基于空气压缩循环的纯电动车热泵空调系统.pdf

本发明涉及一种基于空气压缩循环的纯电动车热泵空调系统，包括透平式空气压缩机、透平式空气膨胀机、传动连轴器、回热器、车内空气冷却器、车外空气冷却器、混风箱、直流风机、带冷凝水盘的挡水板、若干送风风道和送风口、车厢、车外空气入口、排气口、新风口、排风口、三通换向阀及连接管。与现有技术相比，本发明系统基于半开式回热型空气压缩循环热泵原理，将空气压缩循环制冷和热泵技术运用到纯电动车空调中，解决了目前纯电动车在严寒地区使用过程中空调耗电量大的问题。

1.  一种基于空气压缩循环的纯电动车热泵空调系统，其特征在于，包括空气压缩机、空气膨胀机、传动连轴器、回热器、车内空气冷却器、车外空气冷却器、混风箱及车厢，所述的空气压缩机通过传动联轴器与空气膨胀机进行机械传动连接，所述的车内空气冷却器设置混风箱中，所述的混风箱与新风口连通，所述的混风箱通过若干送风风道和送风口经连接管连通车厢，同时车厢与排风口连通，所述的回热器有两条连接通道，其中一条连接通道上，回热器入口通过三通换向阀与连接管分别连接车外空气入口及车厢，回热器出口连通空气压缩机入口，另一条连接通道上，回热器入口通过三通换向阀分别与车内空气冷却器、车外空气冷却器连通，回热器出口与空气膨胀机入口连通，所述的空气压缩机出口通过连接管与三通换向阀分别与车内空气冷却器、车外空气冷却器连通，所述的空气膨胀机出口通过连接管与三通换向阀分别连接排气口与混风箱。

2.  根据权利要求1所述的一种基于空气压缩循环的纯电动车热泵空调系统，其特征在于，所述的混风箱内依次设置有直流风机、带冷凝水盘的挡水板及车内空气冷却器。

3.  根据权利要求1所述的一种基于空气压缩循环的纯电动车热泵空调系统，其特征在于，所述的车外空气入口到三通换向阀之间的连接管上设置过滤器。

4.  根据权利要求1所述的一种基于空气压缩循环的纯电动车热泵空调系统，其特征在于，所述的混风箱与新风口之间的连接管内设置空气过滤器、风机或风阀。

5.  根据权利要求1所述的一种基于空气压缩循环的纯电动车热泵空调系统，其特征在于，所述的混风箱与车厢之间的连接管上设置有风机或风阀。

6.  根据权利要求1所述的一种基于空气压缩循环的纯电动车热泵空调系统，其特征在于，所述的回热器与车厢之间的连接管上设有空气过滤器。

7.  根据权利要求1所述的一种基于空气压缩循环的纯电动车热泵空调系统，其特征在于，所述的空气压缩机为透平式空气压缩机。

8.  根据权利要求1所述的一种基于空气压缩循环的纯电动车热泵空调系统，其特征在于，所述的空气膨胀机为透平式空气膨胀机。

基于空气压缩循环的纯电动车热泵空调系统
技术领域
本发明涉及一种车用空调系统，尤其是涉及一种基于空气压缩循环的纯电动车热泵空调系统。
背景技术
纯电动车(EV)，与传统内燃机汽车相比更为低碳环保，但由于驱动方式的限制，其自身动力本就远远小于传统汽车，能够提供给空调系统的动力更是极为有限，纯电动车在开启空调的情况下续航里程将大幅下降，空调耗能实际上已成为制约新型动力机动车实用化的主要障碍之一。特别是在冬季，传统内燃机汽车主要由发动机余热与热敏电阻PTC供暖，但纯电动车采用电机驱动，其发动机无法提供足够的热量或根本没有发动机，只能依靠热电阻PTC提供热量，这将会消耗整车30％以上的电能，即缩短三成的续航里程。在保障纯电动车运行可靠性的同时，也应给乘员提供舒适的驾驶和乘坐环境，纯电动车的空调能耗问题亟待解决。
因此，考虑使用热泵空调为机动车制冷和供暖，减少电能消耗。但相对于家用空调来说，车用热泵空调的运行环境更为恶劣，常常需要在变工况条件下运行；碳氢制冷剂蒸气压缩式热泵空调系统在冬季低温环境下的工作效率较低，制热COP低于2，即使用1kWh电能不能提供2kWh的热能。且蒸气压缩式热泵存在冬季制热时外部换热器表面结霜的问题，使制热效果大打折扣。此外，出于对温室效应的忧虑，车辆空调制冷剂替代问题已成为世界各国的重要议题。
空气压缩热泵空调有助于解决以上问题。首先，空气作为随处可得的天然工质，正是世界上最环保、经济的制冷剂，且对人体无害。对于空气压缩热泵来说，高低温热源温差越大，系统制冷/制热量也越大，这与车内冷/热负荷的变化趋势是一致的，优于传统的蒸气压缩式热泵；COP随工况变化幅度比传统的蒸气压缩式热泵小得多，且无换热器结霜问题，在低温工况下的性能更具竞争力。因此，引入空气压缩循环热泵作为纯电动车空调，在寒冷地区与严寒地区将会是一个相当绿色 节能的选择。
目前纯电动车一般使用热敏电阻PTC或蒸汽压缩式热泵空调采暖，在低温环境下效率很低。
发明内容
本发明的目的是将空气压缩循环制冷和热泵技术运用到纯电动车空调中，解决目前纯电动车在严寒地区使用过程中空调耗电量大的问题，而提供一种以半开式回热型空气压缩循环热泵原理制冷和制热的基于空气压缩循环的纯电动车热泵空调系统。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种基于空气压缩循环的纯电动车热泵空调系统，包括空气压缩机、空气膨胀机、传动连轴器、回热器、车内空气冷却器、车外空气冷却器、混风箱及车厢，所述的空气压缩机通过传动联轴器与空气膨胀机进行机械传动连接，所述的车内空气冷却器设置混风箱中，所述的混风箱与新风口连通，所述的混风箱通过若干送风风道和送风口经连接管连通车厢，同时车厢与排风口连通，所述的回热器有两条连接通道，其中一条连接通道上，回热器入口通过三通换向阀与连接管分别连接车外空气入口及车厢，回热器出口连通空气压缩机入口，另一条连接通道上，回热器入口通过三通换向阀分别与车内空气冷却器、车外空气冷却器连通，回热器出口与空气膨胀机入口连通，所述的空气压缩机出口通过连接管与三通换向阀分别与车内空气冷却器、车外空气冷却器连通，所述的空气膨胀机出口通过连接管与三通换向阀分别连接排气口与混风箱。
所述的混风箱内依次设置有直流风机、带冷凝水盘的挡水板及车内空气冷却器。
所述的车外空气入口到三通换向阀之间的连接管上设置过滤器。
所述的混风箱与新风口之间的连接管内设置空气过滤器、风机或风阀。
所述的混风箱与车厢之间的连接管上设置有风机或风阀。
所述的回热器与车厢之间的连接管上设有空气过滤器。
所述的空气压缩机为透平式空气压缩机。
所述的空气膨胀机为透平式空气膨胀机。
本发明中空气压缩机采用透平式压缩机，对空气进行压缩，空气压缩机与空气 膨胀机经传动联轴器机械传动相互作用，实现膨胀功的回收。制热工况下，车内空气冷却器是制热的主要设备，车内空气冷却器换热通道内的高温高压空气与混风箱内的空气换热，加热混风箱内的空气；回热器实际为单相的流体换热器，从车内空气冷却器出来的温度较高的空气经回热器与从即将进入空气压缩机的空气换热，温度降低，降低循环的压比，提高系统效率；空气膨胀机采用透平式空气膨胀机，完成循环的压降过程，空气流动过程带动空气膨胀机转动做功，经传动联轴器传递给空气压缩机，可替代部分空气压缩机转动所需的能量，该能量回收装置助于提高机组整体性能；空气膨胀机低压端排出的空气经回热器换热后直接排入大气，空气压缩机入口部分的工质——空气可直接从环境中抽取。机组在低温吸热段不使用低温换热器而是采用开放式设计的办法，从根本上解决了目前蒸汽压缩式热泵存在的冬季工况下低温换热器结霜问题。同时，通过对空气压缩循环热泵的特性分析可以看出，当外界环境温度降低或车厢内温度升高时，机组所能够提供的热量也是升高的，二者之间的正相关关系，使得不同工况下热量供需求关系得到平衡，也就解决了蒸汽压缩式热泵中存在的热量供需之间的矛盾。
此外，高温环境中本系统也具备制冷能力。制冷工况下，车内空气(全新风制冷工况工质为车外空气)经预热，压缩成高温高压的空气。高温高压的空气在车外空气冷却器内与车外空气换热，温度降低。再经回热器，与车内空气换热，温度进一步降低，增加制冷量，提高系统效率，降低耗电量。高压空气在膨胀机作用下压力下降，温度降低产生制冷效应。产生的冷空气与新风(全新风制冷工况下无补充新风)及车内回风混合，除水后的空气直接送入车厢内，降低车厢内温度。
附图说明
图1为本发明系统的结构示意图。
图中，1为车外空气入口，3、9、13、19为三通换向阀，5为回热器，7为空气压缩机，11为车内空气冷却器，16为空气膨胀机，17为传动连轴器，21为排气口，22为混风箱，23为直流风机，24为带冷凝水盘的挡水板，26为新风口，28为车厢，29为若干送风风道和送风口，31为排风口，34为车外空气冷却器，其余均为连接管，其中连接管2、27、32可选配空气过滤器，连接管25、27、30可选配独立风机或风阀。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例
一种基于空气压缩循环的纯电动车热泵空调系统，如图1所示，包括车外空气入口1，三通换向阀3、9、13、19，回热器5，空气压缩机7，车内空气冷却器11，空气膨胀机16，传动连轴器17，排气口21，混风箱22，直流风机23，带冷凝水盘的挡水板24，新风口26，车厢28，若干送风风道和送风口29，排风口31，车外空气冷却器34，连接管2、4、6、8、10、12、14、15、18、20、25、27、29、30、32、33、35。
其中，空气压缩机7通过传动联轴器17与空气膨胀机16进行机械传动连接，直流风机23、带冷凝水盘的挡水板24及车内空气冷却器11依次设置混风箱22中，混风箱22与新风口26通过连接管27连通，混风箱22通过若干送风风道和送风口29经连接管连通车厢28，同时车厢28与排风口31通过连接管30连通，回热器5有两条连接通道，其中一条连接通道上，回热器5入口通过连接管4与三通换向阀3后分别通过连接管2连接车外空气入口1，通过连接管32连通车厢28，回热器5出口通过连接管6连通空气压缩机7入口，另一条连接通道上，回热器5入口通过连接管14与三通换向阀13后分别通过连接管12车内空气冷却器11连接，通过连接管35与车外空气冷却器34连通，回热器5出口通过连接管15与空气膨胀机16入口连通，空气压缩机7出口通过连接管8与三通换向阀9后通过连接管10与车内空气冷却器11连通，通过连接管33与车外空气冷却器34连通，空气膨胀机16出口通过连接管18与三通换向阀19后分别通过连接管20连接排气口21，通过连接管29连通混风箱22。
作为优选实施方式，连接管2内可选装管内过滤器，进行空气过滤。连接管25内可选装风机或风阀，控制回风量。连接管27内可选装过滤器，过滤空气，或管内可选装风机或风阀，控制新风量。连接管30内可选装风机或风阀，控制排风量。连接管32内可选装过滤器，过滤空气。空气压缩机7为透平式空气压缩机。空气膨胀机16为透平式空气膨胀机。
制热工况下，车外空气从车外空气入口1被吸入，经连接管2(可选装管内过滤器，进行空气过滤)，三通换向阀3，连接管4，进入回热器5，进行预热。预热后的空气经连接管6，被透平式空气压缩机7吸入压缩，透平式空气压缩机7由外 部电力设备驱动。压缩后的高温高压空气，经连接管8，三通换向阀9、连接管10进入车内空气冷却器11。在空气冷却器11中，高温高压空气与混风箱22内的空气换热、冷却，经连接管12，三通换向阀13，连接管14，进入回热器5。被冷却的空气在回热器5中与进入透平式空气压缩机7的空气进一步换热、冷却。回热器流出的高压空气经连接管15，进入透平式空气膨胀机16，过程中推动透平式膨胀机做功，压力下降。透平式空气膨胀机16所做的功经传动连轴器17传递给透平式空气压缩机7实现功的回收。流出空气膨胀机16的空气经连接管18，三通换向阀19，连接管20到排气口21，排到车外，完成空气压缩热泵循环。车厢28内的空气经连接管25(管内可选装风机或风阀，控制回风量)送入混风箱22，作为空调回风。车外新鲜空气经新风口26，连接管27(管内可选装过滤器，过滤空气；管内可选装风机或风阀，控制新风量)，进入混风箱22，作为空调新风。新风和回风在混风箱22内混合，经直流风机23，穿过带冷凝水盘的挡水板24，与车内空气冷却器11内的高温高压空气进行换热后，被加热。被加热的空气经过若干送风风道和送风口29进入车厢28，用于采暖和除霜。车内的排风经连接管30(管内可选装风机或风阀，控制排风量)，排风口31排出。完成制热过程。
内循环制冷工况下，三通换向阀3、9、13、19，相比于制热工况，方向反转。车厢28内的空气经连接管32(管内可选装过滤器，过滤空气)，三通换向阀3，连接管4，进入回热器5，预热。预热后的空气经连接管6，被透平式空气压缩机7吸入压缩，透平式空气压缩机7由外部电力设备驱动。压缩后的高温高压空气，经连接管8，三通换向阀9，连接管33进入车外空气冷却器34。高温高压的空气与车外空气换热、冷却后，经连接管35，三通换向阀13，连接管14，进入回热器5。被冷却的空气在回热器5中与进入透平式空气压缩机7的空气进一步换热、冷却。回热器流出的高压空气经连接管15，进入透平式空气膨胀机16，过程中推动透平式空气膨胀机16做功，压力下降的同时温度下降。透平式空气膨胀机16所做的功经传动连轴器17传递给透平式空气压缩机7实现功的回收。流出空气膨胀机16的低温空气则经连接管18，三通换向阀19，连接管29，进入混风箱22，完成空气压缩制冷循环。车厢28内的空气经连接管25(管内可选装风机或风阀，控制回风量)送入混风箱22，作为空调回风。车外新鲜空气经新风口26，连接管27(管内可选装过滤器，过滤空气；管内可选装风机或风阀，控制新风量)，进入混风箱22，作为空调新风。新风、回风以及透平式空气膨胀机16出口的低温空气在混风箱22 内混合。混合空气经过直流风机23后，被带冷凝水盘的挡水板24除去冷凝水，穿过车内空气冷却器11，经若干送风风道和送风口29进入车厢28，用于降低车厢内温度。车内的排风经连接管30(管内可选装风机或风阀，控制排风量)，排风口31排出。内循环制冷过程完成。
外循环制冷工况与内循环制冷工况过程类似。不同之处在于：
1、三通换向阀3的方向改变，车厢28的空气不再经连接管32进入三通换向阀3，改为车外空气由车外空气入口1吸入，经连接管2(管内可选装过滤器，过滤空气)，进入三通换向阀3；
2、新风口26关闭。
其余过程内循环制冷工况一致。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。