寶馬i3純電動車空調系統熱泵解析

luzhi4911

2019年3月28日 14:16

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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。

在進行效率比較時，清晰地顯示了熱泵節約的能量。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

寶馬i3純電動車空調系統熱泵解析的圖1

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，以保證系統發生故障時，還能夠達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

寶馬i3純電動車空調系統熱泵解析的圖2

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、熱泵系統圖

在寶馬i3純電動車上，電機和動力電控裝置產生的可用廢熱很少。即使在寶馬i3增程式純電動車上，也不使用增程式發動機上產生的廢熱。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空調系統提供。

熱泵的工作原理與暖風空調系統相反，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

寶馬i3純電動車空調系統熱泵解析的圖3

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 液態制冷劑 6 膨脹閥 7 蒸發 8環境熱量3/4 9 環境溫度

圖4帶熱泵的空調制冷劑管路圖

寶馬i3純電動車空調系統熱泵解析的圖4

1 在高電壓蓄電池的電控膨脹閥(EXV) 2EKK

3 鼓風機 4 電加熱器 5 蒸發器的電控膨脹閥(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、熱泵系統主要元件

1.熱泵控制器

局域網總線作為熱泵控制器和IHKA控制單元進行通信的數據線。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)等執行器。熱泵控制器負責把模擬信號轉換成數字信號，反之亦然。

在暖風空調系統中，熱泵是唯一由車身域控制器供電的元件。而且是以脈寬調節信號的形式，通過熱泵控制器進行控制。連接局域網的IHKA控制單元設定中央控制，根據傳感器數值，熱泵控制器執行指令。熱泵控制器系統圖如圖5所示。

圖5 熱泵控制器系統圖

寶馬i3純電動車空調系統熱泵解析的圖5

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

寶馬i3純電動車空調系統熱泵解析的圖6
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

寶馬i3純電動車空調系統熱泵解析的圖7
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，開關閥門可以引起制冷劑在冷凝器和蒸發器中的不同流向，導致熱泵有制冷、加熱和混合三種不同的運轉模式。由于空調壓縮機的潤滑和壓縮，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發來的指令，熱泵控制器打開或關閉制冷劑截止閥。制冷劑截止閥只能全開或全關，其中三個閥門在斷電時打開，另一個閥門在斷電時關閉。在熱泵的加熱模式，關閉的閥門打開，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閉。

圖8 制冷劑截止閥

寶馬i3純電動車空調系統熱泵解析的圖8

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。這三個閥使用步進電機在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

寶馬i3純電動車空調系統熱泵解析的圖9 1 制冷劑低壓管路 2 步進電機 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

寶馬i3純電動車空調系統熱泵解析的圖10

1 蒸發器上的電控膨脹閥 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壓縮機的進氣要求，同時儲存潤滑用冷凍機油。作為儲存罐，儲液干燥器能夠補償壓縮機長期運轉緩慢減少的制冷劑，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

寶馬i3純電動車空調系統熱泵解析的圖11

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加熱管路流動的冷卻液，如圖12所示。

圖12 熱泵換熱器

寶馬i3純電動車空調系統熱泵解析的圖12

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℃。

帶熱泵的空調制冷劑量是970克，不帶熱泵的空調制冷劑量是750克，制冷劑的質量對空調系統的正常運轉非常重要。

1. 制冷模式

熱泵在制冷模式時，制冷劑回路選用的設備與空調的標準設備完全相同。關閉制冷劑截止閥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

寶馬i3純電動車空調系統熱泵解析的圖13

1 冷凝器 2 冷卻風扇 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鼓風機

9 蒸發器電控膨脹閥 10蒸發器 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，而是傳遞到暖風加熱回路的冷卻液。熱泵換熱器出口的電控膨脹閥產生壓力，足夠的熱量傳遞到這里。為了再次關閉回路，空調蒸發器也使用電控膨脹閥產生制冷劑壓力。激活用于制冷的蒸發器電控膨脹閥，以便再次增加蒸發器制冷劑壓力，也可以使用產生的熱量。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

寶馬i3純電動車空調系統熱泵解析的圖14