车用热泵空调系统及其控制方法

1.本发明涉及汽车空调技术领域，特别是涉及一种车用热泵空调系统及其控制方法。


背景技术：

2.随着电动车的普及，其空调系统作为影响电动车动力性、经济性和续航能力的重要因素，受到了越来越多的关注。目前，电动车用空调的系统解决方案主要有热电空调、电动压缩机制冷+ptc加热器制热的混合调节空调、热泵型空调等。由于热泵型空调不受原材料的制约，且制冷和制热能效比都大于1，因此被认为是最适合电动车的空调系统解决方案。但传统热泵型空调的系统性能并不理想，难以适应复杂的汽车运行工况，尤其在低温工况下，系统能效比低甚至不能正常运行。因此，为减小空调系统对电动车续航里程的影响，发明一种在不同工况下都能节能、高效、可靠运行的电动车空调系统是在电动车的推广和普及中迫切需要解决的问题。


技术实现要素：

3.在本发明的目的在于克服现有技术的缺点和不足，提供一种带准二级压缩循环的车用热泵空调系统及其控制方法，它不仅能适应电动车在不同区域驾乘人员对冷暖的需求，还能够保证系统无论在普通工况还是低温工况下，都能可靠运行，且能实现节能、高效的目的。
4.为解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：一种车用热泵空调系统包括压缩机、四通换向阀、车内风机、车内换热器、车外风机、车外换热器，所述车外换热器连接水冷系统，其特征在于：还包括经济器组件、主膨胀阀组件，且所述压缩机带辅助进气口；所述经济器组件分别与主膨胀阀组件、截止电磁阀、车内换热器连接，所述截止电磁阀连接压缩机的辅助进气口；所述经济器组件包括过冷器、中间喷射膨胀阀，所述过冷器与中间喷射膨胀阀具有公共端，所述中间喷射膨胀阀的末端连接过冷器；所述主膨胀阀组件的主膨胀阀与第一、第二单向阀支路并联，每个单向阀支路有两个同流向串联设置的单向阀。
5.所述车外换热器为套管式结构。
6.所述压缩机、车内风机、车外风机均采用变频器控制。
7.所述水冷系统包括电动水泵和冷却装置。
8.所述压缩机与车外换热器之间连接有除霜电磁阀。
9.所述第一单向阀支路包括第一、第二单向阀，第二单向阀支路包括第三、第四单向阀，所述截止电磁阀、中间喷射膨胀阀均与过冷器的第二流道连接，过冷器的第一流道一端连接所述公共端、另一端连接在第三、第四单向阀之间。
10.上述的车用热泵空调系统的控制方法，空调系统根据环境工况切换工作模式，其特征在于包括以下步骤：
s1)当环境温度低于系统第一设定温度、高于第二设定温度时，执行s2；当环境温度低于系统第二设定温度时，执行s3；s2）启动普通制热模式，四通换向阀通电，截止电磁阀和除霜电磁阀均关闭，中间喷射膨胀阀不运行，制冷剂从内置交流电机驱动的变频涡旋压缩机流经四通换向阀ad口，通过车内换热器向车内环境放热后，依次经过过冷器、第三单向阀、干燥过滤器、主膨胀阀和第二单向阀流入车外换热器，通过四通换向阀的bc口，经气液分离器回到压缩机；s3)启动低温制热模式，四通换向阀通电，除霜电磁阀关闭；截止电磁阀开启，中间喷射膨胀阀投入运行，从压缩机排出的高温高压制冷剂气体流经四通换向阀ad口，通过车内换热器向车内环境放热后冷凝成高压液体，从车内换热器出来的高压制冷剂液体分流成主回路、辅助回路，辅助回路的制冷剂经中间喷射膨胀阀节流后进入过冷器，与主回路的制冷剂在过冷器中换热后进入压缩机的中间辅助进气口；主回路制冷剂直接进入过冷器，经第三单向阀、干燥过滤器、主膨胀阀和第二单向阀后流入车外换热器，再经四通换向阀的bc口和气液分离器后被压缩机吸气口吸入。
11.本发明具有以下有益效果：1、本发明通过辅助回路上截止电磁阀的开启和关闭实现了准二级压缩循环和单级压缩循环之间的切换，这样既不影响系统在一般工况下的性能，又可实现低温工况下的安全经济运行，有效地扩大了系统的工作范围。
12.2、本发明的空调系统还可根据车外换热器的结霜情况，开启除霜电磁阀进行除霜。该空调系统还可根据控制目标和环境工况，通过对多变频器的协调控制，实时调节压缩机、车内风机和车外风机三者的运行速度，达到既能尽快满足舒适性要求又高效节能的目的。
13.3、本发明的空调系统解决了现有电动车空调系统存在的适应性和节能性等问题，减小了空调系统对整车性能的影响，对推动电动车的普及有参考意义。
附图说明
14.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。
15.图1为本发明的车用热泵空调系统结构示意图；图2为本发明的车用热泵空调系统在制冷模式下的制冷剂流向示意图；图3为本发明的车用热泵空调系统在普通制热模式下的制冷剂流向示意图；图4为本发明的车用热泵空调系统在低温制热模式下的制冷剂流向示意图。
具体实施方式
16.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。
17.请参阅图1-图4所示，本发明为一种车用热泵空调系统，包括压缩机1、四通换向阀2、车内风机3、车内换热器4、经济器组件5、干燥过滤器8、主膨胀阀9、车外换热器12、车外风机13、第一单向阀6、第二单向阀7、第三单向阀10、第四单向阀11、除霜电磁阀14、气液分离器15、截止电磁阀16、第一变频器19、第二变频器20、第三变频器21、电动水泵17和冷却装置18。
18.其中压缩机为带辅助进气口的涡旋压缩机，其内置三相交流电机，并使用变频电源驱动。所用车内换热器旁安装车内风机，车外换热器旁安装车外风机。车外换热器为套管式结构，用于实现制冷剂和冷却液之间的换热。其中，第一变频器用于调节压缩机的转速，第二变频器用于调节车内风机的转速，第三变频器用于调节车外风机的转速。
19.经济器组件5由过冷器51、中间喷射膨胀阀52及其制冷剂进出口的连接管路组成。
20.主膨胀阀为单向膨胀阀。通过四个单向阀换向的结构形式，保证了系统无论运行在制冷还是制热模式，制冷剂都先经过干燥过滤器后进入主膨胀阀，实现干燥过滤器和主膨胀阀的单向通过问题。
21.冷却装置用于收集电动车上电气元件产生的废热，它通过电动水泵和连接管路与车外换热器相连，可实现冷却液和制冷剂之间的热交换。
22.该空调系统的压缩机通过四通换向阀、车内换热器、经济器组件、干燥过滤器、主膨胀阀、车外换热器和气液分离器依次相连；所述干燥过滤器的进口同时与第一单向阀6的出口和第三单向阀10的出口相连，所述主膨胀阀的出口同时与第二单向阀7的进口和第四单向阀11的进口相连；所述除霜电磁阀的一端与压缩机排气口相连，另一端与车外换热器相连；所述经济器组件的制冷剂气体出口通过截止电磁阀与压缩机辅助进气口相连。
23.该系统可通过对电气元件的控制，使空调运行在不同的工作模式：如图2所示，空调系统运行在制冷模式。此时，四通换向阀2不通电，截止电磁阀16和除霜电磁阀14均关闭，经济器组件内的中间喷射膨胀阀不运行，电动水泵17不启动。制冷剂从内置交流电机驱动的变频涡旋压缩机流经四通换向阀ab口，通过车外换热器向车外环境放热后，依次经过第一单向阀6、干燥过滤器8、主膨胀阀9、第四单向阀11和过冷器51流入车内换热器，再向车内环境吸热后通过四通换向阀的dc口，最后经气液分离器回到压缩机，完成常规的制冷循环。
24.如图3所示，空调系统运行在普通制热模式。此时，四通换向阀通电，截止电磁阀和除霜电磁阀均关闭，经济器组件内的中间喷射膨胀阀不运行。制冷剂从内置交流电机驱动的变频涡旋压缩机流经四通换向阀ad口，通过车内换热器向车内环境放热后，依次经过过冷器、第三单向阀、干燥过滤器8、主膨胀阀9和第二单向阀7流入车外换热器，向冷却液和车外环境吸热后通过四通换向阀的bc口，最后经气液分离器回到压缩机，完成常规的制热循环。
25.如图4所示，空调系统运行在低温制热模式。此时，四通换向阀通电，除霜电磁阀关闭；截止电磁阀开启，经济器组件内的中间喷射膨胀阀投入运行，系统以准二级压缩循环工作。从涡旋压缩机排出的高温高压制冷剂气体流经四通换向阀ad口，通过车内换热器向车内环境放热后冷凝成高压液体，从车内换热器出来的高压制冷剂液体分流成主、辅两路：辅助回路制冷剂液体经中间喷射膨胀阀节流后，变为中压气液两相混合物进入过冷器，与主路温度较高的制冷剂液体在过冷器中换热，变为气体后经截止电磁阀16进入压缩机的中间
辅助进气口；主路制冷剂液体直接进入过冷器，在过冷器中被辅路制冷剂吸热后变为过冷液体，经第三单向阀10、干燥过滤器8、主膨胀阀9和第二单向阀7后流入车外换热器12，向冷却液和车外环境吸热后变为低温低压气体，再经四通换向阀的bc口和气液分离器后被压缩机吸气口吸入。主路和辅路的制冷剂在压缩机工作腔内混合，再进一步压缩后排出压缩机，从而完成准二级压缩制热循环。
26.在普通制热模式和低温制热模式，电动水泵启动，制冷剂与经过废热加热后的冷却液进行热交换，改善了空调系统在制热运行时的工况，也使得蒸发过程的吸热量增大，从而提高了空调系统的运行效率。
27.该空调系统可根据环境工况自动切换上述工作模式。在夏季，当环境温度高于系统设定温度时，空调系统工作在制冷模式；在冬季一般工况下，当环境温度低于系统设定温度时，空调系统工作在普通制热模式；在冬季低温工况下，当环境温度低于系统设定温度时，空调系统工作在低温制热模式。普通制热模式和低温制热模式的自动切换点由空调系统的具体结构和实际情况而定。
28.制冷模式和普通制热模式时，系统以常规的单级压缩循环工作；低温制热模式时，系统以准二级压缩循环工作。系统通过辅助回路上截止电磁阀的开启和关闭实现了准二级压缩循环和单级压缩循环之间的切换，这样既不影响系统在一般工况下的性能，又可实现低温工况下的安全经济运行，有效地扩大了系统的工作范围。系统还可根据车外换热器的结霜情况，开启除霜电磁阀进行除霜。此时，四通换向阀仍处于通电状态，从压缩机排出的高温高压气体部分直接流入车外换热器，为蒸发器快速除霜。
29.该空调系统采用带辅助进气口的涡旋压缩机，并通过带经济器组件的系统设计，使中间辅助进气口可吸入一部分中间压力的气体，与经过部分压缩的制冷剂混合再压缩，实现单台压缩机取得两级压缩的效果。当系统在低温工况时，主辅回路同时工作，增大了制冷剂流量、提高了过冷度而增加了焓差，从而使系统的制热量显著增加，大大提高了系统效率。同时由于压缩机出口温度的降低，系统的安全性也有所提高。
30.该空调系统还可根据控制目标和环境工况，通过对多变频器的协调控制，实时调节压缩机、车内风机和车外风机三者的运行速度，使系统无论工作在何种工作模式时，都能一直处于最佳工作状态。例如：当车内、外温度相差较大时，可通过协调调节三个变频器，使系统工作在最大制冷量或最大制热量状态；当车内、外温差较小时，也可通过协调调节三个变频器，使系统在最小能耗状态或最高能效比状态下工作，达到既能尽快满足舒适性要求又高效节能的目的。
31.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。
32.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。

技术特征：
1.一种车用热泵空调系统，包括压缩机、四通换向阀、车内风机、车内换热器、车外风机、车外换热器，所述车外换热器连接水冷系统，其特征在于：还包括经济器组件、主膨胀阀组件，且所述压缩机带辅助进气口；所述经济器组件分别与主膨胀阀组件、截止电磁阀、车内换热器连接，所述截止电磁阀连接压缩机的辅助进气口；所述经济器组件包括过冷器、中间喷射膨胀阀，所述过冷器与中间喷射膨胀阀具有公共端，所述中间喷射膨胀阀的末端连接过冷器；所述主膨胀阀组件的主膨胀阀与第一、第二单向阀支路并联，每个单向阀支路有两个同流向串联设置的单向阀。2.根据权利要求1所述的车用热泵空调系统，其特征在于：所述车外换热器为套管式结构。3.根据权利要求2所述的车用热泵空调系统，其特征在于：所述压缩机、车内风机、车外风机均采用变频器控制。4.根据权利要求3所述的车用热泵空调系统，其特征在于：所述水冷系统包括电动水泵和冷却装置。5.根据权利要求4所述的车用热泵空调系统，其特征在于：所述压缩机与车外换热器之间连接有除霜电磁阀。6.根据权利要求1至5任一所述的车用热泵空调系统，其特征在于：所述第一单向阀支路包括第一、第二单向阀，第二单向阀支路包括第三、第四单向阀，所述截止电磁阀、中间喷射膨胀阀均与过冷器的第二流道连接，过冷器的第一流道一端连接所述公共端、另一端连接在第三、第四单向阀之间。7.根据权利要求1所述的车用热泵空调系统的控制方法，空调系统根据环境工况切换工作模式，其特征在于包括以下步骤：s1)当环境温度低于系统第一设定温度、高于第二设定温度时，执行s2；当环境温度低于系统第二设定温度时，执行s3；s2）启动普通制热模式，四通换向阀通电，截止电磁阀和除霜电磁阀均关闭，中间喷射膨胀阀不运行，制冷剂从内置交流电机驱动的变频涡旋压缩机流经四通换向阀ad口，通过车内换热器向车内环境放热后，依次经过过冷器、第三单向阀、干燥过滤器、主膨胀阀和第二单向阀流入车外换热器，通过四通换向阀的bc口，经气液分离器回到压缩机；s3)启动低温制热模式，四通换向阀通电，除霜电磁阀关闭；截止电磁阀开启，中间喷射膨胀阀投入运行，从压缩机排出的高温高压制冷剂气体流经四通换向阀ad口，通过车内换热器向车内环境放热后冷凝成高压液体，从车内换热器出来的高压制冷剂液体分流成主回路、辅助回路，辅助回路的制冷剂经中间喷射膨胀阀节流后进入过冷器，与主回路的制冷剂在过冷器中换热后进入压缩机的中间辅助进气口；主回路制冷剂直接进入过冷器，经第三单向阀、干燥过滤器、主膨胀阀和第二单向阀后流入车外换热器，再经四通换向阀的bc口和气液分离器后被压缩机吸气口吸入。

技术总结
本发明公开了一种车用热泵空调系统及其控制方法，包括压缩机、四通换向阀、车内风机、车内换热器、车外风机、车外换热器，还包括经济器组件、主膨胀阀组件，压缩机带辅助进气口；经济器组件分别与主膨胀阀组件、截止电磁阀、车内换热器连接，截止电磁阀连接压缩机的辅助进气口；经济器组件包括过冷器、中间喷射膨胀阀，过冷器与中间喷射膨胀阀具有公共端，中间喷射膨胀阀的末端连接过冷器；主膨胀阀组件的主膨胀阀与两个单向阀支路并联，每个单向阀支路有两个同流向串联设置的单向阀。该空调系统不仅满足了不同区域驾乘人员对冷暖的需求，还能够保证系统无论在何种工况下，都能节能、高效、可靠地运行。靠地运行。靠地运行。


技术研发人员：彭庆红 何钦波 赵良红
受保护的技术使用者：顺德职业技术学院
技术研发日：2023.03.27
技术公布日：2023/6/27