CN105922839A - 具有驾驶距离延长的电动车辆的hvac*** - Google Patents

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Abstract

公开了一种具有驾驶距离延长的电动车辆的HVAC***。用于电动车辆的热泵冷却和加热***包括具有单个起作用的相变材料的延长PCM热量交换器(24)，该相变材料具有分别与冷却和加热相关联的两个舒适温度之间的融化温度。在充电模式下，当车辆电池充电时，同一外部电流源运行压缩机(10)对PCM交换器(24)充热量或“冷量”。在初始距离延长模式期间，PCM交换器/储存器(24)用作热源或散热器。PCM材料不直接加热或冷却空气，在常规状态下，实现单个储存器材料同时用于加热和冷却模式。

Description

具有驾驶距离延长的电动车辆的HVAC***
技术领域
本申请涉及用于插电型电动车辆的加热、通风和空调***(HVAC***)，提供了一种蒸汽压缩加热与冷却***，使用单相变化材料储存器和热量交换器来延长车辆的驾驶距离。
背景技术
用于插电型电动车辆(纯电动车辆或插电型混合动力车辆)的加热和冷却***通常使用具有电驱动压缩机的蒸汽压缩型加热和冷却***(热量泵)。这表示***上的显著性电负载可缩短驾驶距离，尤其在热的或冷的环境温度的极端情况下。
内燃车辆，已知有时使用纳入蒸汽机的相变材料(“PCM”)的储存器来储存在发动机驱动的压缩机运行超出基本冷却需求时可得的“多余的冷量”，并且在发动机关闭的时期期间使用(停止灯)。同样，通常有“多余的热量”来自发动机冷却***，可储存在PCM“热电池”中。在每一种情况下，由于在车辆内通过与车厢空气的直接传导或对流来使用储存的热量或“冷量”，储存温度，以及PCM材料的融化温度必须接近期望保持的特定冷或热舒适温度，单个PCM材料明显地可仅具有单个融化温度。当然，利用电池驱动的压缩机，没有在车辆运行期间储存在车辆的运行期间可用的“多余的”热量或冷量，并且在规则的车辆运行期间的任意时刻，压缩机的运行是缩短驾驶距离的***的直接消耗。
延长驾驶距离的一个方法是当车辆在静止充电事件期间插电时对PCM能量电池(储存热量的PCM能量电池，或储存冷量的PCM能量电池)充电，并且在车辆启动之后至少暂时地使用它，完全可用于短程旅行或者至少在较长旅程期间直到储存器耗尽为止。参见US20120152511。其中，建议使用单独的热电设备以在车辆插电时同时打开对于环境空气的选择的进口和出口路径以获得热电设备的运行所需要的空气而提供PCM储存器的加热或冷却。
然而，一旦充电，就以常规的直接的传导或对流方式使用热电池。即，夏天里来自车厢的热空气在它上面直接吹过以被冷却，或者冬天里冷的车厢空气在它上面吹过以被加热。因此，将必须使用具有可比得上冬天里非常不同的加热舒适水平温度的或可比得上夏天里冷却舒适水平温度的融化温度的不同PCM材料，并且随着季节变化而交换(swap out)。这是车辆拥有者不可容忍的不便。
在WO2013/088190中公开的另一个方案使用单个PCM储存器，但是是在内燃机汽车中，且具有非常复杂的流量和控制电路。PCM储存器具有接近或刚好低于冷却模式目标温度的融化温度，且它由当压缩机随着内燃机运行而运行时可用的“多余的”压缩机功率所冷却。车厢空气进而通过直接在热量交换器上强制流动而冷却，热量交换器具有在PCM储存器内冷却到上述温度的冷却剂。在加热模式中，使用来自内燃机冷却***的多余热量来提升储存器中将可能已融化的PCM材料的温度。如果切断内燃机，如在停止灯处，为了节约燃料，那么可接通附加的加热电路以通过直接传导或对流将热量从先前加热的PCM储存器引出。另外，提供额外的热量传递电路，在PCM储存器变得过冷以致于不能直接使用时利用附加的压缩机和热量泵元件从PCM储存器间接地汲取热量。
尽管此***使用单个PCM材料，但仅结合内燃机来公开，距离延长不是所解决的问题。此外，此***极其复杂且昂贵，包括三个热量传递回路，七个热量交换器，两个压缩机和蒸汽压缩***所需的组件，以及大约十个可切换的流量阀。根据获得的热力学优势的等级，似乎这种等级的复杂性不可能是经济的。
发明内容
本发明提供用于延长插电型电动车辆的距离的***，此类型的车辆具有电驱动的热泵型、蒸汽压缩加热和冷却***，包括能够用作冷凝器或蒸发器的外部热量交换器以及能够结合该外部热量交换器的模式而用作蒸发器或冷凝器的内部车厢热量交换器。两种热量交换器都没有全部时间专门用作冷凝器或蒸发器。因此，此***可用于普通的基本的热泵模式下，在车辆运行时从环境空气中汲取热量或者将热量投放(dump)到环境空气。
另外，距离延长手段被提供以初始地补充一般的热量泵加热和冷却行为。导管布置适用于在电池充电时期期间在车厢热量交换器与环境空气之间选择性地建立临时流动路径。压缩机在充电时期期间用与对电池充电相同的电源运行，且切换阀将室外热量交换器移出该回路。并且，在充电周期期间，反向阀保证压缩机使冷冻剂沿一方向循环，该方向要么允许车厢热量交换器在膨胀阀的上游用作冷凝器，要么允许车厢热量交换器在膨胀阀的下游用作蒸发器。当车厢空气热量交换器用作冷凝器时，冷冻剂将热量投放到环境空气中，且当用作蒸发器时，它从环境空气中吸收热量。
此***还包括由相变材料的储存器所包围的单个能量存储热量交换器组件，相变材料具有在车厢的目标舒适模式温度之间或附近的相变温度，加热舒适模式温度通常微微低于冷却舒适模式温度。相变材料是固体-液体型，其中此材料通过从固态相变为液态来吸收热量，同时在相变期间保持在相变温度附近大体上恒定的温度，直到所有材料融化为止。相反，此材料在从液态到固态的反向相变期间释放热量，同时在此相变期间再次保持在相变温度附近的大体上恒定的温度。
此能量存储或储存器热量交换器与外部热量交换器并联，并且切换阀将外部加热器交换器选择性地移出该***并使能量储存热量交换器与上述车厢热量交换器串联。这在充电模式期间完成，为了在热的月份期间允许“储存”冷量，在冷的月份中允许储存热量。
当车辆开始运行以建立第二距离延长加热冷却模式时，切换阀还暂时地保持能量储存热量交换器与车厢热量交换器串联而外部热量交换器离线。相变材料比环境空气每单位体积储存更多的热量或“冷量(cold)”，且在该储存耗尽之前，压缩机比它运行在常规热泵操作期间用更少的能量运行。当耗尽时，切换阀简单地断开能量储存热量交换器并使常规外部热量交换器回到线上，以允许在较低效率的常规热泵模式中运行，环境空气用作热源(加热模式)或散热器(冷却模式)。
附图说明
将参考附图描述本发明的细节和操作，在附图中：
图1是冷却充电模式中的***的示意图；
图2示出距离延长冷却操作；
图3示出在距离延长冷却操作用尽之后的冷却操作；
图4示出加热充电模式；
图5示出距离延长加热操作；
图6示出在距离延长加热操作用尽之后的加热操作；以及
图7是如与常规热泵操作相比，用于比较距离延长热泵操作的压强-焓图表。
具体实施方式
首先参见图1，本发明的距离延长***包括具有电压缩机10的电动车辆中典型的标准热泵***的全部元件。外部热量交换器14将一直作为常规空调***中的冷凝器，内部或车厢空气热量交换器12将一直作为常规空调***中的蒸发器。用虚线示出了外部热量交换器14，因为在以下描述的新过程期间总是离线。
在标准热量泵***中，用作电动车辆中的替换装置，内热量交换器12和外热量交换器14切换任务，交替地用作冷凝器或蒸发器，这取决于需要冷却或加热。用于冷却，车厢热量交换器12用作蒸发器，而外部热量交换器14用作冷凝器。压缩器10将通过反向阀16并朝向外部热量交换器/冷凝器14发送压缩的和加热的冷冻剂(如在图3中示出，与图1中示出的方向逆流)。压缩的且热的冷冻剂将热量投放到环境空气中，然后流动经过膨胀阀18(这里路过切换阀20，将不存在于常规热泵***中)。在穿过膨胀阀18之后，冷冻剂的压强和温度快速地降低。然后，当冷的且膨胀的、汽化的冷冻剂将穿过车厢空气热量交换器/蒸发器12时，由常规鼓风机在它上面吹过的热车厢空气将冷却。实际上，在冷却模式中，标准的热泵***实质上有效地用作常规空调***。
标准的热泵***的固有低效率驻存在于它的加热模式中。在标准热泵***的加热模式中(如在图6中大体上示出，除了缺少阀20和热量交换器组件24)，刚刚描述的冷冻剂流动路径被反向阀16反转并且热的且压缩的冷冻剂将穿过车厢空气热量交换器12，将冷却循环中的废热投放到车厢中。然后，冷凝的冷冻剂穿过膨胀阀18，膨胀并冷却，最终穿过外部热量交换器14，外部热量交换器14现在用作蒸发器以进一步冷却并从已经冷的环境空气中获得任何可得的热量。冷冻剂然后被馈送回到压缩机10且最终再次到达用作冷凝器/内部加热器的室内热量交换器12。
明显地，在冷的月份中从环境空气中获得少量的这种热量，且压缩机10必须努力工作以压缩冷冻剂，足以使得：在膨胀阀18强烈地充分加压时，它将进而膨胀得且冷却得足以能够从环境空气中获得热量。这并不有助于加热模式中的高性能系数。但是，没有内燃机提供废热，不存在替代的热源。电压缩机10的额外工作是电池上的大消耗且因此缩短电动车辆的距离。
参见图1，本申请提供至少临时的替代方案以将环境空气用作热源和散热器，由此延长车辆的距离。导管布置22提供为在车厢热量交换器12与环境空气之间建立临时的流量路径。这在电池充电时期期间完成，通常在晚上，利用导管布置22中的适当的自动的门和通风口。压缩机10在充电时期期间由与对电池充电相同的电源运行，且热的且压缩的冷冻剂穿过用作冷凝器的车厢热量交换器12，其借助导管布置22提供的路径将热量投放到环境空气。冷冻剂然后从交换器/冷凝器12流出经过膨胀阀18，其中它快速地膨胀和冷却。
接着，然而，已将室外热量交换器14移出该回路的切换阀20改为将冷冻剂发送经过相变材料(PCM)热量交换器组件24，其包括类似线圈包围的且与相变材料紧密接触的热量交换器。冷的冷冻剂穿过热量交换器组件并且从热量交换器组件中获得热量，然后流回压缩机10并重新进入循环。因此，PCM热量交换器冷却冷冻剂。
切换阀可以是具有普通、未通电状态和通电状态的双位螺线管。优选地，普通状态将膨胀阀18与外部热量交换器14连接。这具有优势：如果切换阀螺线管驱动失败，那么即使没有PCM热量交换器24的增加益处，仍可用正常的HVAC。
热量移除充电操作可继续，直到满足某限定的参数(诸如相变材料PCM热量交换器24的目标冷温度)为止。PCM热量交换器组件24可周期性地循环，如需保持满足限定参数的条件的话。
相变材料可被有意给定融化/相变温度，该融化/相变温度位于测量的期望加热或冷却舒适温度之间，因此不适合用于车厢空气的直接传导冷却或加热，而以相变储存器通常使用的方式。然而，它是不需要在加热和冷却季节之间交换或改变的单个材料，因为以与典型冷却剂不同的方式利用它(接下来描述)。再次，压缩机10在此充电时期期间由外部电流源运行，而不是车辆电池。尽管在电力学***中不存在诸如无损操作之类的事情，在车辆的重新充电操作期间的这种充冷量(cold charging)至少由实质上无限的外部源提供能量，不会消耗车辆电池。
接着参考图2，当最初驱动车辆时需要冷却，导管布置22切断至环境空气的临时路径，但切换阀20继续保持能量储存热量交换器24与车厢热量交换器12串联，而同时保持外部热量交换器14离线。反向阀16将冷冻剂的流动从其充冷量流动路径反转，并且热的且压缩的冷冻剂穿过PCM热量交换器24，热量传递到该PCM热量交换器24而不是环境空气。由于PCM热量交换器24将具有低于环境空气的温度，这提供更加有效的散热器。冷却的且压缩的冷冻剂然后穿过膨胀阀18，其中它膨胀并冷却，且最终经过车厢空气热量交换器12，用作蒸发器以冷却车厢空气。这建立与标准热泵模式不同且比标准热泵模式更加有效的距离延长模式，使用环境空气作为散热器。此距离延长模式继续直到PCM热量交换器和储存器24充分加热(“冷量耗尽”)为止，即它不再比用作热源的环境空气更加有效。
然后，切换阀20使外部热量交换器14(现在冷凝器)返回到线上且PCM交换器24离线，如图3中所见，以返回到标准的虽然较低效率的热泵冷却模式。由于此外部充电的热力学冷却能力，车辆的驾驶距离因此延长。
接着参见图4，示出且可更加简明地描述加热季节充电模式。现在，反向阀16反转图1中示出的冷冻剂流动路径。在充电时期期间打开导管布置22以允许车厢空气热量交换器12用作蒸发器。在加热的且压缩的冷冻剂穿过PCM热量加热器24并使其变暖，冷冻剂穿过切换阀20、膨胀阀18，经过车厢空气热量交换器/蒸发器12(其中它吸收从环境空气可得的热量)，返回到压缩机10。
接着参考图5，在车辆初始驱动时的初始加热模式中，反向阀16从图4充电模式反转冷冻剂的流动，且车厢空气热量交换器12用作冷凝器，同时导管布置22断开至环境空气的临时路径。来自压缩机10的热的且压缩的冷冻剂在返回到压缩机10之前穿过车厢空气热热量交换器12，向车辆内部释放热量，然后经过它膨胀且快速冷却的膨胀阀18，然后经过它变热的PCM热量交换器24。
如同初始冷却模式，这继续直到PCM交换器/储存器24中的热量存储耗尽，此时切换阀20使PCM交换器24离线，并使外部热量交换器14返回线上，以结合车厢空气热量交换器12/冷凝器用作蒸发器。图6中示出的此操作构成一般或标准的热泵操作，在一延时之后固有地降低使用环境空气仅作为热源的这种***的性能系数(COP)。在此延时期间，廉价充能(cheaplycharged)的PCM热量交换器24用作热源，因此增加驾驶距离。
如前述描述已解释，导管布置22仅当切换阀20被设定为提供经过PCM热量交换器24的冷冻剂路径时向车厢热量交换器12提供环境空气。然而，切换阀20在距离延长冷却与加热操作期间还建立经过PCM热量交换器24的冷冻剂路径，使得导管布置和切换阀的工作状态不彼此依赖。以下表格提供图1到图6的不同设定：
由于PCM热量交换器24可仅被充有热量或冷量，可在对车辆电池充电之前选择加热或冷却充能(charging)模式。可通过手动控制作出选择，优选具有在外部温度适中且看出在不久的将来不需要车厢温度控制时附加的“不”选项。可选地，电子控制器可应用基于环境空气温度与舒适模式温度相比较或者基于***的记录近期加热/冷却历史的选择标准。
图9示出蒸汽压缩热泵的常见压强-焓曲线。曲线的蒸汽线(虚线)和液体线(实线)标记V和L，常规热泵AC***的工作线被示为更高且更陡的两条线，如点虚线所示。在利用本发明的储存器辅助***的操作期间的***工作线是更短的两条线，如双点虚线所示。此更低的“上升”在视觉上指示在临时的储存器辅助的热量或冷却模式中可得的更高COP。
尽管上述描述构成本发明的优选实施例，将认识到本发明能作出修改、变化和改变而不脱离所附权利要求的适当范围和合理意义。

Claims (12)

1.一种用于电动车辆的加热和冷却***，所述电动车辆具有在静止充电时期期间可充电的电池，所述***包括：
外部热量交换器，能够在标准加热模式中用作蒸发器以从环境空气汲取热量并且在标准冷却模式中用作冷凝器以向所述环境空气投放热量，以及
车厢热量交换器，能够在所述标准加热模式中用作冷凝器以向车厢空气投放热量并且在所述标准冷却模式中用作蒸发器以从所述车厢空气汲取热量，
其特征在于，所述***进一步包括：
导管布置，适用于在所述静止充电时期期间在所述车厢热交换器与所述环境空气之间选择性地建立或断开临时热交换，
单个能量存储热量交换器组件，被相变材料包围，所述单个能量存储热量交换器组件***作地设置为与所述外部热量交换器并联，以及
切换阀，具有第一切换位置和第二切换位置，其中在所述第一切换位置，所述切换阀使所述单个能量存储热量交换器组件与所述车厢热量交换器串联，且其中在所述第二切换位置，所述切换阀使所述外部热量交换器与所述车厢热量交换器串联。
2.如权利要求1所述的***，其特征在于，所述相变材料具有在与加热模式相关联的较低舒适模式温度和与冷却模式相关联的较高舒适模式温度之间的相变温度。
3.如权利要求1所述的***，其特征在于，所述导管布置配置为仅在所述静止充电时期期间在所述车厢热量交换器与所述环境空气之间建立热交换。
4.如权利要求1所述的***，其特征在于，进一步包括膨胀阀，操作地设置在所述切换阀与所述车厢热量交换器之间，其中，所述单个能量存储热量交换器与所述外部热量交换器相对于所述切换阀操作地设置在与所述膨胀阀相反的一侧上。
5.如权利要求1所述的***，其特征在于，进一步包括反向阀和输出压缩的冷冻剂的压缩机，其中所述反向阀具有第一方向位置以及第二方向位置，当所述切换阀处于所述第一切换位置时，在所述第一方向位置的所述反向阀在加热模式下将所压缩的冷冻剂引导到所述车厢热量交换器，在所述第二方向位置的所述反向阀在冷却模式下将所压缩的冷冻剂引导到所述单个能量存储热量交换器组件。
6.如权利要求5所述的***，其特征在于，当所述切换阀处于所述第二切换位置时，在冷却模式中，在所述第二方向位置的所述反向阀将所压缩的冷冻剂引导到所述外部热量交换器。
7.如权利要求5所述的***，其特征在于，所述压缩机配置为在所述静止充电时期期间由外部电源供电。
8.如权利要求5所述的***，其特征在于，所述***具有六个工作模式，包括冷却充能模式、距离延长冷却操作、标准冷却操作、加热充能模式、距离延长加热操作以及标准加热操作，
其中，所述冷却充能模式和所述加热充能模式受限于所述静止充电时期期间的时间，
其中，在所述冷却充能模式期间和所述距离延长加热操作期间，所述切换阀处于所述第一切换位置且所述反向阀处于所述第一方向位置；
其中，在所述加热充能模式期间和所述距离延长冷却操作期间，所述切换阀处于所述第一切换位置且所述反向阀处于所述第二方向位置；
其中，在所述标准冷却操作期间，所述切换阀处于所述第二切换位置且所述反向阀处于所述第二方向位置；以及
其中，在所述标准加热操作期间，所述切换阀处于所述第二切换位置且所述反向阀处于所述第一方向位置。
9.如权利要求8所述的***，其特征在于，根据检测到冷却操作的需要，所述***被配置为执行所述距离延长冷却操作，直到所述单个能量存储热量交换器组件已吸收足够的热量以致于所述距离延长冷却操作不再比所述标准冷却操作更加有效率为止。
10.如权利要求8所述的***，其特征在于，所述***被配置为当所述距离延长冷却操作不再比所述标准冷却操作更加有效率时将所述切换阀从所述第一切换位置切换到所述第二切换位置以将工作模式从所述距离延长冷却操作改变为所述标准冷却操作。
11.如权利要求8所述的***，其特征在于，根据检测到加热操作的需要，所述***被配置为执行所述距离延长加热操作，直到所述单个能量存储热量交换器组件充分地冷却以致于所述距离延长加热操作不再比所述标准加热操作更加有效率为止。
12.如权利要求8所述的***，其特征在于，所述***被配置为当所述距离延长加热操作不再比所述标准加热操作更加有效率时将所述切换阀从所述第一切换位置切换到所述第二切换位置以将工作模式从所述距离延长加热操作改变为所述标准加热操作。
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