用于控制热存储热泵系统的压缩机的方法
【专利摘要】提供一种控制车辆的热存储热泵系统的压缩机的方法。系统可以运行在加热模式和冷却模式中的一个中，如基于至少一个参数通过至少一个系统控制器确定的。所述至少一个参数可以是周围空气温度。压缩机具有压缩机电动机和电动机控制器，其配置为基于系统的运行模式让压缩机选择性地运行在未改变状态或改变状态。在系统处于冷却模式时压缩机电动机运行在未改变状态，且在系统处于加热模式时压缩机电动机运行在改变状态。让压缩机电动机运行在改变状态可以包括减小其性能系数（COP）。
【专利说明】用于控制热存储热泵系统的压缩机的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及用于控制车辆中热存储热泵系统的压缩机的方法，所述车辆例如混合动力电动车(HEV)或插电式混合动力电动车(PHEV)。
【背景技术】
[0002]电动车，例如混合动力电动车(HEV )、插电式混合动力电动车(PHEV )，等，通常包括电动机，其可以在电动车(EV)、或电量耗尽驱动模式中单独推进车辆。车辆也可以包括内燃发动机(ICE)，用作增程模式中车辆的主要推进系统，或在混合动力或电量维系模式中与电动机结合运行。
[0003]电动机通常从电功率源，例如能量存储系统(ESS)，接收电力。ESS可以包括电池组或其他可充电能量存储器件，其能存储大量热能。ESS可以在车辆连接到外部功率(例如电网，用于充电)源时存储热能。在较寒冷环境温度下，由于各种因素，电量消耗更快。
[0004]ESS可以与热管理系统(例如热泵系统)结合使用，由此形成热存储热泵系统，以传递存储的热能到另一介质用于另一目的，例如为车辆的乘客车厢加热。
[0005]热泵系统(因此和热存储热泵系统)通常包括压缩机，其压缩制冷剂，所述制冷剂用作用于热泵系统的热传递介质。压缩机的电动机需要一定量的电力，所述电力转而被转换为电热，以用于压缩制冷剂。必要的电力取决于压缩机电动机的性能系数(C0P)。在COP增加时，压缩机电动机需要更少的电力。
【发明内容】
[0006]提供一种车辆的热存储热泵系统，所述车辆具有乘客车厢。热存储热泵系统通常包括第一冷却剂回路、第二冷却剂回路和制冷回路，其分别配置为让第一冷却剂、第二冷却剂和制冷剂循环流动。制冷回路分别经由第一换热器和第二换热器与第一冷却剂回路和第二冷却剂回路热连通。
[0007]热存储热泵系统还包括位于制冷回路中的压缩机。压缩机配置为将制冷回路中的制冷剂进行压缩。压缩机具有压缩机电动机和电动机控制器，且配置为让压缩机电动机选择性地运行在未改变状态和改变状态中的一个中。压缩机电动机可以是无刷直流(DC)电动机，其具有性能系数(C0P)，且位三相电系统，其中每一个相位以一设定角度偏开且在未改变状态中具有被限定的频率。在改变状态中的COP小于未改变状态中的C0P。
[0008]热存储热泵系统进一步包括至少一个系统控制器，其配置为基于至少一个参数的值而让热存储热泵系统选择性地运行于加热模式和冷却模式中的一个。所述至少一个参数可以是周围空气温度。在周围空气温度等于或低于切换温度时，热存储热泵系统可以运行于加热模式。在周围空气温度高于切换温度时，热存储热泵系统可以运行于冷却模式。在热存储热泵系统处于冷却模式时压缩机电动机运行在未改变状态，且在热存储热泵系统处于加热模式时压缩机电动机运行在改变状态。
[0009]还提供一种用于控制热存储热泵系统的压缩机的方法。方法包括首先通过至少一个系统控制器接收至少一个参数的测量值。如上所述，至少一个参数可以是周围空气温度。方法随后包括基于测量值通过至少一个系统控制器确定热存储热泵系统的运行模式。
[0010]方法随后包括通过电动机控制器让压缩机电动机运行在未改变状态和改变状态中的一个中。再次，在热存储热泵系统处于冷却模式时压缩机电动机运行在未改变状态，且在热存储热泵系统处于加热模式时压缩机电动机运行在改变状态。
[0011]让压缩机电动机运行在改变状态可以包括减小压缩机电动机的C0P。这可以进一步包括从三个相位的至少一个偏移一设定角度和/或改变三个相中至少一个的被限定的频率。
[0012]在下文结合附图进行的对实施本发明的较佳模式做出的详尽描述中能容易地理解上述的本发明的特征和优点以及其他的特征和优点。
【专利附图】
【附图说明】
[0013]图1是热存储热泵系统的示意图，所述热存储热泵系统具有带压缩机电动机的压缩机；
[0014]图2是图1的压缩机电动机的示意图；
[0015]图3是用于控制压缩机的方法的示意性流程图；
[0016]图4是图3的方法的一个步骤的示意性流程图；
[0017]图5是表不压缩机电动机的性能系数(COP)和周围空气温度之间的关系的图；和
[0018]图6是表示通过压缩机电动机产生的电热和周围空气温度之间关系的图。
【具体实施方式】
[0019]以下描述和附图针对示例性实施例且实际上仅是说明性的而不是对本发明、其应用或使用的限制。附图中，一些部件被示以标准或基本的符号。这些符号是仅是表示性和说明性的，且决不是要限制任何具体所示的构造、限制为所示不同构造之间的组合或限制权利要求。对组成部件的所有描述都是开放性的且部件的任何例子是非穷尽的。
[0020]参见附图，其中在可能的几幅图中相同的附图标记对应于相同的或相似的部件，在图1中显示了用于在车辆101中使用的热存储热泵系统100，所述车辆包括但不限于混合动力电动车(HEV)、插电式混合动力电动车(PHEV)，等。车辆101可以选择性地运行在增程模式、混合动力或电荷维系模式和电动车(EV)、或电荷耗尽驱动模式中。在增程模式中，内燃发动机(ICE) 128如下所述作为用于车辆101的唯一的推进系统运行。在混合动力模式中，车辆101使用来自电动机(未示出)的电力和来自ICE128的动力运行。在EV驱动模式中，车辆101仅依靠电力运行。
[0021]热存储热泵系统100通常包括分别经由第一换热器106和第二换热器107而与第一冷却剂回路104和第二冷却剂回路105热连通的制冷回路103。制冷回路103、第一冷却剂回路104和第二冷却剂回路105配置为分别让制冷剂、第一冷却剂和第二冷却剂循环流动。第一换热器106可以是制冷剂-液体冷却器换热器，其可以用作热泵蒸发器，以将来自第一冷却剂回路104中的第一冷却剂的热量消散到制冷回路103中的制冷剂。第二换热器107也可以是制冷剂-液体换热器，其可以用作热泵冷凝器，以将来自制冷回路103中的制冷剂的热量消散到第二冷却剂回路105中的第二冷却剂。[0022]制冷回路103包括压缩机108，其位于第一换热器106的下游和第二换热器107的上游。压缩机108可以配置为压缩制冷剂。压缩机108通过压缩机电动机109驱动，其可以是无刷直流(DC)电动机,如图2的示意图所示。
[0023]现在参见图2，压缩机电动机109通常接收从功率源110而来的DC功率输入信号。逆变器111将DC信号转换为交流(AC)信号，以驱动压缩机电动机109。压缩机电动机109通常为三相系统，且如此，具有围绕转子113的三个电动机绕组112，以接收AC信号。尽管电动机绕组112被显示为星形(Y)构造，但应理解它们也可以是三角形(Λ )构造。在压缩机电动机109的未改变状态中(在该状态中压缩机电动机109是最高效的)，每个相位偏开一设定角度，该角度等于三分之一圆或120度。此外，每一相位以被限定的频率运行。在如下所述的方法200中，压缩机电动机109的这些和其他特点可以被改变，以减小其性能系数(C0P)，即，使得它效率减小。
[0024]压缩机电动机109进一步包括电动机控制器114，其配置为控制压缩机电动机109的操作，包括但不限于压缩机电动机109的转子113的速度和位置，三个相位的频率和偏移、换相(commutation)等。
[0025]回到图1，制冷回路103还包括第一热膨胀装置115、第二热膨胀装置116和第三换热器117。第三换热器117可以是环境-制冷剂换热器，其可以用作车厢蒸发器。其可以配置为吸收来自流动经过它的空气的热量，以对乘客车厢102进行冷却和除湿，且将此热量传递到流动经过它的制冷剂。制冷剂可以随后被分配到压缩机108且随后分配到第二换热器107，其中制冷剂中的热量可以被第二冷却剂吸收，如上所述。
[0026]第一热膨胀装置115和第二热膨胀装置116可以位于第二换热器107的下游，且可以配置为对要被分别分配到第一换热器106和第三换热器117的制冷剂进行冷却和膨胀。第一热膨胀装置115和第二热膨胀装置116可以是温度调节或热膨胀阀，且可以被电子地或机械地促动。
[0027]制冷回路103也可以包括第四换热器118。第四换热器118可以是制冷剂-环境换热器，且可以用作用于车辆101中的空气调节(A/C)系统(未示出)的冷凝器。
[0028]制冷回路103可以进一步包括多个流量控制阀119、120、121和122。流量控制阀119、120、121和122可以配置为控制去往制冷回路103中各部件的流动。应理解，流量控制阀119、120、121和122可以是能够限制制冷剂在特定管线中的流动的任何阀，且可以是但不限于是两位置打开/关闭阀，或替换地是调节阀。
[0029]第一冷却剂回路104包括热存储装置123和第一冷却剂泵124。热存储装置123可以是能产生和存储热能的任何介质、装置、机器等。例如，热存储装置123可以是能量存储系统(ESS)，其包括至少一个电池或电池组。
[0030]第一冷却剂泵124 (其可以是可变速度的)可以配置为让第一冷却剂循环流动通过热存储装置123，从而第一冷却剂可以吸收热存储装置123产生的热量，或将此热量收集在热存储装置123中。第一冷却剂泵124进一步可以配置为让第一冷却剂循环流动通过第一换热器106，从而热量可以从第一冷却剂传递到制冷剂，如上所述。尽管第一冷却剂泵124显示为在热存储装置123的下游，但是应理解其可以位于热存储装置123的上游。
[0031]第一冷却剂回路104还可以包括加热器125。加热器125可以配置为加热第一冷却剂回路104中的第一冷却剂，所述第一冷却剂流动到热存储装置123，在该处热量可以被收集和存储。加热器125可以是但不限于是电阻加热器。
[0032]第二冷却剂回路105包括加热器芯部126和第二冷却剂泵127。第二冷却剂泵127(其可以是可变速度的)可以配置为让第二冷却剂循环流动通过加热器芯部126。加热器芯部126则可以配置为接收第二冷却剂，以对流动经过它并进入乘客车厢102的空气进行加热。如上所述，第二冷却剂可以经由第一换热器106从热存储装置123接收热量，和/或经由第三换热器117从环境空气接收热量。尽管第二冷却剂泵127显示为在加热器芯部126的下游，但是应理解其可以位于加热器芯部126的上游。
[0033]第二冷却剂回路105还可以包括ICE128，如上所述。ICE128可以在其中具有因已经运行而产生的热量。此热量可以在第二冷却剂流过ICE128时被收集在第二冷却剂中，由此让I CE 128冷却。
[0034]第二冷却剂回路105进一步可以包括旁通阀129和旁通管线130。旁通阀129配置为选择性地引导第二冷却剂到ICE128，以在车辆101处于增程模式或混合动力模式时冷却ICE，或在车辆101处于EV驱动模式时被引导到旁通管线130。尽管旁通阀129在图1中显示为是两位置三通阀，但是应理解，旁通阀129可以是任何三通阀，其配置为选择性地将流动引导到ICE128和/或到旁通管线130。在未示出的替换实施例中，代替三通阀，可以存在两个单独的流量控制阀，在旁通管线130和用于旁通管线130的分支处(takeoff)的下游的第二冷却剂回路105每一个上各一个。
[0035]热存储热泵系统100还可以包括至少一个系统控制器131，其可以电连接到热存储热泵系统100，以控制其操作。具体说，系统控制器131可以基于至少一个参数与热存储热泵系统100的各种装置通信且控制其操作，所述装置包括基于至少一个参数的电动机控制器114，所述至少一个参数包括但不限于周围空气温度，如下在方法200中所述的。
[0036]系统控制器131还可以配置为与其他辅助装置通信和从其接收信息，包括但不限于温度传感器132和输入模块133，如下所述。系统控制器131可以处理从这些辅助装置接收的信息，以确定热存储热泵系统100应运行和相应地让装置运行的运行模式。如下所述，热存储热泵系统100可以运行在加热模式中或在冷却模式中。系统控制器131可以进一步被配置为控制车辆101中的热存储热泵系统100以及任何其他子系统中的任何其他装置。
[0037]温度传感器132通常是配置为测量周围空气温度的任何装置。温度传感器132可以配置为传递数据(例如周围空气温度测量值)到系统控制器131，以使其被存储和/或处理。温度传感器132可以在系统控制器131的外部，如图1所示，且可以通过有线或无线连接传递数据。在未示出的另一实施例中，温度传感器可以在系统控制器131的内部。在另一未示出的实施例中，系统控制器131可以配置为经由因特网或其他通信网络从远程来源(未示出)获得如周围空气温度这样的数据。
[0038]输入模块133可以是配置为接收输入的任何装置，所述输入例如是用于乘客车厢102的期望温度或热量供应，或来自热存储热泵系统100的用户的其他数据。输入模块133进一步可以配置为传递这样的数据到控制器131。输入模块133可以是但不限于车辆101中的车载计算机。
[0039]如上所述，热存储热泵系统100可以运行在加热模式或冷却模式中。在加热模式中，制冷回路103中的制冷剂可以用于经由第二换热器107传递热量到第二冷却剂回路105中的第二冷却剂，以经由加热器芯部126加热乘客车厢102，如上所述。相反地，在冷却模式中，制冷剂可以被用于从环境空气经由第三换热器117吸收热量，以冷却乘客车厢102。热存储热泵系统100可以基于参数(例如周围空气温度)选择性地在两个模式之间切换。
[0040]在任一模式中，制冷回路103中的制冷剂被用于传递热量，且因此，压缩机108和压缩机电动机109运行为对制冷剂进行压缩。压缩机电动机109需要从功率源110接收一定量的电功率，以运行。在压缩制冷剂过程中，压缩机电动机109将电功率转换为电热，所述电热随后可以被传递到制冷剂。
[0041]在加热模式中，用于压缩机电动机109所必要的电功率和通过压缩机电动机109产生的电热等于加热乘客车厢102所需的总热载荷除以压缩机电动机109的C0P。所需的总热载荷可以通过系统控制器131基于用于乘客车厢102的期望温度或热量供应(例如从输入模块133接收的)而确定。非通过压缩机电动机109产生的电热提供的剩余热载荷可以从热存储装置123提供。
[0042]现在参见图5和6，当在加热和冷却模式(分别由部分308和310所代表)之间切换时，改变图5中y轴线302所代表的COP对所产生的由图6的y轴线312所代表的电热的影响显示在图5和6中。图5和6中X轴线304代表周围空气温度。如上所述，通过改变压缩机电动机的特性以减小其C0P，压缩机电动机109可以效率变低。通常，压缩机电动机109在冷却模式中处于其未改变状态。然而通过在加热模式中减小C0P，产生的电热随所需的固定总热载荷而增加。从而可以减小要从热存储装置123获取的热载荷的量。这又可以减小运行加热器125以提供被存储在热存储装置123中的热量的需要。
[0043]现在参见图3，显示了用于控制热存储热泵系统100 (尤其是压缩机108和压缩机电动机109)的方法200。
[0044]方法200在步骤202开始，其中系统控制器131接收至少一个参数的测量值。至少一个参数可以是但不限于是周围空气温度。如上所述，周围空气温度测量值可以通过温度传感器132被获取和传递到系统控制器131。
[0045]在步骤202之后，方法200前进到步骤204。在步骤204，系统控制器131基于至少一个参数的测量值确定热存储热泵系统100的运行模式。如上所述，热存储热泵系统100可以运行在加热模式或冷却模式。
[0046]在至少一个参数的测量值满足一定条件时，热存储热泵系统100将运行在与该状态相关的具体模式中。例如，如图5和6所示，在周围空气温度(X轴线304)等于或低于切换温度306时，热存储热泵系统100可以运行在加热模式(部分308)。相反地，在周围空气温度高于切换温度306时，热存储热泵系统100可以运行在冷却模式(部分310)。切换温度可以存储在系统控制器131中，且可以调整。
[0047]在步骤204之后，方法200前进到步骤206。在步骤206，压缩机控制器114根据运行模式将压缩机电动机109运行为未改变状态或改变状态。如上所述，在热存储热泵系统在冷却模式中时，压缩机控制器114将压缩机电动机109运行为未改变状态，或最高效状态。热存储热泵系统100在加热模式中时，压缩机控制器114将压缩机电动机109运行为改变状态，该状态中其COP被减小。这可以包括几个子步骤，如图4所示。
[0048]参见图4，在子步骤206a，压缩机控制器114可以从压缩机电动机109的三个相中的至少一个偏开设定角度。例如，压缩机控制器114可以将相中的一个偏开30度。在子步骤206b，压缩机控制器114可以改变三个相中至少一个的被限定频率。如上所述，每一个相以被限定频率运行。改变它们中的至少一个可以减小COP。应理解，步骤204可以包括子步骤206a和206b中的任何一个，其可以以任何顺序执行。进一步应理解，步骤206可以包括更多子步骤，其中压缩机电动机109可以以其他方式改变，例如内部电动机限制条件、压缩机电动机109内部的机械损失(或摩擦损失)、机械制动等，以减小COP。
[0049]附图中的详细的描述和显示是对本发明的支持和描述，而本发明的范围仅通过权利要求限定。尽管已经对执行本发明的较佳模式进行了详尽的描述但是本领域技术人员可得知在所附的权利要求的范围内的用来实施本发明的许多替换设计和实施例。
【权利要求】
1.一种用于控制车辆中热存储热泵系统的压缩机的方法，所述车辆具有乘客车厢，所述热存储热泵系统包括与第一冷却剂回路和第二冷却剂回路热连通的制冷回路，压缩机位于制冷回路中且具有压缩机电动机和电动机控制器，所述方法包括: 通过至少一个系统控制器接收至少一个参数的测量值； 通过所述至少一个系统控制器基于所述至少一个参数的测量值确定热存储热泵系统的运行模式；和 基于热存储热泵系统的运行模式通过电动机控制器让压缩机电动机运行在未改变状态和改变状态的其中一种中； 其中所述运行模式是加热模式和冷却模式中的一种；和 其中在热存储热泵系统处于冷却模式时压缩机电动机在未改变状态中运行，且在热存储热泵系统处于加热模式时压缩机电动机在改变状态中运行。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述至少一个参数是周围空气温度。
3.如权利要求1所述的方法，其中压缩机电动机是无刷直流(DC)电动机，其具有性能系数(COP)，且为三相系统，其中每一个相位以一设定角度偏开且在未改变状态中具有被限定的频率。
4.如权利要求3所述的方法，其中压缩机电动机在改变状态中的的运行包括减小压缩机电动机的COP。
5.如权利要求4所述的方法，其中COP的减小包括从压缩机电动机的至少一个相位偏移所述设定角度。
6.如权利要求4所述的方法，其中COP的减小包括改变压缩机电动机的至少一个相位的所述被限定的频率。
7.—种车辆的热存储热泵系统，所述车辆具有乘客车厢，该系统包括: 第一冷却剂回路，配置为让第一冷却剂循环流动； 第二冷却剂回路，配置为让第二冷却剂循环流动； 制冷回路，配置为让制冷剂循环流动，制冷回路分别经由第一换热器和第二换热器与第一冷却剂回路和第二冷却剂回路热连通； 压缩机，位于制冷回路中，压缩机被配置为压缩制冷剂，且具有压缩机电动机和电动机控制器，电动机控制器配置为让压缩机电动机选择性地运行在未改变状态和改变状态的其中一种中；和 至少一个系统控制器，配置为基于至少一个参数的测量值让热存储热泵系统选择性地运行在加热模式和冷却模式的其中一种中； 其中在热存储热泵系统处于冷却模式时压缩机电动机运行在未改变状态中，且在热存储热泵系统处于加热模式时压缩机电动机运行在改变状态中。
8.如权利要求7所述的热存储热泵系统，其中所述至少一个参数是周围空气温度。
9.如权利要求7所述的热存储热泵系统，其中压缩机电动机是无刷直流(DC)电动机，其具有性能系数(C0P)，且为三相系统，其中每一个相位以一设定角度偏开且在未改变状态中具有被限定的频率。
10.如权利要求9所述的热存储热泵系统，其中当热存储热泵系统处于加热模式时的COP小于当热存储热泵系统处于冷却模式时的C0P。
【文档编号】F25B49/02GK103994615SQ201410049625
【公开日】2014年8月20日 申请日期:2014年2月13日 优先权日:2013年2月15日
【发明者】L.P.齐尔 申请人:通用汽车环球科技运作有限责任公司