一、帶熱泵的加熱回路
寶馬i3純電動車的熱泵換熱器安裝在冷卻液泵和電加熱器之間。由于使用熱泵，電加熱器的電能消耗明顯減少。
在進(jìn)行效率比較時，清晰地顯示了熱泵節(jié)約的能量。為了獲得5kW的輸出熱量，由于電阻損失，電加熱器需要消耗5.5kW的電能。而帶熱泵的系統(tǒng)只需要2.5kW的電能。EKK使用這些電能壓縮制冷劑，在熱泵換熱器產(chǎn)生所需的輸出熱量。如圖1所示。
圖1 熱泵和電加熱器效率比較
1 熱泵 2 電加熱器 A 輸出熱量 B 消耗的電能
冷卻液回路只是增加了熱泵換熱器。即使使用熱泵，也必須配置電加熱器，以保證系統(tǒng)發(fā)生故障時，還能夠達(dá)到乘客艙所需的溫度，如圖2所示。為了防止回路堵塞或損壞，必須使用寶馬i3新型專用冷卻液。
圖2 帶熱泵的乘客艙加熱
1 乘客艙換熱器 2 電加熱器 3 電動冷卻液泵(12V) 4 儲液罐 5 熱泵換熱器
二、熱泵系統(tǒng)圖
在寶馬i3純電動車上，電機(jī)和動力電控裝置產(chǎn)生的可用廢熱很少。即使在寶馬i3增程式純電動車上，也不使用增程式發(fā)動機(jī)上產(chǎn)生的廢熱。為了減輕重量，該款增程式純電動車上不配置熱泵。
由于配置了熱泵，使用電加熱器的純電動車的行駛里程并不明顯減少。乘客艙所需的熱量由帶熱泵的暖風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)提供。
熱泵的工作原理與暖風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)相反，高溫高壓的制冷劑流過冷凝器時，釋放的熱能直接排入大氣。而高溫高壓的制冷劑流過熱泵熱交換器時，制冷劑釋放的熱能用于加熱乘客艙。如圖3所示。
圖3 熱泵原理圖
1 壓縮 2 消耗1/4的能量 3 熱泵熱交換器 4 有用的熱量4/4
5 液態(tài)制冷劑 6 膨脹閥 7 蒸發(fā) 8環(huán)境熱量3/4 9 環(huán)境溫度
圖4帶熱泵的空調(diào)制冷劑管路圖
1 在高電壓蓄電池的電控膨脹閥(EXV) 2EKK
3 鼓風(fēng)機(jī) 4 電加熱器 5 蒸發(fā)器的電控膨脹閥(EXV)
6 冷凝器和儲液干燥器之間的制冷劑截止閥
7 EKK和熱泵換熱器之間的制冷劑截止閥
8 熱泵換熱器 9儲液干燥器
三、熱泵系統(tǒng)主要元件
1.熱泵控制器
局域網(wǎng)總線作為熱泵控制器和IHKA控制單元進(jìn)行通信的數(shù)據(jù)線。熱泵控制器在模擬通道評估制冷劑溫度傳感器和制冷劑壓力-溫度傳感器信號，并控制制冷劑截止閥和制冷劑電控膨脹閥(EXV)等執(zhí)行器。熱泵控制器負(fù)責(zé)把模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，反之亦然。
在暖風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)中，熱泵是唯一由車身域控制器供電的元件。而且是以脈寬調(diào)節(jié)信號的形式，通過熱泵控制器進(jìn)行控制。連接局域網(wǎng)的IHKA控制單元設(shè)定中央控制，根據(jù)傳感器數(shù)值，熱泵控制器執(zhí)行指令。熱泵控制器系統(tǒng)圖如圖5所示。
圖5 熱泵控制器系統(tǒng)圖
1 熱泵控制器 2 電動冷卻液泵(12V) 3 EKK和冷凝器之間的制冷劑截止閥
4 EKK和熱泵換熱器之間的制冷劑截止閥 5 冷凝器和儲液干燥器之間的制冷劑截止閥
6 熱泵換熱器電控膨脹閥(EXV)和儲液干燥器之間的制冷劑截止閥
7 蒸發(fā)器電控膨脹閥(EXV) 8 高電壓蓄電池冷卻回路電控膨脹閥(EXV)
9 熱泵換熱器電控膨脹閥(EXV) 10 制冷劑溫度傳感器1
11 制冷劑溫度傳感器2 12 制冷劑溫度傳感器3
13 制冷劑壓力-溫度傳感器1 14 制冷劑壓力-溫度傳感器2 15 電加熱器
2. 制冷劑溫度傳感器和壓力-溫度傳感器
帶熱泵的空調(diào)制冷劑管路上有三個溫度傳感器，兩個壓力-溫度傳感器，用于把制冷劑溫度和壓力值傳遞給熱泵控制器。前后安裝位置如圖6和圖7所示。
圖6 前端的制冷劑壓力-溫度傳感器
1 制冷劑壓力-溫度傳感器1 2 制冷劑壓力傳感器(不帶熱泵也配置)
3 制冷劑溫度傳感器1 4 制冷劑溫度傳感器3
圖7 后端的制冷劑壓力-溫度傳感器
1 制冷劑壓力-溫度傳感器2 2 高電壓蓄電池制冷回路的電控膨脹閥(EXV)
3 制冷劑溫度傳感器2
3. 制冷劑截止閥
共有四個制冷劑截止閥，閥門用于控制制冷劑回路，開關(guān)閥門可以引起制冷劑在冷凝器和蒸發(fā)器中的不同流向，導(dǎo)致熱泵有制冷、加熱和混合三種不同的運(yùn)轉(zhuǎn)模式。由于空調(diào)壓縮機(jī)的潤滑和壓縮，制冷劑不能在EKK和儲液干燥器的制冷劑管路中反向流動。
按照IHKA發(fā)來的指令，熱泵控制器打開或關(guān)閉制冷劑截止閥。制冷劑截止閥只能全開或全關(guān)，其中三個閥門在斷電時打開，另一個閥門在斷電時關(guān)閉。在熱泵的加熱模式，關(guān)閉的閥門打開，使制冷劑從冷凝器通過儲液干燥器流回EKK。
所有制冷劑截止閥都位于車輛的前端，如圖8所示。序號1所示的制冷劑截止閥有兩個，一個安裝在EKK和熱泵換熱器之間，另一個安裝在EKK和冷凝器之間。序號2所示的制冷劑截止閥也有兩個，一個安裝在蒸發(fā)器和儲液干燥器之間，另一個安裝在冷凝器和儲液干燥器之間，這個閥門在斷電時關(guān)閉。
圖8 制冷劑截止閥
4. 電控膨脹閥(EXV)
由于使用了熱泵，高電壓蓄電池冷卻回路中的熱控膨脹閥(TXV)和組合的膨脹截止閥(ETXV)被三個電控膨脹閥(EXV)取代。這三個閥使用步進(jìn)電機(jī)在0~100%之間控制制冷劑管路。如圖9所示。三種不同類型的電控膨脹閥如圖10所示。
圖9 電控膨脹閥
1 制冷劑低壓管路 2 步進(jìn)電機(jī) 3 電控膨脹閥外殼 4 制冷劑高壓管路
圖10 電控膨脹閥的類型
1 蒸發(fā)器上的電控膨脹閥 2 車輛前端的熱泵換熱器電控膨脹閥 3 高電壓蓄電池冷卻回路的電控膨脹閥
5. 儲液干燥器
帶熱泵的儲液干燥器要滿足空調(diào)壓縮機(jī)的進(jìn)氣要求，同時儲存潤滑用冷凍機(jī)油。作為儲存罐，儲液干燥器能夠補(bǔ)償壓縮機(jī)長期運(yùn)轉(zhuǎn)緩慢減少的制冷劑，保證熱泵回路的正常工作。如圖11所示。增程式純電動車空調(diào)的儲液干燥器集成在冷凝器上，不能單獨更換。
圖11 儲液干燥器
1 至制冷劑截止閥3的低壓管路 2 制冷劑壓力-溫度傳感器1
3 高電壓蓄電池冷卻管路電控膨脹閥的入口管 4 EKK進(jìn)口管 5 儲液干燥器
6. 熱泵換熱器
熱泵換熱器將高溫高壓制冷劑的熱量傳遞給暖風(fēng)加熱管路流動的冷卻液，如圖12所示。
圖12 熱泵換熱器
1 電加熱器冷卻液接頭 2制冷劑出口壓力管
3 電動冷卻液泵接頭 4 制冷劑入口壓力管
四、熱泵的工作模式
汽車上安裝的熱泵有制冷、加熱、混合三種工作模式。該熱泵系統(tǒng)使用1kW的電能可以獲得2kW的熱量或3kW的冷氣。要獲得5KW的熱量或7.5kW的冷氣，只需2.5kW的電能。在所有工作模式，熱泵的感知溫度范圍是-10℃~40℃。
帶熱泵的空調(diào)制冷劑量是970克，不帶熱泵的空調(diào)制冷劑量是750克，制冷劑的質(zhì)量對空調(diào)系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)非常重要。
1. 制冷模式
熱泵在制冷模式時，制冷劑回路選用的設(shè)備與空調(diào)的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備完全相同。關(guān)閉制冷劑截止閥18和20，打開制冷劑截止閥17和21，如圖13所示。
圖13熱泵制冷模式
1 冷凝器 2 冷卻風(fēng)扇 3 EKK 4 儲液干燥器 5 高電壓蓄電池
6 高電壓蓄電池冷卻回路電控膨脹閥 7高電壓蓄電池冷卻回路 8鼓風(fēng)機(jī)
9 蒸發(fā)器電控膨脹閥 10蒸發(fā)器 11 換熱器 12 電加熱器 13 熱泵換熱器
14 熱泵換熱器電控膨脹閥 15 電動冷卻液泵 16 冷卻液膨脹水罐
17 EKK和冷凝器之間的制冷劑截止閥 18 冷凝器和儲液干燥器之間的制冷劑截止閥
19 制冷劑單向閥 20 EKK和熱泵換熱器之間的制冷劑截止閥
21 熱泵換熱器電控膨脹閥和儲液干燥器之間的制冷劑膨脹閥
2. 加熱模式
如果熱泵在加熱模式，關(guān)閉制冷劑截止閥17和21，打開制冷劑截止閥18和20,。制冷劑流過熱泵換熱器。
因此熱量不再從冷凝器排入大氣，而是傳遞到暖風(fēng)加熱回路的冷卻液。熱泵換熱器出口的電控膨脹閥產(chǎn)生壓力，足夠的熱量傳遞到這里。為了再次關(guān)閉回路，空調(diào)蒸發(fā)器也使用電控膨脹閥產(chǎn)生制冷劑壓力。激活用于制冷的蒸發(fā)器電控膨脹閥，以便再次增加蒸發(fā)器制冷劑壓力，也可以使用產(chǎn)生的熱量。散熱后的制冷劑反向流過冷凝器，通過打開的制冷劑截止閥和儲液干燥器流回EKK。如圖14所示。
圖14熱泵的加熱模式
1 冷凝器 2 冷卻風(fēng)扇 3 EKK 4 儲液干燥器 5 高電壓蓄電池
6 高電壓蓄電池冷卻回路電控膨脹閥 7高電壓蓄電池冷卻回路 8鼓風(fēng)機(jī)
9 蒸發(fā)器電控膨脹閥 10蒸發(fā)器 11 換熱器 12 電加熱器 13 熱泵換熱器
14 熱泵換熱器電控膨脹閥 15 電動冷卻液泵 16 冷卻液膨脹水罐
17 EKK和冷凝器之間的制冷劑截止閥 18 冷凝器和儲液干燥器之間的制冷劑截止閥
19 制冷劑單向閥 20 EKK和熱泵換熱器之間的制冷劑截止閥
21 熱泵換熱器電控膨脹閥和儲液干燥器之間的制冷劑膨脹閥
3. 混合模式
如果熱泵在混合模式，打開制冷劑截止閥17、20和21，關(guān)閉制冷劑截止閥18，制冷劑不能反向流動。高溫高壓制冷劑分流，一方面經(jīng)冷凝器散熱后，冷卻高電壓蓄電池，并通過冷卻蒸發(fā)器實現(xiàn)乘客艙除濕。另一路高溫高壓制冷劑在熱泵換熱器散熱。如圖15所示。
圖15熱泵的混合模式
1 冷凝器 2 冷卻風(fēng)扇 3 EKK 4 儲液干燥器 5 高電壓蓄電池
6 高電壓蓄電池冷卻回路電控膨脹閥 7高電壓蓄電池冷卻回路 8鼓風(fēng)機(jī)
9 蒸發(fā)器電控膨脹閥 10蒸發(fā)器 11 換熱器 12 電加熱器 13 熱泵換熱器
14 熱泵換熱器電控膨脹閥 15 電動冷卻液泵 16 冷卻液膨脹水罐
17 EKK和冷凝器之間的制冷劑截止閥 18 冷凝器和儲液干燥器之間的制冷劑截止閥
19 制冷劑單向閥 20 EKK和熱泵換熱器之間的制冷劑截止閥
21 熱泵換熱器電控膨脹閥和儲液干燥器之間的制冷劑膨脹閥
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