一种二氧化碳热泵空调防结霜控制方法及系统与流程

本发明涉及一种控制方法及系统，尤其涉及一种车用空调控制方法及系统。

背景技术：

1、空调系统作为电动车的第二大耗能模块，对整车的续航影响巨大，因此需要对其进行合理的优化。目前，co2热泵空调是产品研究和开发的热点。

2、然而，co2热泵空调在使用过程中存在室外换热器结霜的问题。热泵空调的室外换热器在制热时作为蒸发器使用，换热器内部的制冷剂工作温度会低于室外环境温度，当换热器表面温度低于零度时，环境中的水分就可能在换热器的表面结霜，使得室外换热器凝结出厚厚的霜层，影响换热器的换热效果，严重时会使得换热器失去换热能力。并且室外换热器一旦结霜后，结霜的面积会迅速扩散，换热器表面将很快全部覆盖霜层。室外换热器结霜将会导致几点危害：(1)热泵空调系统的蒸发温度下降，压缩机的吸气温压过低，使得排气温压也降低，直接拉低空调的出风温度；(2)室外换热器翅片之间的通道堵塞，无法吸收到环境中的低品位热量，增加了压缩机的功耗，能效比严重下降，即更加耗电；(3)室外换热器内部的制冷剂难以蒸发，增加了压缩机发生液击的可能，也会使压缩机的效率下降，导致功耗增加，制热效果下降，还会影响各个零部件的寿命。

3、因此，co2热泵空调需要做好防结霜控制。在现有的方法中：

4、温度控制法，是根据车外环境温度是否高于预先设定的温度阀值，控制车内进行除霜所采用的出风温度。但是这种方法没有考虑空气湿度的影响，无法准确判断什么时候开始及结束除霜。

5、定时除霜法，是空调系统按照预先设定的时间间隔进行除霜，但是这种方法进行除霜的时间间隔为固定值，可能出现有霜未除或无霜除霜的情况。

6、蒸发器压差法，是当蒸发器进出口空气的压差过大，则进行除霜，但是这种方法蒸发器表面有杂质时会导致错误的除霜判断。

7、压力控制热源法，是根据压缩机的吸气压力变化，触发热源对蒸发器进行加热除霜，但是这种方法压缩机吸气压力变化除了与结霜有关外，还可能与膨胀阀开度、电磁阀失效等有关，无法准确判断是否结霜。此外，还需新增热源，如电加热器等，因此成本较高。

8、计算机视觉判断法，是对蒸发器拍照，分析结霜的程度，从而判断是否进行除霜控制，但是这种方法需新增摄像头、辅助光源等，成本较高，实用性较差。

9、蓄热装置除霜法，是在制热模式下，将车内换热器释放的热量储存于蓄热装置中，在除霜模式下，高温的蓄热工质流经车内换热器，提高蒸发温度，但是这种方法需新增蓄热装置、蓄热工质等，成本较高。此外，对制热模式下，车内换热器的换热能力提出了更高的需求。

10、基于此，希望提供一种二氧化碳热泵空调系统防结霜控制方法及系统，其可以高效准确低成本地对结霜进行控制。

技术实现思路

1、本发明的目的之一在于提供一种二氧化碳热泵空调防结霜控制方法，其可以准确判断室外换热器结霜的情况，避免了错误判断结霜的发生；并在结霜后最佳的时机开启化霜模式，从而避免过晚或过早地开启化霜模式，影响舒适性或造成能量浪费；在没有额外增加辅助零件的情况下，低成本地控制结霜。

2、为了实现上述目的，本发明提出了一种二氧化碳热泵空调防结霜控制方法，其包括：

3、判断二氧化碳热泵空调系统的初始理论制热量q0与当前理论制热量qn的差值相对于初始理论制热量q0的比值(qn-q0)/q0是否超过设定的第一阈值；

4、在(qn-q0)/q0未超过设定的第一阈值的情况下，获取初始理论制热量q0对应的初始时刻的初始结霜衡量指标a0与当前时刻对应的当前结霜衡量指标an；其中a0＝k×δh0/w0，an＝k×δhn/wn，其中k表示已知的比例系数，δh0表示初始时刻室外换热器的进口和出口的焓值差，δhn表示当前时刻二氧化碳热泵空调系统的室外换热器的进口和出口的焓值差，w0表示初始时刻二氧化碳热泵空调系统的压缩机的功率，wn表示当前时刻压缩机的功率；

5、当an与a0的比值an/a0大于等于设定的第二阈值时，判断室外换热器未结霜；

6、当an与a0的比值an/a0小于设定的第二阈值时，判断室外换热器结霜，二氧化碳热泵空调系统进入防结霜模式或化霜模式。

7、采用co2作为制冷剂(或称为冷媒)的二氧化碳热泵空调具有以下特点：

8、co2工质的换热系数大，单位所含能量高，使其能在更高的蒸发温度时，还是能够从外界环境吸收到足够的热量，基于此本发明通过调节电子膨胀阀的开度和压缩机转速的策略来进行防结霜控制；

9、co2工质在低温工况时仍然有很高的压强和密度，压缩机压缩比会更低，压缩机效率就更高，所以其能效比cop值就更大，制热能力也更强，基于此，本发明后续用cop值和制热量q作为判断结霜依据；

10、二氧化碳跨临界循环的高压侧温度滑移大，最高温度可达120℃以上，除霜效果好，时间更快。

11、此外，对于二氧化碳热泵空调来说，效果优异的防结霜控制方法应当：有效判断室外换热器的结霜情况，即不能滞后响应，也不能提前判断；能够排除其他因素的干扰，不出现错误判断，准确地分析出是否结霜；尽量不增加辅助设备的投入，最好能够仅通过程序计算分析就能完成。

12、基于上述考虑，本发明首先解决如何准确判断室外换热器结霜的问题：热泵空调系统制热时，如果室外换热器发生结霜，换热器的外表面将会凝结有一层霜层，使换热器的热阻增加，很大程度削弱了换热器的换热能力，这就导致了换热器内制冷剂无法很好地与外界进行换热。这时换热器进出口制冷剂的热力学状态的变化就会逐渐变小，甚至严重到没有变化。

13、本发明采用焓差δh表示这一问题，将室外换热器进口焓值设为hin，室外换热器出口焓值设为hout，那么δh＝hout-hin，即焓差δh在结霜后存在变小的趋势。室外换热器进口焓值hin，室外换热器出口焓值hout在本领域内是已知的，其均可以表示为h＝f(t,p)，其中t与p为室外换热器进口或出口pt传感器采集到的制冷剂温度t与压力p。因此，例如，对应于某一t和p通过查表就可以的得到对应的进口焓值hin和出口焓值hout。

14、焓差δh变小对热泵空调而言，意味着系统从外界吸收到的热量变小，这时如果系统想维持同样的制热能力，压缩机的功率w就会变大，(压缩机功率w可以直接从压缩机信号中反馈得到，其为已知量。

15、基于此，本发明利用这两个值的变化，设定结霜衡量指标a来综合考量这两个值的变化，从而用来判断稳定运行中热泵系统的结霜情况。其中，a＝k*δh/w，其中k值为比例系数，可以根据不同二氧化碳热泵空调系统进行标定，当室外换热器结霜后，a的值会变小。

16、但是实车使用热泵空调过程中，由于环境的不断改变和用户的设定改变，会使热泵运行无法一直处于稳定运行状态。因此，本发明也并非简单地通过a值改变来判断结霜的情况，而是进一步引入了二氧化碳热泵空调制热量，制热量表示热泵空调系统的能力。在本发明中，大写参量q表示理论制热量，其是二氧化碳热泵空调系统在当前模式下理论上需要的能量，和室外换热器结霜情况没有关系，其是一个已知量。小写参量q表示实际制热量，其是二氧化碳热泵空调系统实时计算出来并可以被直接采集获取的数值，如果q的值在一定时间内不能达到q的值，并且差值没有进一步减少，则可以判断室外换热器已经结霜且已结霜严重。

17、此外，本发明还通过理论制热量q在一段时间内的变化，来截取一段相对稳定运行的时间，来给a值作出判断，因为理论制热量q在相对稳定的运行条件下一般变化非常慢，其本身也做过一些抗干扰的处理。只有当外界环境大幅改变(如车辆进入长隧道等)和用户重新定义设定值时才会发生较大改变，因此，本发明将理论制热量q值在一定范围内改变的这一段时间近似看作是系统处在稳定中的时间。那么这一段时间我们就可以用来对a值进行比较。也就是说，当理论制热量在一段时间内的变化超过了设定的第一阈值(在一些实施方式中，本领域内技术人员可以根据需要在范围值-1％～1％内选择设定)，且a值减小了一定值，使得an与a0的比值an/a0小于设定的第二阈值时，就判定室外换热器开始结霜。该第二阈值是与理论制热量和环境温度相关的量，本领域内技术人员可以根据这两个量设定合适的第二阈值，在一些实施方式中，第二阈值可以在55～60％范围内选择设定。

18、进一步地，在本发明所述的二氧化碳热泵空调防结霜控制方法中，当二氧化碳热泵空调系统具有一个室内换热器时，在判断室外换热器结霜的情况下，二氧化碳热泵空调系统直接进入化霜模式；在所述化霜模式下：室外换热器、压缩机和室内换热器串接在导通的制冷剂主回路中，制冷剂从压缩机流出，依次流过室外换热器和室内换热器，再返回压缩机。

19、更进一步地，在本发明所述的二氧化碳热泵空调防结霜控制方法中，在判断室外换热器未结霜的情况下，二氧化碳热泵空调系统保持室内制热模式，在所述室内制热模式下：室外换热器、压缩机和室内换热器串接在导通的制冷剂主回路中，制冷剂从压缩机流出，依次流过室内换热器和室外换热器，再返回压缩机。

20、本发明所述的控制方法既适用于两换热器空调，也适用于三换热器空调。

21、在上述实施方式中，该控制方法适用于两换热器空调。两换热器空调是指具有一个室外换热器和一个室内换热器的空调系统，对于这种二氧化碳热泵空调系统来说，在判断室外换热器结霜的情况下，二氧化碳热泵空调系统直接进入化霜模式。

22、进一步地，在本发明所述的二氧化碳热泵空调防结霜控制方法中，所述第二阈值是与环境温度和理论制热量相关的值。本领域内技术人员可以基于这两个因素对第二阈值进行设置。

23、进一步地，在本发明所述的二氧化碳热泵空调防结霜控制方法中，当二氧化碳热泵空调系统具有第一室内换热器和第二室内换热器至少两个室内换热器时，在判断室外换热器结霜的情况下：

24、继续判断二氧化碳热泵空调系统的初始理论制热量q0是否大于初始实际制热量q0，或者继续判断当前理论制热量qn是否大于当前实际制热量qn：

25、当判断为否时，进入防结霜模式；

26、当判断为是时，继续判断qn与qn的差值是否大于q0与q0的差值：当判断为是时，进入化霜模式，当判断为否时，进入防结霜模式；

27、在所述防结霜模式下：室外换热器、压缩机和第二室内换热器串接在导通的制冷剂主回路中，第一室内换热器与所述压缩机串接在导通的制冷剂旁通回路中，制冷剂从压缩机流出，其中的一部分依次流经室外换热器、第二室内换热器，返回压缩机，其中的另一部分流经第一室内换热器，再返回压缩机；

28、在所述化霜模式下：室外换热器、压缩机和第二室内换热器串接在导通的制冷剂主回路中，制冷剂从压缩机流出，依次流经室外换热器和第二室内换热器，再返回压缩机。

29、更进一步地，在本发明所述的二氧化碳热泵空调防结霜控制方法中，在判断室外换热器未结霜的情况下：

30、继续判断an/a0是否大于预设的第三阈值：当判断为是时，保持室内制热模式；当判断为否时，进入防结霜模式；

31、在所述室内制热模式下：室外换热器、压缩机、第一室内换热器和第二室内换热器串接在导通的制冷剂主回路中，制冷剂从压缩机流出，依次流经压缩机、第一室内换热器、第二室内换热器和室外换热器，再返回压缩机。

32、更进一步地，在本发明所述的二氧化碳热泵空调防结霜控制方法中，所述第三阈值基于对应的第二阈值加上设定的补偿值而得到。在一些实施方式中，第三阈值可以由本领域内技术人员在57～62％的范围内选择设定。

33、二氧化碳热泵空调系统在制热时，室外换热器结霜的必要条件是室外换热器内制冷剂温度低于0℃，并且在相同环境下，蒸发温度越高，换热器越不容易结霜，但是更高的蒸发温度不易让换热器从环境吸热，导致系统能耗增加。所以这种提高蒸发温度的方法是一种提前防结霜的手段，对已经判断为开始结霜的换热器没有防止结霜的功能，只能减缓一些结霜时间。当然在某些可以将蒸发温度提升到0℃以上的工况就另当别论，因为只要蒸发温度在0℃以上，换热器就可以完全避免结霜的发生了。对这种工况而言，这种方法极为有效，可以永除结霜的问题。所以使用这种方法的场合有两种：(1)在能够将蒸发温度提升至0℃以上的制热工况，在判断为结霜后可以优先采用提高蒸发温度的方法；(2)在不能够将蒸发温度提升至0℃以上的制热工况，在判断结霜前，提前采用提高蒸发温度的方法，延缓结霜出现的时间(比起防结霜模式，这种模式更节能)。基于此，本发明在第(2)种情况时，采用在a0/an的判定阈值第二阈值的基础上增加一个设定的补偿值，以设定第三阈值，在一些实施方式中，本领域内技术人员可以在57～62％的范围内选择设置。

34、本发明的另一目的在于提供一种二氧化碳热泵空调防结霜控制系统，其执行如上文所述的控制方法，其中所述二氧化碳热泵空调防结霜控制系统包括：

35、串接于制冷剂主回路中的室外换热器、压缩机和室内换热器；

36、电子膨胀阀，其设于所述室外换热器与室内换热器之间；

37、第一截止阀，其设于室外换热器和压缩机的进口之间；

38、第二截止阀，其设于压缩机的进口和室内换热器之间；

39、第三截止阀，其设于压缩机的出口和室内换热器之间；

40、第四截止阀，其设于室外换热器和压缩机的出口之间；

41、第一pt传感器和第二pt传感器，其分别感测制冷剂在室外换热器的进口和出口的温度和压力；

42、热泵控制器，其与电子膨胀阀、第一截止阀、第二截止阀、第三截止阀、第四截止阀、压缩机、第一pt传感器和第二pt传感器分别数据连接。

43、上述二氧化碳热泵空调防结霜控制系统为针对两换热器的二氧化碳热泵空调系统。

44、此外，本发明还提供了一种二氧化碳热泵空调防结霜控制系统，其执行上文所述的控制方法，其中所述二氧化碳热泵空调防结霜控制系统包括：

45、串接于制冷剂主回路中的室外换热器、压缩机、第一室内换热器和第二室内换热器；

46、第一电子膨胀阀，其设于所述室外换热器与第二室内换热器之间；

47、第二电子膨胀阀，其设于所述第一室内换热器与第二室内换热器之间；

48、第一截止阀，其设于室外换热器和压缩机的进口之间；

49、第二截止阀，其设于压缩机的进口和第二室内换热器之间；

50、第三截止阀，其设于压缩机的出口和第一室内换热器之间；

51、第四截止阀，其设于室外换热器和压缩机的出口之间；

52、第一pt传感器和第二pt传感器，其分别感测制冷剂在室外换热器的进口和出口的温度和压力；

53、热泵控制器，其与第一电子膨胀阀、第二电子膨胀阀、第一截止阀、第二截止阀、第三截止阀、第四截止阀、压缩机、第一pt传感器和第二pt传感器分别数据连接。

54、针对本发明所述的控制系统，提高蒸发器温度可以通过改变电子膨胀阀和压缩机转速的值即可实现。一般蒸发温度越高，阀值应增加，压缩机的转速也适当增加。

55、可以分为两种情况进行控制：(1)在不能够将蒸发温度提升至0℃以上的制热工况，阀值在原阀值的基础上增加某一补偿值，压缩机的转速跟随出风温度的变化而相应变化；(2)在能够将蒸发温度提升至0℃以上的制热工况，阀值的目标为蒸发温度0℃，压缩机的转速跟随出风温度的变化而相应变化。

56、本发明所述的二氧化碳热泵空调防结霜控制方法及系统具有以下有益效果：

57、本发明基于co2制冷剂的特点，设计出独特的防结霜控制方法，可以准确地判断出室外换热器的结霜情况，大大缩短室外换热器的结霜周期，甚至能在某些容易结霜的天气时避免结霜的发生。

58、本发明通过cop与制热量值的改变，可以准确判断芯体结霜的情况，避免了错误判断结霜的发生；并在结霜后最佳的时机开启化霜模式。

59、在某些零度以上高湿环境时，采用本发明可以完全避免结霜的发生，而这种工况是134a热泵最容易发生结霜的时候。

60、本发明采用现有的co2热泵空调系统，而没有额外增加辅助零件，在现有硬件系统的基础上只需程序设计即可实现控制，因而具有明显的成本优势。

61、本发明既适用于两换热器热泵空调，更加适用于具有三换热器的热泵系统，其适配性更强。

62、本发明具有多样的防结霜与结霜后应对策略，可供用户选择。