气进行热交换，制冷剂吸收空气中的热量，从而使空气降到预期的温度。
11.根据权利要求6所述的基于气浮离心压缩机的储冷式汽车热管理系统，其特征在于，当压缩机关闭时，利用储冷装置中的冷量来冷却电池包和乘客舱，包括：
电池包和乘客舱均需要制冷时，第一三通比例阀的第一路关闭，其第二路和第三路开启，第二三通比例阀的第一路和第二路开启，其第三路关闭，第三三通比例阀的第一路、第二路、第三路开启；
仅电池包需要制冷时，第一三通比例阀的第一路关闭，其第二路和第三路开启，第二三通比例阀的第一路和第二路开启，其第三路关闭，第三三通比例阀的第一路和第二路开启，第三路关闭；
仅乘客舱需要制冷时，第一三通比例阀的第一路和第二路关闭，第二三通比例阀的第一路和第二路关闭，第三三通比例阀的第二路和第三路开启，第一路关闭。
12.根据权利要求11所述的基于气浮离心压缩机的储冷式汽车热管理系统，其特征在于，利用储冷装置中的冷量来冷却电池包还包括：第一水泵运行，换热介质在储冷装置中与储冷工质进行换热，使换热介质降到预期的温度，被冷却的换热介质进入第一换热支路，以冷却电池包，然后再次进入储冷装置；
利用储冷装置中的冷量来冷却乘客舱还包括：第二水泵运行，在储冷装置中被储冷工质冷却的换热介质进入第二换热支路，到达第三换热装置，鼓风机将空气吸入，并输送至第三换热装置，在第三换热装置中，换热介质与空气进行热交换，换热介质吸收空气中的热量，从而使空气降到预期的温度。
13.根据权利要求6所述的基于气浮离心压缩机的储冷式汽车热管理系统，其特征在于，当电池包和乘客舱需要制热时，第一三通比例阀的第一路关闭，其第二路和第三路开启，第二三通比例阀的第一路、第二路、第三路开启，第三三通比例阀的第一路和第三路开启，第二路关闭；
仅电池包需要制热时，第一三通比例阀的第一路关闭，其第二路和第三路开启，第二三通比例阀的第一路和第三路开启，第二路关闭，第三三通比例阀的第一路关闭；
仅乘客舱需要制热时，第一三通比例阀的第二路关闭，第二三通比例阀的第一路关闭，第二路和第三路开启，第三三通比例阀的第一路和第三路开启，第二路关闭。
14.根据权利要求13所述的基于气浮离心压缩机的储冷式汽车热管理系统，其特征在于，关闭压缩机和储冷装置，启动电加热器对换热介质进行加热，经过电加热器加热的换热介质能够对电池包或乘客舱制热，还能够分成两路对电池包和乘客舱同时制热；
对电池包加热时，第一水泵开启，经电加热器加热后的换热介质进入第一换热支路，对电池包进行加热；
对乘客舱制热时，第二水泵开启，经电加热器加热后的换热介质进入第二换热支路，到达第三换热装置，同时鼓风机将空气吸入，并输送至第三换热装置，在第三换热装置中，换热介质与空气进行热交换，为乘客舱制热。
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