一种一芯两用热泵系统及其运行模式状态机控制方法与流程

本发明涉及新能源汽车热管理系统，属于一种一芯两用热泵系统及其运行模式状态机控制方法。

背景技术：

1、随着新能源汽车的快速普及，消费者对车辆续航里程、冬季采暖能耗以及电池安全性提出了更高的要求。汽车热泵系统作为热管理的核心部件，承担着乘员舱舒适性与电池热安全性的双重责任。然而，当前业内主流的汽车热泵系统架构在面对日益复杂的整车成本控制需求和全工况热管理需求时，逐渐暴露出以下不足：

2、第一、零部件数量多，系统集成度低。现有热泵系统为兼顾制冷与制热功能，普遍需要在空调箱内布置多个换热芯体：要么采用“室内蒸发器+室内冷凝器”的双芯体架构，要么采用“室内蒸发器+暖风芯体（水冷冷凝器或高压ptc）”的组合方案。无论哪种方案，空调箱内至少需要两个独立的换热单元，导致hvac总成体积庞大、重量增加，不仅挤占乘员舱空间，还增大了风道阻力。同时，多个芯体意味着更多的连接管路和密封件，直接推高了系统物料成本和装配工时。

3、第二、换向机构可靠性存在隐患。四通阀在高低温交变、高压差工况下长期运行，其内部滑块易发生内漏或卡滞，导致系统制冷或制热能力衰减，售后故障率较高，影响用户体验。

4、第三、复杂工况适应性不足。当车辆处于冬季高速行驶（乘员舱需强力制热）且电池因大功率放电出现过热（电池需冷却）的复合工况时，传统架构往往只能通过中断制热或增加额外阀件来应对，控制逻辑耦合度高，难以兼顾舒适性与安全性；

5、第四、制冷模式下存在热辐射损耗，影响制冷性能。在部分采用室内冷凝器直接串联于制冷剂回路的热泵系统中，制冷模式下高温高压冷媒仍需流经位于空调箱内的室内冷凝器。即便通过风门关闭阻止热量直接吹入乘员舱，室内冷凝器表面的高温仍会通过热辐射和自然对流加热周围空气，导致流经室内蒸发器的空气温度被动升高，空调出风温度难以达到理想低温，制冷能效比下降，压缩机功耗增加。

技术实现思路

1、针对上述技术问题，本发明提供一种一芯两用热泵系统及其运行模式状态机控制方法，旨在通过单个室内换热器的功能复用和电磁阀组替代四通阀，大幅降低系统硬件成本，提升运行可靠性，并实现乘员舱与电池全工况热管理的智能覆盖。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、一方面，本发明提供一种一芯两用热泵系统及其运行模式状态机控制方法，包括耦合换热连接的冷媒侧回路和冷却液侧回路；

4、所述冷媒侧回路包括压缩机，所述压缩机输出端连接有两条流路，一路经电磁截止阀sov3至室内换热器ihx第一端，另一路经电磁截止阀sov5至室外换热器ohx第一端；

5、所述室内换热器ihx第一端经电磁截止阀sov1和单向阀a至气液分离器；

6、所述室内换热器ihx第二端依次经电磁截止阀sov2、电池支路电子膨胀阀batexv连接至电池冷却器chiller剂侧输入端，所述电池冷却器chiller剂侧输出端连接经气液分离器回到压缩机；

7、所述室外换热器ohx第二端与所述室内换热器ihx第二端之间串联有主路电子膨胀阀hpexv；

8、所述电磁截止阀sov5与单向阀a之间连接有电磁截止阀sov4。

9、作为优选，所述系统还包括单向阀b，所述单向阀b输入端连接于室外换热器ohx第二端，所述单向阀b输出端连接于电磁截止阀sov2与电池支路电子膨胀阀batexv之间。

10、作为优选，所述室内换热器ihx侧部还依次设有风暖电加热器aptc、鼓风机；所述室外换热器ohx侧部设有电子风扇。

11、作为优选，所述冷却液侧回路包括依次连接的电池水泵、水暖电加热器wptc、电池冷却器chiller液侧、三通比例阀第一、第三阀口、电池，所述三通比例阀第二阀口连接与所述电池水泵与电池之间。

12、另一方面，本发明还提供一种上述一芯两用热泵系统的运行模式状态机控制方法，包括以下步骤：

13、将所述一芯两用热泵系统的全部运行模式划分为制冷族、制热族和特殊族三个模式族；

14、为每个所述模式族配置对应的阀门状态组合表，每个运行模式对应一组确定的电磁阀通断组合；

15、获取所述一芯两用热泵系统的当前运行参数及热管理请求信号；

16、根据所述当前运行参数及热管理请求信号，确定目标运行模式及其所属的模式族；

17、当目标运行模式与当前运行模式属于不同模式族时，先进入过渡状态进行系统均压，再控制电磁阀组执行所述目标运行模式对应的通断组合动作；

18、其中，所述电磁阀组由常开电磁阀和常闭电磁阀组合构成，用于替代四通换向阀实现冷媒流向切换。

19、作为优选，所述制冷族包括以下运行模式中的至少一种：单空调制冷模式、单电池制冷模式、双蒸制冷模式、除湿双蒸模式、采暖除湿模式；

20、所述制热族包括以下运行模式中的至少一种：空气源热泵模式、双冷凝器模式、水源热泵模式；

21、所述特殊族包括以下运行模式中的至少一种：除霜模式、单电池加热/单aptc模式。

22、作为优选，所述制冷族下，不同模式均具备的共同特征为：电磁截止阀sov2关闭、电磁截止阀sov3关闭、电磁截止阀sov4关闭、电磁截止阀sov5开启，室内换热器ihx出口连通低压侧；

23、同时，不同模式均具备的不同特征为：

24、单空调制冷模式：电磁截止阀sov1开启、单向阀a开启、主路电子膨胀阀hpexv开启且节流、电池支路电子膨胀阀batexv关闭；

25、此模式下冷媒侧流路为：压缩机排气→电磁截止阀sov5→室外换热器ohx冷凝放热→主路电子膨胀阀hpexv节流降压→室内换热器ihx蒸发吸热→电磁截止阀sov1→单向阀a→气液分离器→压缩机吸气；电池支路电子膨胀阀batexv全闭，电池侧不参与热交换；压缩机转速根据室内换热器ihx内冷表面温度传感器调节，防止蒸发器表面结霜；

26、单电池制冷模式：电磁截止阀sov1关闭、单向阀b开启、主路电子膨胀阀hpexv关闭、电池支路电子膨胀阀batexv开启且节流；

27、此模式下冷媒侧流路为：压缩机排气→电磁截止阀sov5→室外换热器ohx冷凝放热→单向阀b→电池支路电子膨胀阀batexv节流降压→电池冷却器chiller蒸发吸热→气液分离器→压缩机吸气；电磁截止阀sov1关闭，室内换热器ihx不参与；压缩机转速根据电池入口水温传感器调节；水路侧电池水泵运转，三通比例阀连通电池包与电池冷却器chiller，冷却液流经电池冷却器chiller被冷却后进入电池包吸热；

28、双蒸制冷模式：电磁截止阀sov1开启、单向阀a开启、单向阀b开启、主路电子膨胀阀hpexv开启且节流、电池支路电子膨胀阀batexv开启且节流；

29、此模式下冷媒侧流路为：压缩机→电磁截止阀sov5→室外换热器ohx，经过主室外换热器ohx后分为两路，一路从主路电子膨胀阀hpexv→室内换热器ihx→电磁截止阀sov1→单向阀a→气液分离器→压缩机；另一路从单向阀b→电池支路电子膨胀阀batexv→电池冷却器chiller→气液分离器→压缩机；

30、除湿双蒸模式：电磁截止阀sov1开启、单向阀a开启、单向阀b开启、主路电子膨胀阀hpexv开启且节流、电池支路电子膨胀阀batexv开启且节流；

31、此模式下冷媒侧流路为：压缩机→电磁截止阀sov5→室外换热器ohx，经过室外换热器ohx后分为两路，一路经主路电子膨胀阀hpexv→室内换热器ihx→电磁截止阀sov1→单向阀a→气液分离器→压缩机；另一路经从单向阀b→电池支路电子膨胀阀batexv→电池冷却器chiller→气液分离器→压缩机；

32、在所述单空调制冷模式与单电池制冷模式基础上开启风暖电加热器aptc对除湿后冷空气再加热；

33、采暖除湿模式：电磁截止阀sov1开启、电磁截止阀sov2关闭、单向阀a开启、主路电子膨胀阀hpexv开启且节流、电池支路电子膨胀阀batexv关闭；

34、此模式下冷媒侧流路为：压缩机→电磁截止阀sov5→室外换热器ohx→主路电子膨胀阀hpexv→室内换热器ihx→电磁截止阀sov1→单向阀a→气液分离器→压缩机。

35、作为优选，所述制热族下，不同模式均具备的共同特征为：电磁截止阀sov3开启、压缩机排气直入室内换热器ihx高压侧；

36、同时，不同模式均具备的不同特征为：

37、空气源热泵模式：电磁截止阀sov1关闭、电磁截止阀sov2关闭、电磁截止阀sov4开启、电磁截止阀sov5关闭、主路电子膨胀阀hpexv开启且节流、电池支路电子膨胀阀batexv关闭、单向阀a开启；

38、此模式下冷媒侧流路为：压缩机→电磁截止阀sov3→室内换热器ihx→主路电子膨胀阀hpexv→室外换热器ohx→电磁截止阀sov4→单向阀a→气液分离器→压缩机。

39、双冷凝器模式：电磁截止阀sov1关闭、电磁截止阀sov2开启、电磁截止阀sov4关闭、电磁截止阀sov5开启、主路电子膨胀阀hpexv关闭、电池支路电子膨胀阀batexv开启且节流、单向阀b开启；

40、此模式下冷媒侧流路为：出压缩机后分为两路，一路经电磁截止阀sov3→室内换热器ihx→电磁截止阀sov2→电池支路电子膨胀阀batexv→电池冷却器chiller→气液分离器→压缩机；另一路经电磁截止阀sov5→室室外换热器ohx→单向阀b→电池支路电子膨胀阀batexv→电池冷却器chiller→气液分离器→压缩机。

41、水源热泵模式：电磁截止阀sov1关闭、电磁截止阀sov2开启、电磁截止阀sov4关闭、电磁截止阀sov5关闭、主路电子膨胀阀hpexv关闭、电池支路电子膨胀阀batexv开启且节流；

42、此模式下冷媒侧流路为：压缩机→电磁截止阀sov3→室内换热器ihx→电磁截止阀sov2→电池支路电子膨胀阀batexv→电池冷却器chiller→气液分离器→压缩机。

43、作为优选，所述特殊族下，不同模式均具备的共同特征为：电磁截止阀sov4关闭、电磁截止阀sov5开启、主路电子膨胀阀hpexv关闭；

44、同时，不同模式均具备的不同特征为：

45、除霜模式：电磁截止阀sov1关闭、电磁截止阀sov2开启、电磁截止阀sov3开启、电池支路电子膨胀阀batexv开启且节流、单向阀b开启；

46、此模式下冷媒侧流路为：出压缩机后分为两路，一路经电磁截止阀sov5→室外换热器ohx→单向阀b→电池支路电子膨胀阀batexv→电池冷却器chiller→气液分离器→压缩机；另一路经电磁截止阀sov3→室内换热器ihx→电磁截止阀sov2→电池支路电子膨胀阀batexv→电池冷却器chiller→气液分离器→压缩机。

47、单电池加热/单aptc加热模式：电磁截止阀sov1开启、电磁截止阀sov2关闭、电磁截止阀sov3关闭、电池支路电子膨胀阀batexv关闭、单向阀a开启。

48、作为优选，所述双蒸制冷模式中，所述单空调制冷模式回路和单电池制冷模式回路两回路并联运行，压缩机以室内换热器ihx温度进行主调节因素，并引入电池冷却器chiller水温修正补偿。

49、作为优选，所述除湿双蒸模式中，在所述单空调制冷模式与单电池制冷模式基础上开启风暖电加热器aptc对除湿后冷空气再加热。

50、作为优选，所述采暖除湿模式中，冷媒回路与单空调制冷模式相同，室内换热器ihx对空气进行降温除湿；同时开启风暖电加热器aptc对除湿后的冷空气进行再加热后吹入乘员舱，实现温风除湿；该模式无需增加额外的制冷剂管路或阀件，仅利用已有风暖电加热器aptc作为再热源。

51、作为优选，所述空气源热泵模式中，所述电磁截止阀sov1和电磁截止阀sov5关闭，以切断室内换热器出口与低压侧的通路以及压缩机排气直通室外换热器ohx的通路；

52、所述电磁截止阀sov3和sov4开启，使压缩机高温排气经sov3直接进入室内换热器，室内换热器作为高压冷凝器向乘员舱放热供暖；

53、室内换热器ihx出口冷媒经主路电子膨胀阀hpexv节流后进入室外换热器ohx蒸发吸热，再经电磁截止阀sov4和单向阀a回到气液分离器。

54、通过电磁截止阀sov1、电磁截止阀sov2、电磁截止阀sov4、电磁截止阀sov5四个电磁阀实现室内换热器ihx从蒸发器到冷凝器的角色反转，完全替代传统方案中的室内冷凝器和四通阀。

55、作为优选，所述双冷凝器模式中，压缩机排气同时进入室内换热器ihx向乘员舱放热和室外换热器ohx向环境散热，两路冷凝后汇合经电池支路电子膨胀阀batexv节流，在电池冷却器chiller中蒸发冷却电池。

56、作为优选，所述水源热泵模式中，电磁截止阀sov5关闭将室外换热器ohx隔离，冷媒经电磁截止阀sov2进入电池冷却器chiller，吸收电池余热。

57、作为优选，所述除霜模式中，压缩机根据高压压力控制、电子风扇停止、水暖电加热器wptc供热，且除霜期间室内换热器ihx持续供热。

58、作为优选，所述单电池加热/单aptc加热模式中，冷媒侧回路休眠，水暖电加热器wptc或风暖电加热器aptc独立工作进行加热，用于极低温或故障兜底。

59、与现有技术相比，本发明提供一种一芯两用热泵系统及其运行模式状态机控制方法，具有以下有益效果：

60、1、本发明通过设计“一芯两用”的室内换热器架构，完全取消传统方案中的室内冷凝器芯体，并用低成本电磁阀组替代高价四通换向阀，从硬件层面实现系统物料成本的显著优化。

61、2、本发明采用常开/常闭电磁阀组合替代易泄漏的四通阀，并设计掉电自动泄压的保护机制，从根本上规避了四通阀内漏和卡滞的风险，提升系统运行可靠性。

62、3、本发明通过定义制冷族、制热族和特殊族（根据阀门组合的共同特征，将系统的全部运行模式归纳为三个模式族）三大状态机族系，将11种运行模式进行有机管理，确保系统在高温制冷、低温制热、电池冷却、余热回收、除霜除湿等各种复杂场景下均能平滑切换，并特别解决了冬季“制热与电池冷却并行运行”的行业痛点，实现全工况的精准覆盖与智能切换。

63、4、本发明完全取消了室内冷凝器，制冷模式下冷媒仅在室内换热器ihx中蒸发吸热，空调箱内无高温部件，从根本上消除了传统方案中因室内冷凝器热辐射导致的制冷出风温度升高问题，显著提升制冷能效，降低压缩机功耗。

64、本发明的特征及优点将通过实施例结合附图进行详细说明。