CN109177691B - 一种电动汽车热泵空调***及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
一种电动汽车热泵空调***及其控制方法，该***包括可带液变频压缩机、气冷器/冷凝器、新风预热器、节流元件和蒸发器；其中：新风换热器与气冷器/冷凝器出口相连，利用余能加热汽车新风；针对新风预热器与气冷器/冷凝器，设计了电动汽车用换热风道；采用可带液压缩机，降低压缩功和排气温度，提高***性能，以及适应更大范围***新风比；本发明***结合汽车热泵空调中冷凝器/气冷器出口状态到车外环境的大幅余能，与电动汽车风道***，提出有效方案，大幅提高***能效和制热量，降低压缩功和排气温度；另外，对于采用CO2制冷剂的***，利用超临界区不同的温度梯度减小换热温差，减小换热不可逆损失。
Description
技术领域
本发明涉及电动汽车热泵空调***，具体涉及利用余能的高效新型电动汽车热泵空调***及其控制方法。
背景技术
由于全球化石能源的日益紧张，燃油汽车的尾气排放污染环境产生雾霾，国际政策已经开始商议限制燃油汽车的生产和销售，电动汽车即将迎来高速发展的时期。
相比于燃油汽车，电动汽车没有发动机和尾气余热，因此在车外环境温度低时，不能利用余热加电辅热的方法提高车内气温，保证驾驶舒适性。目前，电动汽车多采用纯电加热或热泵空调***来满足冬天车内的采暖需求。对于采用纯电加热的电动汽车***，低温环境下供热时会消耗大量的电能，严重影响电动汽车的行驶里程。相对于纯电加热，热泵空调***更加高效。
电动汽车采用的热泵空调***多为传统的单级热泵***，冷凝器/气冷器直接加热新风或与循环风混合后的空气。虽然能够满足车内采暖需求，但其能效比较低，存在以下问题：1、冷凝器/气冷器出口温度较高，出口状态相对于车外环境温度仍拥有大量余能；2、冷凝器/气冷器直接加热新风或与循环风混合后的空气，换热温差大，造成较大的不可逆损失；3、对于定转速压缩机的空调***，随着车外环境温度的降低，能效比降低，制热量大幅度衰减，在冬天温度低的北方地区，经常出现制热量不足的问题；4、随着冬季环境温度的降低，循环压比提高，导致排气温度大幅提高，一则可能威胁压缩机内电机可靠性，二则高排气温度同样带来较大的换热温差，造成较大的不可逆损失。
综上而言，以上的问题主要大大限制了电动汽车空调***的能效，使其耗电量居高不下，尤其在环境温度低的工况下。而对于电动汽车而言，空调***耗电量占总耗电的比重很大，冬天最高可达40％以上。因此，如能提出对应技术方案，提高空调***能效，降低耗电量，对于提高电动汽车里程具有重大意义。
发明内容
为了克服上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种电动汽车热泵空调***及其控制方法，能够有效结合汽车风道***，充分利用余能，减小热泵***的各项损失，提高***制热量与能效比。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种电动汽车热泵空调***，包括可带液变频压缩机101、气冷器/冷凝器102、新风预热器103、节流元件104和蒸发器105，所述可带液变频压缩机101排气口连接气冷器/冷凝器102入口，气冷器/冷凝器102出口连接新风预热器103入口，新风预热器103出口通过节流元件104与蒸发器105入口连接，蒸发器105出口连接可带液变频压缩机101的吸气端；所述新风预热器103与气冷器/冷凝器102互相串联，冷凝器/气冷器102与新风预热器103的进出口方向与换热风道内空气流向相反；所述新风预热器103为预先加热从车外环境抽取的新风；所述气冷器/冷凝器102加热预热后的新风与车厢内抽取的循环风的混合空气。
所述热泵空调***的冷凝器/气冷器102与新风预热器103布置在电动汽车换热风道中，其布置方式为：冷凝器/气冷器102与新风预热器103并排排列，新风入口201位于新风预热器103一端，循环风入口202位于冷凝器/气冷器102与新风预热器103之间，出风口203位于冷凝器/气冷器102一端；新风入口201、循环风入口202、出风口203均设置有开度可调节风门；
新风通过新风入口201进入换热风道内，通过新风预热器103进行预热；循环风通过循环风入口202进入换热风道内，与预热后的新风混合，再通过冷凝器/气冷器102进行加热，最后从出风口203排出；所述出风口203的风门开度大小控制换热风道内的出风量，新风入口201和循环风入口202的风门开度比例控制换热风道内的新风比。
所述可带液变频压缩机101吸气端与蒸发器105出口之间，增加有雾化器106，其作用在于离散/雾化吸气携带的液团，避免液团对压缩机气缸的高负荷冲击。
所述蒸发器105的进出口端并联一段引液管107，引导节流元件104出口的制冷剂直接到蒸发器105出口，以调节可带液变频压缩机101吸入的制冷剂气液质量比。
所述可带液变频压缩机101，其进气带液比，即吸入的制冷剂的液体与气体的质量比为：0≤Ml/Mg≤0.3，Ml为吸入的制冷剂的液体质量，Mg为气体的质量。
所述热泵空调***，充注的制冷剂优选为CO2制冷剂，所述热泵空调***选择CO2为制冷剂时，***排气压力要求：7.38MPa(临界压力)<Pd≤9MPa，即所述循环处于跨临界循环。
所述电动汽车热泵空调***的控制方法，所述热泵空调***通过控制节流元件104或者引液管107流量，控制***进气带液比；所述换热风道内，通过控制新风入口201和循环风入口202的风门开度比，控制换热风道内的新风比。
根据热泵空调***不同运行工况设定有默认新风比，所述新风比为：新风量与总风量之比；运行过程中，换热风道的新风比根据电动汽车车厢内氧气浓度或水蒸气浓度进行调节，当实际新风比小于等于默认新风比时，热泵空调***控制进气带液比为零；当实际新风比大于默认新风比时，热泵空调***控制进气带液比增大；所述进气带液比、新风比均不允许超过热泵空调***设定最大值；
可带液变频压缩机101转速随着环境温度的降低而增大，以补充衰减的制热量；同时可带液变频压缩机101转速越高，所允许的最大进气带液比应越低。
和现有技术相比较，本发明具备如下优点：
1、本发明通过采用新风预热器结构，有效利用冷凝器/气冷器出口状态相对于车外环境温度的大量余能，提高了热泵***能效比与制热量。
2、本发明采用可带液压缩机，及对应的进气带液比调节方法，可适应更大范围***新风比，降低压缩机排气温度和压缩功，对充注CO2制冷剂的***，还能提高其能效比。
3、本发明采用新型换热风道，令新风预热器换热与冷凝器/气冷器能够分别加热不同阶段的空气，能够有效实现循环***的设计加热过程，实现***设计的高能效，同时能够减小空气与制冷剂的换热温差，减小不可逆损失。
4、本发明采用变频压缩机，通过转速变化调整制热量，解决环境温度降低带来的制热量衰减问题。
5、本发明对充注CO2制冷剂的***，能够有效利用超临界区临界点前后的温度梯度差异，减小各换热器的换热温差，减小不可逆损失。
6、本发明能够有效提高热泵空调***能效比，减小***耗电量，提高电动汽车最大里程。
附图说明
图1为本发明热泵空调***示意图。
图2为本发明换热风道示意图。
图3为本发明采用雾化器和引液管的热泵空调***示意图。
图4(a)、(b)、(c)分别为采用CO2制冷剂的传统***和本发明新***的p-h循环图和T-h循环图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
***结构示意图中，实线为制冷剂管路，点划线为空气流通的方向；示意图中，换热器换热双方的流向仅为表示双方的流动顺序，不表示其具体的换热方式，其实际可为逆流、顺流、叉流或其他类型的换热方式。图中***各部件或机构的位置不表示其在汽车内具体的安装位置，仅为表示其相互连接关系。
如图1所示，为本发明热泵空调***示意图。
包括可带液变频压缩机101，气冷器/冷凝器102，新风预热器103，节流元件104，蒸发器105。所述可带液变频压缩机101排气口与气冷器/冷凝器102入口相连，气冷器/冷凝器102出口与新风预热器103入口相连，新风预热器103出口与节流元件104入口相连，节流元件104出口与蒸发器105入口相连，蒸发器105出口与可带液变频压缩机101吸气口相连。
所述新风预热器103与气冷器/冷凝器102出口相连，互相串联，其功能为预先加热从车外环境抽取的新风；所述气冷器/冷凝器102加热预热后的新风与车厢内抽取的循环风的混合空气；所述可带液变频压缩机101为可带液压缩机，其可进行一定比例的制冷剂气液混合压缩；所述可带液变频压缩机101为变频压缩机。
如图2所示，为本发明换热风道示意图。
所述热泵空调***冷凝器/气冷器102与新风预热器103布置在电动汽车换热风道中，其布置方式为：冷凝器/气冷器102与新风预热器103并排排列，新风入口201位于新风预热器103一端，循环风入口202位于冷凝器/气冷器102与新风预热器103之间，出风口203位于冷凝器/气冷器102一端；新风入口201、循环风入口202、出风口203均设置开度可调节风门。风机的功率、位置、数量，根据具体风道结构风速风量需求进行设计。
新风通过新风入口201进入换热风道内，通过新风预热器103进行预热；循环风通过循环风入口202进入换热风道内，与预热后的新风混合，再通过冷凝器/气冷器102进行加热，最后从出风口203排出。冷凝器/气冷器102与新风预热器103的进出口方向与换热风道内空气流向相反。所述出风口203风门开度大小控制换热风道内的出风量，新风入口201和循环风入口202的风门开度比例控制换热风道内的新风比。
如图3所示，为本发明采用雾化器和引液管的热泵空调***示意图。
在所述可带液变频压缩机101吸气端与蒸发器105出口之间，可增加一个雾化器106，其作用在于离散/雾化吸气携带的液团，避免液团对压缩机气缸的高负荷冲击。
所述蒸发器105的进出口端可并联一段引液管107，引导节流元件104出口的制冷剂直接到蒸发器105出口，以调节可带液变频压缩机101吸入的制冷剂气液质量比。
如同时采用两种结构，则所述雾化器106安装在所述引液管107出口的后端，即雾化器106更靠近压缩机101吸气口。
本发明中包含的电动汽车热泵空调***，所述可带液变频压缩机101，其进气带液比，即吸入的制冷剂的液体与气体的质量比优选为：0≤Ml/Mg≤0.3；Ml为吸入的制冷剂的液体质量，Mg为气体的质量。
本发明中包含的电动汽车热泵空调***，所充注的制冷剂优选为CO2制冷剂。所述热泵空调***选择CO2为制冷剂时，***排气压力要求：7.38MPa(临界压力)<Pd≤9MPa，即所述循环处于跨临界循环。
如图4(a)、(b)、(c)所示，为采用CO2制冷剂的传统***和本发明新***的p-h循环图和T-h循环图。
图4(a)中，如所述p-h循环图，虚线闭环为传统热泵循环，实线闭环为本发明热泵循环。可以看出，传统热泵循环在气冷器出口处01，相对于环境温度，还有大量的余能未能被利用，此问题在低温工况下更为突出。本发明通过采用新风预热器，直接有效地利用了此处余能。同时，通过采用可带液变频压缩机，本发明循环中的排气温度，及压缩功都要明显小于传统循环的压缩功。当***排气压力满足：7.38MPa(临界压力)<Pd≤9MPa时，分界点01前，气冷器等压线上的温度变化速度比较小，此有利于使压缩机出口02点维持在相对较低的温度，控制换热温差。
图4(b)中，如所述T-h循环图，实线闭环为本发明热泵循环，点划线为不同的被加热空气。分界点01以左为新风，其加热过程温度变化大；分界点01以右为预热的新风与循环风混合后的混合风，其加热过程温度变化小。同时分界点01也是气冷器、新风预热器在循环上的分界点。其内部的温度变化过程分别与被加热的空气温度变化过程相匹配，所有加热过程换热温差小，不可逆损失小。
图4(c)中，如所述T-h循环图，虚线闭环为传统热泵循环，点划线为被加热空气。与本发明热泵循环相比，传统热泵循环因为新风没有被预热，所以混合风的初始温度比较低，气冷器出口端的换热温差大；同时因为***对混合风的出风温度要求是相同，而传统循环排气温度很高，因此气冷器入口端换热温差也很大。总体造成平均换热温差大，不可逆损失大，传统循环能效较低。
本发明的控制方法为：
所述热泵空调***通过控制节流元件104或者引液管107流量，控制***进气带液比；所述换热风道内，通过控制新风入口201和循环风入口202的风门开度比，控制换热风道内的新风比。
根据热泵空调***不同运行工况设定有默认新风比，所述新风比为：新风量与总风量之比；运行过程中，换热风道的新风比根据电动汽车车厢内氧气浓度、水蒸气浓度或其他需求进行调节，当实际新风比小于等于默认新风比时，热泵空调***控制***进气带液比为零；当实际新风比大于默认新风比时，热泵空调***控制进气带液比增大；所述进气带液比、新风比均不允许超过热泵空调***设定最大值。
可带液变频压缩机101转速随着环境温度的降低而增大，以补充衰减的制热量；同时可带液变频压缩机101转速越高，所允许的最大进气带液比应越低。
Claims (3)
1.一种电动汽车热泵空调***，包括可带液变频压缩机(101)、气冷器/冷凝器(102)、新风预热器(103)、节流元件(104)和蒸发器(105)，其特征在于：所述可带液变频压缩机(101)排气口连接气冷器/冷凝器(102)入口，气冷器/冷凝器(102)出口连接新风预热器(103)入口，新风预热器(103)出口通过节流元件(104)与蒸发器(105)入口连接，蒸发器(105)出口连接可带液变频压缩机(101)的吸气端；所述新风预热器(103)与气冷器/冷凝器(102)互相串联，冷凝器/气冷器(102)与新风预热器(103)的进出口方向与换热风道内空气流向相反；所述新风预热器(103)为预先加热从车外环境抽取的新风；所述气冷器/冷凝器(102)加热预热后的新风与车厢内抽取的循环风的混合空气；
所述热泵空调***的冷凝器/气冷器(102)与新风预热器(103)布置在电动汽车换热风道中，其布置方式为：冷凝器/气冷器(102)与新风预热器(103)并排排列，新风入口(201)位于新风预热器(103)一端，循环风入口(202)位于冷凝器/气冷器(102)与新风预热器(103)之间，出风口(203)位于冷凝器/气冷器(102)一端；新风入口(201)、循环风入口(202)、出风口(203)均设置有开度可调节风门；
新风通过新风入口(201)进入换热风道内，通过新风预热器(103)进行预热；循环风通过循环风入口(202)进入换热风道内，与预热后的新风混合，再通过冷凝器/气冷器(102)进行加热，最后从出风口(203)排出；所述出风口(203)的风门开度大小控制换热风道内的出风量，新风入口(201)和循环风入口(202)的风门开度比例控制换热风道内的新风比；
所述可带液变频压缩机(101)吸气端与蒸发器(105)出口之间，增加有雾化器(106)，其作用在于离散/雾化吸气携带的液团，避免液团对压缩机气缸的高负荷冲击；
所述蒸发器(105)的进出口端并联一段引液管(107)，引导节流元件(104)出口的制冷剂直接到蒸发器(105)出口，以调节可带液变频压缩机(101)吸入的制冷剂气液质量比；
所述热泵空调***通过控制节流元件(104)或者引液管(107)流量，控制***进气带液比；所述换热风道内，通过控制新风入口(201)和循环风入口(202)的风门开度比，控制换热风道内的新风比;
根据热泵空调***不同运行工况设定有默认新风比，所述新风比为：新风量与总风量之比；运行过程中，换热风道的新风比根据电动汽车车厢内氧气浓度、二氧化碳浓度或水蒸气浓度进行调节，当实际新风比小于等于默认新风比时，热泵空调***控制进气带液比为零；当实际新风比大于默认新风比时，热泵空调***控制进气带液比增大；所述进气带液比、新风比均不允许超过热泵空调***设定最大值；
可带液变频压缩机(101)转速随着环境温度的降低而增大，以补充衰减的制热量；同时可带液变频压缩机(101)转速越高，所允许的最大进气带液比应越低。
2.根据权利要求1所述的电动汽车热泵空调***，其特征在于：所述可带液变频压缩机(101)，其进气带液比，即吸入的制冷剂的液体与气体的质量比为：0≤Ml/Mg≤0.3，Ml为吸入的制冷剂的液体质量，Mg为气体的质量。
3.根据权利要求1所述的电动汽车热泵空调***，其特征在于：所述热泵空调***，充注的制冷剂为CO2制冷剂，所述热泵空调***选择CO2为制冷剂时，***排气压力要求：7.38MPa<Pd≤9MPa，即所述循环处于跨临界循环。
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