CN114435073A - 驾驶室空调***及其控制方法及工程机械 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种驾驶室空调***及其控制方法及工程机械，其中，空调***包括热泵加热***、余热回收***和电加热***，控制方法包括以下步骤：步骤S1，设定预设温度；步骤S2，根据驾驶室内的温度与预设温度的差值控制电加热***的开启或者关闭；和/或，根据外部环境温度控制热泵加热***的开启或者关闭；和/或，根据冷却介质的温度控制余热回收***的开启或者关闭，以使驾驶室内的温度达到预设温度。上述控制方法中，根据外界温度以及加热介质的情况，结合热泵加热***、余热回收***和电加热***，在可以满足驾驶室热量需求的同时，进行合理的热量管理，进一步提高能量利用效率，并提高驾驶室的加热效率。

Description

驾驶室空调***及其控制方法及工程机械
技术领域
本发明涉及工程机械技术领域，具体涉及一种驾驶室空调***及其控制方法及工程机械。
背景技术
在中国适合冬季挖掘作业的地区，环境温度一般人为设定在-12℃。根据适合人员工作的舒适温度为16-25℃的要求，既要考虑到人员的舒适性，也要考虑到整机的运行功耗。根据CE标准规定，要求在寒冷环境下，能够将驾驶舱内温度提升并保持18℃以上，并供热***应至少具有30min内升温25℃的加热能力。传统燃油挖掘机驾驶舱取暖通常选用PTC加热器，但是PTC能耗大，所耗电能并不能完全转换为热能，理想情况下COP为1。热泵加热***COP恒大于1，一般高于1.5，具有良好的经济性，因此一些挖掘机选用热泵加热***对驾驶室进行加热。
然而，热泵空调在0℃之上可以较快的实现车厢制热的目的，但在低温环境下(低于-5℃)制热能力明显减弱，在-10℃时基本无法正常工作，不适合作为单独的取暖策略在冬季为电动挖掘机供热，亟需一种新的制热模式，以适应于冬季挖掘机的供热。
发明内容
因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中的驾驶室供热能量利用率低，加热效率低的缺陷，从而提供一种驾驶室空调***的控制方法。
空调***包括热泵加热***、余热回收***和电加热***，控制方法包括以下步骤：步骤S1，设定预设温度；步骤S2，根据驾驶室内的温度与预设温度的差值控制电加热***的开启或者关闭；和/或，根据外部环境温度控制热泵加热***的开启或者关闭；和/或，根据冷却介质的温度控制余热回收***的开启或者关闭，以使驾驶室内的温度达到预设温度。
可选地，余热回收***的热源为液压油、发动机或者控制器中的一个或者多个。
可选地，余热回收***的热源为液压油，步骤S2还包括：液压油的温度小于40℃时，关闭余热回收***。
可选地，步骤S2还包括：外部环境温度小于0℃时，关闭热泵加热***。
可选地，步骤S2还包括：热泵加热***的加热量通过PID控制进行。
本发明还提供了一种驾驶室空调***，包括：热泵加热***；余热回收***；电加热***；换热装置，适于对驾驶室内空间进行加热，并与热泵加热***、电加热***以及余热回收***连接；控制器，用于控制热泵加热***、电加热***和余热回收***的开启和关闭。
可选地，热泵加热***包括通过第一管路顺次连接的压缩机、第一温度传感器、换向阀和膨胀阀。
可选地，电加热***包括第二管路顺次连接的第二温度传感器、PTC加热器和第一循环泵。
可选地，余热回收***包括通过第三管路顺次连接的第三温度传感器、油箱以及第二循环泵。
本发明还提供了一种工程机械，包括上述的驾驶室空调***。
本发明还提供一种工程机械，包括上述的空调***。
本发明具有以下优点：
1、上述控制方法中，根据外界温度以及加热介质的情况，结合热泵加热***、余热回收***和电加热***，在可以满足驾驶室热量需求的同时，进行合理的热量管理，进一步提高能量利用效率，并提高驾驶室的加热效率。
2、控制器选择PID闭环控制，可以根据挖掘机不同的工况和外界环境设定控制条件，切换不同模式，对驾驶室内进行温度调节。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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示出了本发明实施例的控制***的原理图；
图2示出了本发明实施例的控制方法的流程图。
附图标记说明：
1、热泵加热***；2、余热回收***；3、电加热***；11、压缩机；12、第一温度传感器；13、换向阀；14、膨胀阀；15、除霜加热器；21、第三温度传感器；22、油箱；23、第二循环泵；31、第二温度传感器；32、PTC加热器；33、第一循环泵；4、风扇；5、换热装置。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“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，而不是指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”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
参照图1和图2，本实施例中的工程机械的驾驶室空调***，包括制冷支路和加热支路，其中，加热支路包括热泵加热***1、电加热***3、余热回收***2以及控制***，根据工作人员设定的驾驶室目标温度，调节***各个参数，三者相结合达到满足驾驶员舒适性的需求。
需要说明的是，热泵加热***1指的是，利用制冷剂的状态变化进行加热的***。热泵加热***通常采用压缩机对制冷剂的状态进行转变，并利用冷凝器实现加热效果。
需要说明的是，电加热***3指的是，通过导电介质通过电流后产生热量，从而实现加加热的效果。其中，电加热***可以为PCT加热器(也即由PTC陶瓷发热元件与铝管组成)，或者为发热电阻加热器。优选地，本实例中为PTC加热***。
需要说明的是，余热回收***2指的是，利用工程机械中热源(发热的固体或者液体)的热量进行回收的***。进一步地，热源可以是发动机、控制器(例如DC/DC控制器)、液压油等等。优选地，本实施例中的余热回收***2为液压油加热***，也即余热回收***2利用液压油的热量，对驾驶室内的空间进行加热。
以下将详细介绍本实施例中的热泵加热***、电加热***3和余热回收***。
热泵加热***：
如图1所示，在本实施例的技术方案中，热泵加热***1包括通过第一管路顺次连接的压缩机11、第一温度传感器12、换向阀13和膨胀阀14。第一温度传感器12可以用来检测外部环境温度，压缩机11将低压气体提升为高压气体，压缩机11从吸气管吸入低温低压的制冷剂气体，通过电机运转带动活塞对其进行压缩后，向排气管排出高温高压的制冷剂气体，为制冷循环提供动力。其中，制冷剂选用三元非共沸制冷剂R407C，R407C为不破坏臭氧层的环保型制冷剂。热泵加热***1还可以包括一个除霜加热器15，以提高热泵加热***1的运行温区，进一步提高***的COP，提高能量的利用率。
换向阀13为四通换向阀13，四通换向阀13通过改变制冷剂的流动通道，改变制冷剂的流向，进行制冷和制热模式的切换。
本实施例中，热泵加热***1的COP恒大于1，一般高于1.5，具有良好的经济性。热泵加热***在0℃以上可以较为快速地实现驾驶室制热的目的，但在低温环境下，尤其是低于-5℃，其制热能力明显减弱，在-10℃时，基本无法正常工作，其适用于在0℃以上的制热。因此在本实施例中，当第一温度传感器12检测到的温度小于0℃时，则关闭热泵加热***1。
余热回收***：
如图1所示，在本实施例的技术方案中，余热回收***2包括通过第三管路顺次连接的第三温度传感器21、油箱22以及第二循环泵23。其中，油箱22设置在驾驶室内，第三温度传感器21设置在油箱22内，利用第三温度传感器21测量液压油温度，根据上述的第一温度传感器12和第三温度传感器21的测量值判定热泵加热***1和余热回收***2的开闭。挖掘机的液压油温度在冬季环境下约60℃，在低于40℃后，液压油会变得粘稠，第三管路的摩擦阻力增加，导致挖掘机的操作性下降。
因此，40℃以上的液压油的余热可以加以利用，因此在本实施例中，当液压油低于40℃时，断开第三管路，只利用热泵加热***1和电加热***3进行加热。当外界环境温度低于0℃时，热泵加热***1也被断开，仅利用电加热***3进行加热。因此根据环境温度、液压油的温度的不同情况，热泵加热***1、余热回收***2和电加热***3三者相互结合为驾驶室提供热量，避免能源浪费，并保证挖掘机处于最佳工作状态。
当然，如上述所述，余热回收***的热源还可以为发动机或者DC/DC控制器。进一步地，发动机的操作温度在10-70℃，DC/DC控制器的操作温度范围10-55℃。可以根据各热源的不同形式，来适配地调整第三管路的通断条件。
电加热***：
如图1所示，在本实施例的技术方案中，电加热***3包括通过第二管路顺次连接的第二温度传感器31、PTC加热器32和第一循环泵33。其中，第二管路内的制冷剂采用乙醇和水一比一的混合液，在寒冷的户外，将乙醇与水进行混合，起到良好的防冻效果。根据驾驶室的实际温度与设定温度之间的差值，判定PTC的开启和闭合。PTC加热器32可以采用采用常规的PTC加热装置，其采用PTC陶瓷发热元件与铝管组成。该类型PTC发热体有热阻小、换热效率高的优点，更具有自动恒温、省电的特点。具有良好的安全性能。
当然，电加热***3也可以采用其他通电加热材料。
如图1所示，本实施例中的驾驶室空调***还包括换热装置5。优选地，换热装置5为换热器，第一管路、第二管路和第三管路均与换热器连接，进而使得热泵加热***1、余热回收***2和电加热***3中的介质能够流入至换热装置，进而于外部冷空气进行换热从而达到加热采暖的效果。
进一步地，驾驶室空调***还包括风扇4，风扇4与换热器相对设置。由于第一管路、第二管路和第三管路均与换热器连接，因此热泵加热***1、电加热***3和余热回收***2共用一个风扇4。根据设定驾驶室的预设温度以及驾驶室内的实际温度，可以调节风扇4的转速，从而调节加热速度。
优选地，本实施例中空调***还包括控制器。其中，控制器用于对空调***进行控制，并使驾驶室内的温度达到预设温度。进一步地，控制器与第一温度传感器12、第二温度传感器31和第三温度传感器21均连接。控制器还与控制第一管路、第二管路和第三管路开启或者关闭的开关结构(例如阀门、换向阀等等)连接。控制器还与压缩机11、第一循环泵33、第二循环泵23以及风扇4连接。
本实施例中，控制器选用PID闭环控制，先以上一时刻空调***的参数(驾驶室温度)作为热泵加热***1的冷凝器的输入参数，求得当前时刻换热器制冷剂侧状态及进出口焓的预测值。然后按热泵加热***1、电加热***3这样的步骤进行计算，得到当前时刻的***状态。行车时，驾驶室的实际温度小于预设温度，并且最大温差在5℃范围内，闭合加热继电器PTC开始工作，发送停止加热指令。
设定目标值与输出函数值之间的差值：
Figure BDA0003532830770000081
其中，u(t)是PID控制器输出函数；Kp是比例系数；Ti是积分时间常数；Kd是微分系数，err(t)是PID控制器输入函数，为温度设定目标值与输出值之间的差值。
如图2所示，本实施例还提供了一种驾驶室空调***的控制方法其中，空调***包括热泵加热***1、余热回收***2和电加热***3，控制方法包括以下步骤：
步骤S1，设定预设温度；
步骤S2，根据驾驶室内的温度与预设温度的差值控制电加热***3的开启或者关闭；和/或，根据外部环境温度控制热泵加热***1的开启或者关闭；和/或，根据冷却介质的温度控制余热回收***2的开启或者关闭，以使驾驶室内的温度达到预设温度。
优选地，本实施例中的驾驶室空调***为上述的空调***。
在本实施例中，利用热泵加热***1、余热回收***2和电加热***3三个热源相结合的模式为驾驶室供热，根据外部环境和冷却介质的状态，控制各加热***的开启和关闭，起到了提高能量利用率的效果，并且大大提高了对驾驶室的加热效率。
优选地，上述的余热回收***2的热源为液压油、发动机或者控制器中的一个或者多个。
进一步地，余热回收***2的热源为液压油，步骤S2还包括：
液压油的温度小于40℃时，关闭余热回收***。
如图2所示，在本实施例的技术方案中，步骤S2还包括：
外部环境温度小于0℃时，关闭热泵加热***。
如图2所示，在本实施例的技术方案中，步骤S2还包括：
热泵加热***1的加热量通过PID控制进行。
本实施例还提供了一种工程机械，工程机械包括上述的驾驶室空调***。其中，工程机械可以为挖掘机、起重机、泵车等等。
优选地，本实施例中的工程机械为挖掘机，并且挖掘机为电动挖掘机。
显然，上述实施例仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种驾驶室空调***的控制方法，其特征在于，空调***包括热泵加热***(1)、余热回收***(2)和电加热***(3)，所述控制方法包括以下步骤：
步骤S1，设定预设温度；
步骤S2，根据驾驶室内的温度与所述预设温度的差值控制电加热***(3)的开启或者关闭；和/或，根据外部环境温度控制热泵加热***(1)的开启或者关闭；和/或，根据冷却介质的温度控制余热回收***(2)的开启或者关闭，以使驾驶室内的温度达到所述预设温度。
2.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述余热回收***(2)的热源为液压油、发动机或者控制器中的一个或者多个。
3.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述余热回收***(2)的热源为液压油，所述步骤S2还包括：
所述液压油的温度小于40℃时，关闭所述余热回收***。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的控制方法，其特征在于，所述步骤S2还包括：
外部环境温度小于0℃时，关闭所述热泵加热***。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的控制方法，其特征在于，所述步骤S2还包括：
所述热泵加热***(1)的加热量通过PID控制进行。
6.一种驾驶室空调***，其特征在于，包括：
热泵加热***(1)；
余热回收***(2)；
电加热***(3)；
换热装置(5)，适于对驾驶室内空间进行加热，并与所述热泵加热***(1)、所述电加热***(3)以及所述余热回收***(2)连接；
控制器，用于控制热泵加热***(1)、电加热***(3)和余热回收***(2)的开启和关闭。
7.根据权利要求6所述的驾驶室空调***，其特征在于，所述热泵加热***(1)包括通过第一管路顺次连接的压缩机(11)、第一温度传感器(12)、换向阀(13)和膨胀阀(14)。
8.根据权利要求6所述的驾驶室空调***，其特征在于，所述电加热***(3)包括通过第二管路顺次连接的第二温度传感器(31)、PTC加热器(32)和第一循环泵(33)。
9.根据权利要求6所述的驾驶室空调***，其特征在于，所述余热回收***包括通过第三管路顺次连接的第三温度传感器(21)、油箱(22)以及第二循环泵(23)。
10.一种工程机械，其特征在于，包括权利要求1-6任意一项所述的驾驶室空调***。
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