本发明属于跨临界二氧化碳空调领域，特别涉及一种跨临界二氧化碳逆向化霜系统及其控制方法。
背景技术：
电动汽车由于对化石燃料资源没有依赖性和环保的特点，有十分重要的应用前景，但纯电动汽车由于没有足够的发动机余热，在冬季需要依靠空调或者其他加热系统提供车辆所需热负荷，目前大多数汽车普遍采用的高温制冷剂r134a在低温条件下制热性能差，需要辅助电加热设备满足供热需求，会增加电池的能耗，因此，以co2为制冷剂的热泵空调系统是电动汽车空调受到广泛关注，co2本身作为环保型自然制冷剂，拥有极佳的制热性能，尤其在低温下co2有着很好的热工性能。在冬季制热时，热泵系统室外侧换热器会发生结霜，尤其是在环境温度为0℃左右，由于较大的含湿量和接近冰点的温度，室外换热器结霜现象明显，化霜不充分的情况下甚至可能发生结冰，目前，关于电动汽车co2热泵系统在制热时室外换热器结霜化霜研究还较少，尤其是微通道换热器，霜层的生长会导致室外换热器换热性能严重恶化，热泵系统制热量无法满足冬季车辆热负荷需求。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种跨临界二氧化碳系统逆向除霜系统及其最优化控制方法，以解决上述技术问题。本发明结合制热余能利用、逆向化霜和加热送风，在保证快速化霜的同时避免乘员舱内温度较大的波动，保证乘员舱温度舒适性。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种跨临界二氧化碳逆向化霜系统，包括压缩机、除霜换热器、主换热器、室外换热器、电子膨胀阀、四通换向阀、储液器、三通阀和回热器；
压缩机的出口连接除霜换热器的入口，除霜换热器的出口连接四通换向阀的d口，四通换向阀的a口依次通过室外换热器、回热器的第一换热通道、电子膨胀阀、主换热器连接四通换向阀的c口；四通换向阀的b口通过储液器连通达通阀的第一口，三通阀的第二口通过回热器的第二换热通道连接压缩机的入口，三通阀的第三口直接连接压缩机的入口。
进一步的，通过四通换向阀能够控制跨临界二氧化碳逆向化霜系统工作在制热模式或除霜模式。
进一步的，制热模式时：
压缩机出口高温高压蒸气流经除霜换热器和四通换向阀的d-c通道进入主换热器，释放热量后经过电子膨胀阀节流至低温低压状态，进入室外换热器吸收环境热量，过热气体经过四通换向阀的a-b通道，再经过储液器和三通阀回到压缩机。
进一步的，化霜模式：
压缩机出口的高温高压蒸气流经除霜换热器和四通换向阀的d-a通道，进入室外换热器释放热量化霜，再经过电子膨胀阀节流至低压，进入主换热器吸收热量，依次通过四通换向阀的c-b通道、储液器和三通阀回到压缩机。
进一步的，跨临界二氧化碳逆向化霜系统在除霜前先在制热模式下继续运行，同时hvac送风风门关闭，hvac内部空气被进一步加热，随后再切换至化霜模式。
一种跨临界二氧化碳逆向化霜系统的控制方法，包括：
逆向化霜前havc内部空气被继续加热，切换到化霜模式后，回收利用制热余能，使用室外换热器出口温度过热度δt作为判断化霜开始的依据，过热度计算公式为：
δt＝teva,out-teva,in
其中，teva,out是室外换热器出口制冷剂温度，teva,in是室外换热器入口制冷剂温度；
当δt<7℃时，关闭室内hvac风门，跨临界二氧化碳逆向化霜系统继续制热，加热hvac内部空气，1min后，四通换向阀的d-a通道的连通，c-b通道连通，跨临界二氧化碳逆向化霜系统切换为化霜模式，制冷剂在主换热器吸收hvac内部空气储存的制热余能，经压缩机升压后，高温制冷剂在室外换热器释放热量融化霜层。
进一步的，压缩机为变频压缩机，且电子膨胀阀开度可调节，在逆向化霜过程中，压缩机转速和电子膨胀阀的开度根据排气温度、hvac内空气温度动态调节，同时使用排气温度作为化霜结束的判定依据：
阀的开度定义为v，调节梯度δv＝1，v能够按梯度在0～565范围内调节开度，压缩机转速定义为f，排气温度定义为tdis，hvac内空气温度定义为thvac，开始化霜模式后，设定压缩机转速和电子膨胀阀开度分别为：
f＝2500rpm,v＝565
若tdis>90℃，则降低压缩机转速f，使tdis＝90℃；若tdis<90℃，则按δv梯度调节减小v值，使tdis＝45℃；
随着化霜过程的进行，hvac内部蓄积的热量被消耗，hvac内部空气温度thvac逐渐降低，当thvac≤25℃时，增大压缩机转速至f＝3500rpm，同时按梯度δv调节膨胀阀开度v，使tdis＝45℃；继续化霜并停止调节压缩机转速和电子膨胀阀开度，当排气温度tdis>60℃时，化霜结束。
进一步的，室外换热器空气侧风速随化霜时间调节：化霜过程中，室外换热器风机关闭，同时挡风风门打开，判断化霜结束后，打开风机，并保持最大风速，15s后，整个化霜过程结束，关闭风机和压缩机。
进一步的，化霜结束后，四通换向阀由d-c、a-b联通切换为d-a、c-b联通，系统切换为制热模式，此时hvac内部风机打开，但送风风门关闭，使空气在hvac内部流动被加热，当thvac≥35℃时，打开送风风门，对电动汽车乘员舱进行加热。
与现有技术相比，本发明有以下有益效果：
本发明提供一种跨临界二氧化碳系统逆向化霜及其最优化控制方法，利用系统逆向循环直接化霜，系统简单，化霜时回收利用制热余能，加快化霜速度，同时防止hvac内空气温度过低，避免引起乘员舱温度波动过大，通过控制压缩机转速和膨胀阀开度联合调节排气温度，及时有效化霜，按阶段控制室外换热器风机和挡风风门的开闭，使化霜更加彻底，化霜结束时换热器表面积水更少，减慢二次结霜速度。
附图说明
图1是本发明一种跨临界二氧化碳系统逆向除霜系统的结构框图。
其中：1、压缩机；2、除霜换热器；3、主换热器；4、室外换热器；5、电子膨胀阀；6、四通换向阀；7、储液器；8、三通阀；9、回热器。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
参照附图1所示，本发明提供一种跨临界二氧化碳系统，包括压缩机1、除霜换热器2、主换热器3、室外换热器4、电子膨胀阀5、四通换向阀6、储液器7、三通阀8和回热器9。
压缩机1的出口连接除霜换热器2的入口，除霜换热器2的出口连接四通换向阀6的d口，四通换向阀6的a口依次通过室外换热器4、回热器9的第一换热通道、电子膨胀阀5、主换热器3连接四通换向阀6的c口。四通换向阀6的b口通过储液器7连通达通阀的第一口，三通阀8的第二口通过回热器9的第二换热通道连接压缩机1的入口，三通阀8的第三口直接连接压缩机1的入口。
系统通过四通换向阀6控制制热模式和除霜模式的转换。
制热模式包含以下过程：压缩机1出口高温高压蒸气流经除霜换热器2和四通换向阀6的d-c通道进入主换热器3，释放热量后经过电子膨胀阀5节流至低温低压状态，进入室外换热器4吸收环境热量，过热气体经过四通换向阀6的a-b通道，再经过储液器7和三通阀8回到压缩机1；
化霜模式包含以下过程：压缩机1出口的高温高压蒸气流经除霜换热器2和四通换向阀6的d-a通道，进入室外换热器4释放热量化霜，再经过电子膨胀阀5节流至低压，进入主换热器3吸收热量，依次通过四通换向阀6的c-b通道、储液器7和三通阀8回到压缩机1。
特别的，系统在除霜前先在制热模式下继续运行，同时将电动汽车的hvac风门关闭，使hvac内的空气被进一步加热，随后再切换至化霜模式，回收利用hvac内空气储存的制热余能。
使用室外换热器4出口温度过热度δt作为判断化霜开始的依据，过热度计算公式为：
δt＝teva,out-teva,in
其中，teva,out是室外换热4出口制冷剂温度，teva,in是室外换热器4入口制冷剂温度。
当δt<7℃时，关闭室内hvac风门，系统继续制热，加热hvac内部空气，1min后，压缩机1停机，四通换向阀6切换通道，系统在逆向化霜模式下运行，制冷剂在主换热器3吸收hvac内部蓄积的热量，经压缩机1升压后，高温制冷剂在室外换热器4释放热量融化霜层。
本发明提供逆向化霜系统的控制方法，包括：
系统使用变频压缩机1和梯度调节的电子膨胀阀5，控制策略为：在逆向化霜过程中，根据排气温度和hvac内空气温度联合动态调节压缩机1转速和电子膨胀阀5的开度，同时使用排气温度作为化霜结束的判定依据。具体的，阀的开度定义为v，调节梯度δv＝1，v可按梯度在0～565范围内调节开度，压缩机1转速定义为f，排气温度定义为tdis，hvac内空气温度定义为thvac，蓄热结束后，设定压缩机1转速和电子膨胀阀5开度分别为：
f＝2500rpm,v＝565
若tdis>45℃，则降低压缩机转速f，使tdis＝45℃；若tdis<45℃，则按δv梯度调节减小v值，使tdis＝45℃。
随着化霜过程的进行，hvac内部蓄积的热量被消耗，hvac内部空气温度thvac逐渐降低，当thvac≤25℃时，增大压缩机1转速至f＝3500rpm，同时按梯度δv调节电子膨胀阀5开度v，使tdis＝45℃。继续化霜并停止调节压缩机1转速和电子膨胀阀5开度，当排气温度tdis>60℃时，化霜结束。
在化霜过程中，分阶段控制室外换热器4空气侧风速。具体的，在逆向化霜过程中，室外换热器4风机关闭，同时挡风风门打开，使室外换热器4与空气处于自然对流状态，减少空气带走化霜热量，判断化霜结束后，打开风机，并保持最大风速，并关闭室外换热器挡风风门，使室外换热器4表面化霜产生的积水有效排出和蒸发，15s后，整个化霜过程结束，关闭风机和压缩机1。
化霜结束后先加热hvac内部空气再对乘员舱送风。调节四通换向阀由d-c、a-b联通切换为d-a、c-b联通，使系统在制热模式下运行，此时hvac内部风机打开，但送风风门关闭，使空气在hvac内部流动被充分加热，当hvac内部空气thvac≥35℃时，打开送风风门，对乘员舱进行加热，以防止化霜后未加热的冷空气进入乘员舱引起乘员舱温度更大波动。
本发明一种二氧化碳逆向除霜系统的最优化控制方法，使用四通换向阀进行制热和除霜模式的切换，当二氧化碳系统室外换热器在冬季制热时结霜后，使用四通换向阀使系统逆向循环化霜，并在化霜过程中采用hvac先蓄热再化霜的方法，通过根据排气温度和hvac内空气温度调节压缩机转速和膨胀阀开度的控制策略保证化霜充分，通过控制风机先停转后开启，保证化霜前期热量被霜层充分吸收，后期水分及时排出换热器，通过先加热hvac内部空气再恢复送风减少乘员舱内温度波动，所述系统及其控制方法保证有效化霜，减少乘员舱温度波动。
由技术常识可知，本发明可以通过其它的不脱离其精神实质或必要特征的实施方案来实现。因此，上述公开的实施方案，就各方面而言，都只是举例说明，并不是仅有的。所有在本发明范围内或在等同于本发明的范围内的改变均被本发明包含。
1.一种跨临界二氧化碳逆向化霜系统，其特征在于：包括压缩机(1)、除霜换热器(2)、主换热器(3)、室外换热器(4)、电子膨胀阀(5)、四通换向阀(6)、储液器(7)、三通阀(8)和回热器(9)；
压缩机(1)的出口连接除霜换热器(2)的入口，除霜换热器(2)的出口连接四通换向阀(6)的d口，四通换向阀(6)的a口依次通过室外换热器(4)、回热器(9)的第一换热通道、电子膨胀阀(5)、主换热器(3)连接四通换向阀(6)的c口；四通换向阀(6)的b口通过储液器(7)连通达通阀的第一口，三通阀(8)的第二口通过回热器(9)的第二换热通道连接压缩机(1)的入口，三通阀(8)的第三口直接连接压缩机(1)的入口；
通过四通换向阀(6)能够控制跨临界二氧化碳逆向化霜系统工作在制热模式或除霜模式；
制热模式时：压缩机(1)出口高温高压蒸气流经除霜换热器(2)和四通换向阀(6)的d-c通道进入主换热器(3)，释放热量后经过电子膨胀阀(5)节流至低温低压状态，进入室外换热器(4)吸收环境热量，过热气体经过四通换向阀(6)的a-b通道，再经过储液器(7)和三通阀(8)回到压缩机(1)；
化霜模式：压缩机(1)出口的高温高压蒸气流经除霜换热器(2)和四通换向阀(6)的d-a通道，进入室外换热器(4)释放热量化霜，再经过电子膨胀阀(5)节流至低压，进入主换热器(3)吸收热量，依次通过四通换向阀(6)的c-b通道、储液器(7)和三通阀(8)回到压缩机(1)；
跨临界二氧化碳逆向化霜系统在除霜前先在制热模式下继续运行，同时hvac送风风门关闭，hvac内部空气被继续加热，随后再切换至化霜模式，回收利用制热余能加快化霜速度。
2.一种跨临界二氧化碳逆向化霜系统的控制方法，其特征在于：基于权利要求1所述的一种跨临界二氧化碳逆向化霜系统；包括：
逆向化霜时回收利用系统制热余能，使用室外换热器(4)出口温度过热度δt作为判断化霜模式开始的依据，过热度计算公式为：
δt＝teva,out-teva,in
其中，teva,out是室外换热器(4)出口制冷剂温度，teva,in是室外换热器(4)入口制冷剂温度；
当δt<7℃时，关闭室内hvac风门，跨临界二氧化碳逆向化霜系统继续制热，加热hvac内部空气，1min后，四通换向阀(6)的d-a通道的连通，c-b通道连通，跨临界二氧化碳逆向化霜系统切换为化霜模式，制冷剂在主换热器(3)吸收hvac内部蓄积的热量，经压缩机(1)升压后，高温制冷剂在室外换热器(4)释放热量融化霜层。
3.根据权利要求2所述的一种跨临界二氧化碳逆向化霜系统的控制方法，其特征在于：压缩机(1)为变频压缩机，且电子膨胀阀(5)开度可调节，在逆向化霜过程中，压缩机(1)转速和电子膨胀阀(5)的开度根据排气温度、hvac内空气温度动态调节，同时使用排气温度作为化霜结束的判定依据：
阀的开度定义为v，调节梯度δv＝1，v能够按梯度在0～565范围内调节开度，压缩机转速定义为f，排气温度定义为tdis，hvac内空气温度定义为thvac，开始化霜模式后，设定压缩机转速和电子膨胀阀开度分别为：
f＝2500rpm,v＝565
若tdis>45℃，则降低压缩机转速f，使tdis＝45℃；若tdis<45℃，则按δv梯度调节减小v值，使tdis＝45℃；
随着化霜过程的进行，hvac内部蓄积的热量被消耗，hvac内部空气温度thvac逐渐降低，当thvac≤25℃时，增大压缩机转速至f＝3500rpm，同时按梯度δv调节膨胀阀开度v，使tdis＝45℃；继续化霜并停止调节压缩机转速和电子膨胀阀开度，当排气温度tdis>60℃时，化霜结束。
4.根据权利要求2所述的一种跨临界二氧化碳逆向化霜系统的控制方法，其特征在于：室外换热器空气侧风速随化霜时间调节：化霜过程中，室外换热器风机关闭，同时挡风风门打开，判断化霜结束后，打开风机，并保持最大风速，15s后，整个化霜过程结束，关闭风机和压缩机。
5.根据权利要求2所述的一种跨临界二氧化碳逆向化霜系统的控制方法，其特征在于：化霜结束后，四通换向阀(6)由d-c、a-b联通切换为d-a、c-b联通，系统切换为制热模式，此时hvac内部风机打开，但送风风门关闭，使空气在hvac内部流动被加热，当thvac≥35℃时，打开送风风门，对电动汽车乘员舱进行加热。
技术总结