热泵空调系统及其控制方法、电动车辆与流程

1.本发明属于空气调节技术领域，具体涉及一种热泵空调系统及其控制方法、电动车辆。


背景技术：

2.氟利昂气体的排放会破坏大气层、引起温室效应导致全球温升等一系列环境问题，而制冷工质作为空调系统的工质已被广泛应用。
3.co2是天然环保的制冷工质之一，且如能作为制冷工质使用还能起到“固碳”的作用，但由于co2临界温度较低，在环境温度较高时制冷能效差，因而一直未能广泛应用。
4.随着欧盟环保法规限制gwp>150的工质作为汽车空调的制冷工质使用，co2又被用于作为汽车空调的制冷工质在小部分高端车型中有推广，但因其制冷效果较差，主要用于北欧这类高纬度地区，而我国暂无co2汽车空调的量产车型报道。


技术实现要素：

5.因此，本发明提供一种热泵空调系统及其控制方法、电动车辆，能够克服相关技术中采用co2为制冷工质的空调系统在环境温度较高时制冷能效差的不足。
6.为了解决上述问题，本发明提供一种热泵空调系统，包括依次连通形成制冷工质循环的压缩机、第一换热器、膨胀机、第二换热器，所述膨胀机能够在运转时驱动发电储电模块发电，所述制冷工质为co2。
7.优选地，所述第一换热器配置有第一风机，和/或，所述第二换热器配置有第二风机；和/或，所述发电储电模块包括发电机以及用于存储所述发电机发出的电能的储电部件，所述膨胀机能够驱动所述发电机旋转发电。
8.优选地，所述热泵空调系统还包括回热器，所述回热器内具有能够互相换热的第一管路、第二管路，其中第一管路为所述第一换热器的出口与所述膨胀机的进口之间的管路，所述第二管路为所述膨胀机的出口与所述压缩机的吸气口之间的管路。
9.优选地，所述第一管路与所述膨胀机的进口之间的管路上与所述膨胀机并联连接有第一电子膨胀阀；和/或，所述第二管路与所述第二换热器的出口之间的管路上连接有气液分离器。
10.优选地，所述第一管路与所述第一换热器的出口之间的管路上还连接有第一电磁阀。
11.优选地，所述压缩机的排气口与所述第一换热器之间的管路上依次设置有第三换热器、第二电子膨胀阀，其中所述第三换热器配置有风阀，当所述风阀处于打开状态时，所述第三换热器能够与外部气流换热，当所述风阀处于闭合状态时，所述第三换热器停止与外部气流换热。
12.优选地，所述第三换热器的出口与所述第一换热器的进口之间的管路上与所述第二电子膨胀阀并联连接有第二电磁阀。
13.优选地，所述第一管路的出口还通过第三电磁阀与所述气液分离器的入口可控制连通。
14.本发明还提供一种用于控制上述的热泵空调系统的控制方法，包括如下步骤：
15.获取所述热泵空调系统的运行模式；
16.根据获取的所述运行模式，控制所述压缩机、发电机启停，控制所述风阀开闭，控制所述第二电子膨胀阀、第一电子膨胀阀、第一电磁阀、第二电磁阀、第三电磁阀通断。
17.优选地，
18.当所述运行模式为制冷模式时，控制所述压缩机启动、发电机停机或者保持停机状态，控制所述风阀闭合，控制所述第二电子膨胀阀、第三电磁阀、第二电磁阀导通，控制所述第一电子膨胀阀、第一电磁阀截断；或者，
19.当所述运行模式为制冷发电模式时，控制所述压缩机、发电机启动，控制所述风阀闭合，控制所述第二电子膨胀阀、第三电磁阀、第二电磁阀导通，控制所述第一电子膨胀阀、第一电磁阀截断；或者，
20.当所述运行模式为制热模式时，控制所述压缩机启动、发电机停机或者保持停机状态，控制所述风阀打开，控制所述第二电子膨胀阀、第一电磁阀、第二电磁阀导通，控制所述第一电子膨胀阀、第三电磁阀截断。
21.优选地，当所述运行模式为制冷模式或者制冷发电模式时，还包括：
22.获取所述膨胀机的进口与出口的第一压差，并在所述压差超过第一预设压差时，控制所述第一电子膨胀阀导通。
23.优选地，当所述运行模式为停机发电模式时，控制所述压缩机停机或者保持停机状态、发电机启动，控制所述第二电子膨胀阀、第三电磁阀、第一电子膨胀阀、第一电磁阀、第二电磁阀截断，并获取所述第一换热器与所述第二换热器中的制冷工质的第二压差，在所述第二压差超过第二预设压差时，控制所述第二电磁阀导通，并在所述第二压差低于所述第二预设压差时，控制所述第二电磁阀截断。
24.本发明还提供一种电动车辆，包括上述的热泵空调系统。
25.本发明提供的一种热泵空调系统及其控制方法、电动车辆，一方面，利用所述膨胀机对所述第一换热器流出的制冷工质实现节流，能够使所述制冷工质在从所述膨胀机流出后具有更大的焓值差，从而使所述制冷工质单位质量具备更大的制冷量，进而使所述空调系统在环境温度较高时具有较高的制冷能效；另一方面，所述膨胀机还能够驱动所述发电储电模块，当所述热泵空调系统应用到电动车辆中时，能够显著提升电动车辆的续航里程。
附图说明
26.图1为本发明实施例的热泵空调系统的一种原理示意图；
27.图2为图1中热泵空调系统处于制冷模式下的原理示意图；
28.图3为图1中热泵空调系统处于制热模式下的原理示意图；
29.图4为本发明实施例的热泵空调系统的另一种原理示意图；
30.图5为采用本发明中的膨胀机及不采用膨胀机节流的制冷循环示意图。
31.附图标记表示为：
32.1、压缩机；2、第一换热器；21、第一风机；3、膨胀机；4、第二换热器；41、第二风机；
51、发电机；52、储电部件；6、回热器；7、第三换热器；71、风阀；8、第二电子膨胀阀；9、气液分离器；101、第一电子膨胀阀；102、第一电磁阀；103、第二电磁阀；104、第三电磁阀；201、车外温度传感器；202、低压传感器；203、车内温度传感器；204、高压传感器；300、控制器。
具体实施方式
33.结合参见图1至图5所示，根据本发明的实施例，提供一种热泵空调系统，包括依次连通形成制冷工质循环的压缩机1、第一换热器2、膨胀机3、第二换热器4，具体的，所述压缩机1内形成的高压排气依次流经所述第一换热器2、膨胀机3、第二换热器4后回流至所述压缩机1内，所述膨胀机3能够在运转时驱动发电储电模块发电，所述制冷工质为co2。该技术方案中，一方面，利用所述膨胀机3对所述第一换热器2流出的制冷工质实现节流，能够使所述制冷工质在从所述膨胀机3流出后具有更大的焓值差，从而使所述制冷工质单位质量具备更大的制冷量，进而使所述空调系统在环境温度较高时具有较高的制冷能效；另一方面，所述膨胀机3还能够驱动所述发电储电模块，当所述热泵空调系统应用到电动车辆中时，能够显著提升电动车辆的续航里程。而可以理解的是，本技术中采用co2作为制冷工质能够使所述热泵空调系统具备更佳的制热性能，而无需采用ptc电辅热对电动车辆进行加热，从而也能够提升冬季电动车辆的续航里程。
34.需要说明的是，在制冷循环时，因为采用膨胀机3进行节流，相比采用电子膨胀阀等焓节流，制冷循环由a
‑
b
‑
c
‑
d
’‑
a变为a
‑
b
‑
c
‑
d
‑
a，其中c
‑
d’为等焓节流(如采用电子膨胀阀时的节流方式)，c
‑
d为膨胀机节流，如图5所示，第二换热器4的进口由点d’左移至点d，即采用膨胀机节流可以降低第二换热器4的进口干度，从而提高系统单位质量制冷量，图中的a点为所述压缩机1的吸气口位置，b点为所述压缩机1的排气口位置，c点为所述回热器6内的第一管路的出口位置，d点为膨胀机的出口位置。
35.在一些实施方式中，所述第一换热器2配置有第一风机21，和/或，所述第二换热器4配置有第二风机41，能够分别驱动气流与相应的换热器之间的热气流交换，提升换热效率。
36.所述发电储电模块具体包括发电机51以及用于存储所述发电机51(具体例如动力电池)发出的电能的储电部件52，所述膨胀机3能够驱动所述发电机51旋转发电，所述发电机51发出的电能在所述储电部件52中的存储技术作为发电储电领域的公知技术，本发明不做赘述。
37.在一些实施方式中，所述热泵空调系统还包括回热器6，所述回热器内具有能够互相换热的第一管路、第二管路，其中第一管路为所述第一换热器2的出口与所述膨胀机3的进口之间的管路，所述第二管路为所述膨胀机3的出口与所述压缩机1的吸气口之间的管路，从而在制冷循环时能够提升所述压缩机1的吸气过热度。
38.在一些实施方式中，所述第一管路与所述膨胀机3的进口之间的管路上与所述膨胀机3并联连接有第一电子膨胀阀101，设置所述第一电子膨胀阀101能够在所述膨胀机3的进出制冷工质超出预设差值时，对流入所述膨胀机3内的制冷工质流量进行调节，从而保证所述膨胀机3处于合适的运行工况下，可以理解的，所述第一电子膨胀阀101能够根据所述膨胀机3的进出制冷工质的实时压差进行实时的调节；所述第二管路与所述第二换热器4的出口之间的管路上连接有气液分离器9，防止所述压缩机1吸气带液。
39.在一些实施方式中，所述第一管路与所述第一换热器2的出口之间的管路上还连接有第一电磁阀102，以能够将所述第一换热器2与后续的部件例如所述膨胀机3在特定工况下断开连接，例如在后续所述热泵空调系统运行停机发电模式时。
40.在一些实施方式中，所述压缩机1的排气口与所述第一换热器2之间的管路上依次设置有第三换热器7、第二电子膨胀阀8，其中所述第三换热器7配置有风阀71，当所述风阀71处于打开状态时，所述第三换热器7能够与外部气流换热，当所述风阀71处于闭合状态时，所述第三换热器7停止与外部气流换热，所述第一管路的出口还通过第三电磁阀104与所述气液分离器9的入口可控制连通，如此，可以通过控制所述热泵空调系统中的各个电磁阀及电子膨胀阀的通断、风阀71的开闭实现所述热泵空调系统的制热模式或者制冷模式的切换。需要说明的是，当所述热泵空调系统运行制冷模式时，所述风阀71闭合使所述第三换热器7不具备热交换的功能，此时对应的所述第二电子膨胀阀8的开度应被调节到最大以降低其节流作用，以减小所述压缩机1的排气在到达所述第一换热器2之前的压降，保证系统能效；当所述热泵空调系统运行制热模式时，此时所述风阀71被打开，所述第三换热器7环境空气(当热泵空调系统应用到电动车辆时，则为车内空气)进行热交换，从而实现对空气的制热作用，而此时所述第二电子膨胀阀8的开度则应被调节到发挥其节流作用的开度，从而实现空调系统中所述第一换热器2实现蒸发、第三换热器7实现冷媒的空调作用。
41.在一些实施方式中，所述第三换热器7的出口与所述第一换热器2的进口之间的管路上与所述第二电子膨胀阀8并联连接有第二电磁阀103，所述第二电磁阀103在所述热泵空调系统运行制冷模式时被控制导通，从而能够最大程度的减少制冷工质在流入所述第一换热器2之前的压降，提高空调系统的能效。
42.根据本发明的实施例，还提供一种用于控制上述的热泵空调系统的控制方法，包括如下步骤：
43.获取所述热泵空调系统的运行模式；
44.根据获取的所述运行模式，控制所述压缩机1、发电机51启停，控制所述风阀71开闭，控制所述第二电子膨胀阀8、第一电子膨胀阀101、第一电磁阀102、第二电磁阀103、第三电磁阀104通断。
45.具体的，参见图2所示出，当所述运行模式为制冷模式时，控制所述压缩机1启动、发电机51停机或者保持停机状态，控制所述风阀71闭合，控制所述第二电子膨胀阀8、第三电磁阀104、第二电磁阀103导通，控制所述第一电子膨胀阀101、第一电磁阀102截断，此时，所述压缩机1中的高温高压制冷工质被排出后，依次流经所述第三换热器7、第二电子膨胀阀8/第三电磁阀104进入所述第一换热器2换热冷凝，形成中温高压制冷工质，进一步依次流经所述第二电磁阀103、回热器6的第一管路进入所述膨胀机3并流出成为中温中压制冷工质，进一步进入所述第二换热器4中吸热蒸发制冷后经由所述气液分离器9流回所述压缩机1，从而完成一个制冷循环。
46.当所述运行模式为制冷发电模式时，控制所述压缩机1、发电机51启动，控制所述风阀71闭合，控制所述第二电子膨胀阀8、第三电磁阀104、第二电磁阀103导通，控制所述第一电子膨胀阀101、第一电磁阀102截断，此模式的制冷工质流向与所述制冷模式完全一致，不同在于，此时要控制所述发电机51启动以能够利用所述膨胀机3的旋转驱动其发电并进行存储。
47.参见图3所示出，当所述运行模式为制热模式时，控制所述压缩机1启动、发电机51停机或者保持停机状态，控制所述风阀71打开，控制所述第二电子膨胀阀8、第一电磁阀102、第二电磁阀103导通，控制所述第一电子膨胀阀101、第三电磁阀104截断，此时所述压缩机1中的高温高压制冷工质被排出后，流经所述第三换热器7冷凝放热制热后，经过第二电子膨胀阀8节流后进入所述第一换热器2换热蒸发，制冷工质进一步依次流经所述第二电磁阀103、回热器6的第一管路进入所述第一电磁阀102、气液分离器9流回所述压缩机1，从而完成一个制热循环。需要说明的是，为了保证所述第二电子膨胀阀8的节流作用，所述第三电磁阀104被控制截断。
48.在一些实施方式中，当所述运行模式为制冷模式或者制冷发电模式时，还包括：获取所述膨胀机3的进口与出口的第一压差，并在所述压差超过第一预设压差时，控制所述第一电子膨胀阀101导通，以保证所述膨胀机3处于一个合适的运行工况下。
49.在一些实施方式中，当所述运行模式为停机发电模式时，控制所述压缩机1停机或者保持停机状态、发电机51启动，控制所述第二电子膨胀阀8、第三电磁阀104、第一电子膨胀阀101、第一电磁阀102、第二电磁阀103截断，并获取所述第一换热器2与所述第二换热器4中的制冷工质的第二压差，在所述第二压差超过第二预设压差时，控制所述第二电磁阀103导通，并在所述第二压差低于所述第二预设压差时，控制所述第二电磁阀103截断，如此，根据所述第二压差与所述第二预设压差的大小关系对所述第二电磁阀103通断控制，从而能够利用所述制冷工质(co2)的高压差实现对所述膨胀机3的驱动进而实现发电机51的发电。
50.具体的，在制冷运行停机时，以压缩机1停止运行为标志，在这一时刻，风阀71、第二电子膨胀阀8、第三电磁阀104、第一电子膨胀阀101、第一电磁阀102、第二电磁阀103截断，第二风机41同时停止运行，将所述第一换热器2与第三换热器7及膨胀机3断开。由于此时车外环境温度高于车内环境温度，而随着换热的充分进行，所述第一换热器2内制冷工质的压力将高于第二换热器4的制冷工质的压力。如图1所示，车外温度传感器201将采集到的温度tout1传输给控制器300(具体为中央控制器)，同样低压传感器202将系统低压压力ps1反馈给控制器300，由于停机状态下制冷工质处于气液两相状态，因此可以根据低压压力ps1计算得到此时系统的温度ts1，当tout1
‑
ts1>x1时，5℃≤x1≤20℃，判定第一换热器2与第二换热器4的压力差足以驱动膨胀机3旋转做功，此时所述第二电磁阀103开启(也即导通)，制冷工质经过第二电磁阀103和回热器6进入膨胀机3，从而带动发电机51发电，实现了夏季热天(即室外环境温度高于室内环境温度)停机状态下时的热泵系统发电，并将所发电能存入动力电池中。在车外环境温度高于车内环境温度的状态下，均会因温度差导致产生压力差，从而可以实现停机状态下通过第二电磁阀103的开启，使高压制冷工质驱动膨胀机3进行发电。
51.根据本发明的实施例，还提供一种电动车辆，包括上述的热泵空调系统，此时，所述第一换热器2具体为车外气冷器，所述第二换热器4对应车内蒸发器，所述第三换热器7则对应车内气冷器。
52.本领域的技术人员容易理解的是，在不冲突的前提下，上述各有利方式可以自由地组合、叠加。
53.以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和
原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。