一种电动飞行器双蒸发器空调系统及其控制方法与流程

1.本发明涉及飞行器温度控制技术领域，特别涉及一种电动飞行器双蒸发器空调系统及其控制方法。


背景技术：

2.电动垂直起降飞行器上需要安装有空调系统，用于满足适航要求，对乘员舱进行通风。同时可以对座舱内的温度进行调节，提高乘员的舒适度。电动飞行器的动力源来自于动力电池，动力电池在充放电时都会产生大量的热量，电池温度过高会影响电池的安全。出于安全性的考虑，需要对电池进行冷却。可以利用空调系统对电池进行冷却。
3.现有技术中，用于飞行器的空调系统存在如下问题：第一，在空调系统既要对乘员舱进行制冷，也要对电池等设备进行制冷的情况下，空调系统的整体运行功率要求较高，耗电量增加，系统重量增加，对电动飞行器的航程和载重都有明显的影响；第二，空调系统中的蒸发器的运行状态难以掌握，蒸发器的制冷效果不佳或者过量制冷。


技术实现要素：

4.为了解决现有技术中应用于电动飞行器的空调系统存在的弊端，本发明中披露了一种电动飞行器双蒸发器空调系统及其控制方法，本发明的技术方案是这样实施的：
5.一种电动飞行器双蒸发器空调系统，包括压缩机、冷凝器、冷凝器风扇、第一蒸发器、第二蒸发器、蒸发器风扇、第一膨胀阀、第二膨胀阀和储液罐；还包括第一温度传感器、第二温度传感器、第三温度传感器、第四温度传感器、第五温度传感器、第六温度传感器、第七温度传感器、第一压力传感器、第二压力传感器、第三压力传感器、第四压力传感器和第五压力传感器；
6.所述第一温度传感器和所述第一压力传感器设置于压缩机的入口，所述第二温度传感器和所述第二压力传感器设置于压缩机的出口，第六温度传感器设置于冷凝器的空气入口，第七温度传感器设置于冷凝器风扇的出口，第三温度传感器和第三压力传感器设置于冷凝器的冷凝液出口，第四温度传感器和第四压力传感器设置于第一蒸发器的冷凝液出口，第五温度传感器和第五压力传感器设置于第二蒸发器的冷凝液出口。
7.一种电动飞行器双蒸发器空调系统的控制方法，包括步骤如下：s1、在系统中设定飞行器的运行阶段；
8.s2、设定飞行器各个运行阶段下空调系统的制冷输出状态；
9.s3、系统运行；
10.s4、空调系统根据飞行器的各个阶段来控制第一蒸发器和第二蒸发器的输出；
11.s5、各个温度传感器和压力传感器实时采集空调系统各环节的运行情况；
12.s6、空调系统根据s5中的数据对第一蒸发器和第二蒸发器的输出进行补偿。
13.优选地，所述s1步骤中，飞行器的运行阶段包括充电阶段、地面运行阶段、起飞阶段、巡航阶段和降落阶段。
14.优选地，所述s2步骤中，空调系统的制冷输出状态包括第一蒸发器与第二蒸发器的输出占比、第一蒸发器与第二蒸发器的输出优先级。
15.优选地，所述方法中，空调系统实时检测飞行器的电池温度和座舱温度；并基于带电池温度或座舱温度结合飞行器的运行阶段调整第一蒸发器或第二蒸发器的输出。
16.优选地，设定电池的正常运转温度区间、临界温度运转区间和过热界限；
17.当电池的温度处在正常运转温度区间内，无需对电池进行降温；
18.当电池的温度处在临界温度运转区间内，空调系统控制第一蒸发器或第二蒸发器为电池降温；
19.当电池的温度超过过热界限，空调系统向系统发出报警信号。
20.优选地，设定座舱的正常运转温度区间和临界界限；
21.当座舱内的温度处在正常运转温度区间内，无需对座舱降温；
22.当座舱内的温度超过临界界限，空调系统控制第一蒸发器或第二蒸发器为座舱降温。
23.优选地，当空调系统为座舱降温时，若无法将电池温度降低至临界温度运转区间内，则停止对座舱降温。
24.优选地，所述s5步骤中，第四压力传感器、第四温度传感器监测第一蒸发器出口的制冷剂的状态，第五压力传感器、第五温度传感器监测第二蒸发器出口的制冷剂的状态；
25.所述s6步骤中，空调系统根据第一蒸发器或第二蒸发器出口的制冷剂的状态计算当前运行状态下第一蒸发器或第二蒸发器的过热度，并与期望过热度值对比，通过调节第一膨胀阀或第二膨胀阀的开度，将第一蒸发器或第二蒸发器的过热度调整至期望过热度值。
26.本发明的优点如下：
27.1，通过对不同的用户系统的制冷量需求、运行状态、运行阶段、安全性等级以及电动飞行器的运行特点，对空调系统的运行进行统筹管理，以使空调系统的运行功耗始终保持在最优的水平。从而减轻空调系统的总体重量及能耗水平，提高飞行器的航程和有效载重。
28.2，通过对第一蒸发器和第二蒸发器出口的制冷剂状态的监测，结合制冷剂的压焓特性图，确认蒸发器出口的制冷剂的物性状态。对比目标设定状态点，通过调节对应的蒸发器风扇转速或者膨胀阀或者压缩机转速，来实现蒸发器出口的制冷剂状态处于最佳状态，从而使得整个系统的制冷效果最佳且能耗最低。
附图说明
29.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一种实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
30.图1为一种电动飞行器双蒸发器空调系统实施例的结构简图；
31.图2为种电动飞行器双蒸发器空调系统实施例中的制冷剂的压焓图的示意图；
32.图3为一种电动飞行器双蒸发器空调系统的控制方法实施例的流程图。
具体实施方式
33.下面将结合本发明实施例及其附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
34.实施例
35.在一种具体的实施例中，一种电动飞行器双蒸发器空调系统，包括压缩机、冷凝器、冷凝器风扇、第一蒸发器、第二蒸发器、蒸发器风扇、第一膨胀阀、第二膨胀阀、储液罐、泵、第一温度传感器、第二温度传感器、第三温度传感器、第四温度传感器、第五温度传感器、第六温度传感器、第七温度传感器、第一压力传感器、第二压力传感器、第三压力传感器、第四压力传感器和第五压力传感器；
36.所述第一温度传感器和所述第一压力传感器设置于压缩机的入口，所述第二温度传感器和所述第二压力传感器设置于压缩机的出口，第六温度传感器设置于冷凝器的空气入口，第七温度传感器设置于冷凝器风扇的出口，第三温度传感器和第三压力传感器设置于冷凝器的冷凝液出口，第四温度传感器和第四压力传感器设置于第一蒸发器的冷凝液出口，第五温度传感器和第五压力传感器设置于第二蒸发器的冷凝液出口。
37.本实施例中，泵与第二蒸发器连接，用于向其注入冷却液。
38.本实施例的原理如图2所示，系统运行时，压缩机将制冷剂进行压缩，此过程中制冷剂始终处于气态，制冷剂的温度和压力都会升高，在图2中表示为“压缩段”。该过程中制冷剂温度和压力的变化状态分别由第一温度传感器、第一压力传感器、第二温度传感器、第二压力传感器监测。
39.制冷剂从压缩机中排出后，进入冷凝器。冷凝器上配有冷凝器风扇，冷凝器风扇从外界抽风，对制冷剂进行换热。制冷剂在冷凝器中降温后冷凝，从气态转变为液态，温度降低、压力不变。在图2中表示为“冷凝段”。第六温度传感器和第七温度传感器分别用于监测冷凝器风道进出口的气体温度。制冷剂在冷凝器中冷凝降温后的温度和压力分别由第三温度传感器和第三压力传感器监测。
40.制冷剂从冷凝器中流出后，进入储液罐，储液罐的作用是在系统不运行的时候存储制冷剂，在系统运行时对制冷剂进行干燥。
41.制冷剂流出储液罐之后，进入膨胀阀(本实施例中空调系统控制制冷剂进入膨胀阀有三种情形：第一，仅进入第一膨胀阀；第二，仅进入第二膨胀阀；第三，同时进入第一膨胀阀和第二膨胀阀。无论哪种情况，制冷剂的状态在膨胀阀及后续的蒸发器中的变化过程都是一样的)。制冷剂在膨胀阀中膨胀，压力和温度都相应降低。制冷剂从完全的液态，变为以液态为主、含少量气体的气液混合形态。
42.经过膨胀阀后，制冷剂进入蒸发器(有三种情形，第一，仅进入第一蒸发器，第二，仅进入第二蒸发器，第三，同时进入第一蒸发器和第二蒸发器)。在蒸发器中，制冷剂与热源进行换热。液态部分的制冷剂持续吸热，最终全部转化为气态。期间制冷剂的压力不变，温度升高。而热源的温度得到降低，实现了对用户系统制冷的效果。在上图中表示为“蒸发段”。
43.制冷剂从蒸发器中流出后，流回至压缩机。一个蒸发循环完成。
44.本实施例按照飞行器不同的制冷需求将空调系统分为气冷子系统和液冷子系统。气冷子系统主要是座舱制冷；液冷子系统主要用于动力电池的冷却。动力电池的冷却影响到飞行器的运行稳定和飞行安全，故本实施例的空调系统优先满足液冷的制冷需求；座舱的冷却主要是影响人员的舒适性，对飞行安全影响甚微，故对气冷的制冷需求优先级要低于液冷的制冷需求。
45.根据电动飞行器的运行特点，将飞行器的运行阶段分为：充电阶段、地面运行阶段、起飞阶段、巡航阶段、降落阶段。
46.各个不同阶段座舱制冷和动力电池制冷的需求特征如下表所示：
[0047][0048]
充电阶段：该阶段持续时间长(可能长达数小时)。座舱无人员，不需要制冷。动力电池充电过程中伴随放热，特别是快充过程中放热较大，空调系统所有制冷量均用于对动力电池制冷。
[0049]
地面运行阶段：该阶段持续时间相对较长(约15分钟左右)。电池放电功率较小，没有动力输出，放热较少，但仍需制冷，同时座舱内有人员，有制冷需要，此时空调系统中的气冷子系统和液冷子系统均工作。此阶段中电池制冷的原因是外界高温环境会影响到动力电池，因此需要对电池进行冷却。
[0050]
起飞阶段：该阶段持续时间很短(约5分钟左右)。此时动力电池处于大功率放电过程中，发热量最大，对制冷需求最高。考虑到飞行安全，该阶段仅运行液冷子系统，气冷子系统不运行。这样能有效降低空调系统的最大负载和设计边界条件，减小系统的重量。
[0051]
巡航阶段：该阶段持续时间较长(约30分钟左右)。座舱有人员，有制冷需要。电池处于正常放电过程中，发热量适中。空调系统的总的制冷量能够同时满足座舱制冷和电池制冷的制冷需求。但是为了确保确保飞行安全，需要优先满足电池制冷需求。
[0052]
降落阶段：该阶段持续时间很短(约5分钟左右)。座舱有人员，有制冷需要。电池处于正常放电过程中，发热量适中。空调系统的总的制冷量能够同时满足座舱制冷和电池制冷的制冷需求。但是为了确保确保飞行安全，需要优先满足电池制冷需求。
[0053]
本实施例中，设定动力电池的正常运转温度区间为20℃-40℃、临界温度运转区间为40℃-50℃和过热界限50℃；
[0054]
当电池的温度处在正常运转温度区间内，无需对电池进行降温；
[0055]
当电池的温度处在临界温度运转区间内，空调系统控制第二蒸发器(即液冷子系统)为电池降温；
[0056]
当电池的温度超过过热界限，空调系统向系统发出报警信号。
[0057]
设定座舱的正常运转温度区间24℃-30℃和临界界限30℃；
[0058]
当座舱内的温度处在正常运转温度区间内，无需对座舱降温；
[0059]
当座舱内的温度超过临界界限，空调系统控制第一蒸发器(即气冷子系统)为座舱
降温。
[0060]
如图3所示，空调系统根据飞行器的运行状态、电池温度和座舱温度，判断是否需要打开液冷制冷功能和/或气冷制冷功能。
[0061]
在任何的飞行器运行阶段，当系统监测到电池温度大于40℃时，空调系统打开液冷制冷功能，为电池降温。系统打开后，若电池温度无法达到30℃以下，则提供5％的系统制冷量，直至电池温度降到30℃以下。系统制冷量达到最大能力，但是电池温度仍然无法保持在50℃以下，则向飞行器发送电池超温的告警信号，由驾驶员控制飞行器做出相应的补救措施以确保飞行器的飞行安全。
[0062]
在地面运行阶段、巡航阶段和降落阶段，当系统监测到座舱温度高于30℃，系统控制气冷制冷功能开启，并将座舱目标温度设定为24℃。在系统制冷量未达到最大能力的情况下，持续检测座舱温度是否大于目标温度。如果大于，则以5％为一个梯度，逐步提高空调系统制冷量，直至座舱温度小于等于目标温度24℃。在气冷制冷功能开启后，一旦监测到电池温度大于40℃，则关闭该功能，以确保电池的稳定运行和飞行器的安全性。
[0063]
提高系统制冷量的方法包括增加压缩机的转速和提高冷凝器风扇的转速。
[0064]
本实施例在飞行器的全部运行阶段，监测动力电池温度，温度过高时，即打开空调系统的液冷制冷功能，降低动力电池温度，当电池温度超过50℃后，系统向飞行器发送超温告警信号，由驾驶员控制飞行器做出相应的补救措施以确保飞行器的飞行安全，若用于座舱制冷的气冷制冷功能的开启，导致液冷的制冷量不足以将电池温度维持在40℃，则关闭气冷制冷功能，有限确保电池的稳定运行。
[0065]
本实施例在电池大功率充放电的运行阶段，关闭空调系统的气冷制冷功能，仅允许液冷制冷功能开启运行，有效的避免了短时间内系统制冷需求激增导致空调系统的过设计，降低空调系统的重量和耗电功率，提升飞行器的有效载荷和续航里程。
[0066]
本实施例的系统架构中，在两个蒸发器的出口，均安装了温度传感器和压力传感器。在气冷制冷流道的第一蒸发器的下游，安装了第四温度传感器和第四压力传感器。在液冷制冷流道的第二蒸发器下游，安装了第五温度传感器和第五压力传感器。这两对温度和压力传感器的作用是监测各自蒸发器出口的制冷剂的状态，根据制冷剂压焓图物性表，查出当前运行状态下的过热度，并与目标的过热度值进行对比。通过调节膨胀阀的开度，使得实际过热度与目标过热度匹配。目标过热度设定为5℃，确保蒸发器出口的制冷剂全部处于气态，没有液态的颗粒，避免液态进入压缩机，对压缩机造成损伤。5℃的过热度是充分考虑了系统中的各项误差，包括了传感器测量误差、系统控制的误差、膨胀阀的误差等。
[0067]
本实施例实现了对蒸发器出口的冷凝剂的过热度的精确的实施控制，使得蒸发器始终处于性能最优的工作状态且系统的能耗最优。

技术特征：
1.一种电动飞行器双蒸发器空调系统，包括压缩机、冷凝器、冷凝器风扇、第一蒸发器、第二蒸发器、蒸发器风扇、第一膨胀阀、第二膨胀阀和储液罐，其特征在于，还包括第一温度传感器、第二温度传感器、第三温度传感器、第四温度传感器、第五温度传感器、第六温度传感器、第七温度传感器、第一压力传感器、第二压力传感器、第三压力传感器、第四压力传感器和第五压力传感器；所述第一温度传感器和所述第一压力传感器设置于压缩机的入口，所述第二温度传感器和所述第二压力传感器设置于压缩机的出口，第六温度传感器设置于冷凝器的空气入口，第七温度传感器设置于冷凝器风扇的出口，第三温度传感器和第三压力传感器设置于冷凝器的冷凝液出口，第四温度传感器和第四压力传感器设置于第一蒸发器的冷凝液出口，第五温度传感器和第五压力传感器设置于第二蒸发器的冷凝液出口。2.一种电动飞行器双蒸发器空调系统的控制方法，其特征在于，包括步骤如下：s1、在系统中设定飞行器的运行阶段；s2、设定飞行器各个运行阶段下空调系统的制冷输出状态；s3、系统运行；s4、空调系统根据飞行器的各个阶段来控制第一蒸发器和第二蒸发器的输出；s5、各个温度传感器和压力传感器实时采集空调系统各环节的运行情况；s6、空调系统根据s5中的数据对第一蒸发器和第二蒸发器的输出进行补偿。3.根据权力要求2所述的方法，其特征在于，所述s1步骤中，飞行器的运行阶段包括充电阶段、地面运行阶段、起飞阶段、巡航阶段和降落阶段。4.根据权力要求3所述的方法，其特征在于，所述s2步骤中，空调系统的制冷输出状态包括第一蒸发器与第二蒸发器的输出占比、第一蒸发器与第二蒸发器的输出优先级。5.根据权力要求4所述的方法，其特征在于，所述方法中，空调系统实时检测飞行器的电池温度和座舱温度；并基于带电池温度或座舱温度结合飞行器的运行阶段调整第一蒸发器或第二蒸发器的输出。6.根据权力要求5所述的方法，其特征在于，设定电池的正常运转温度区间、临界温度运转区间和过热界限；当电池的温度处在正常运转温度区间内，无需对电池进行降温；当电池的温度处在临界温度运转区间内，空调系统控制第一蒸发器或第二蒸发器为电池降温；当电池的温度超过过热界限，空调系统向系统发出报警信号。7.根据权力要求6所述的方法，其特征在于，设定座舱的正常运转温度区间和临界界限；当座舱内的温度处在正常运转温度区间内，无需对座舱降温；当座舱内的温度超过临界界限，空调系统控制第一蒸发器或第二蒸发器为座舱降温。8.根据权力要求7所述的方法，其特征在于，当空调系统为座舱降温时，若无法将电池温度降低至临界温度运转区间内，则停止对座舱降温。9.根据权力要求8所述的方法，其特征在于，所述s5步骤中，第四压力传感器、第四温度传感器监测第一蒸发器出口的制冷剂的状态，第五压力传感器、第五温度传感器监测第二蒸发器出口的制冷剂的状态；
所述s6步骤中，空调系统根据第一蒸发器或第二蒸发器出口的制冷剂的状态计算当前运行状态下第一蒸发器或第二蒸发器的过热度，并与期望过热度值对比，通过调节第一膨胀阀或第二膨胀阀的开度，将第一蒸发器或第二蒸发器的过热度调整至期望过热度值。

技术总结
本发明涉及飞行器温度控制技术领域的一种电动飞行器双蒸发器空调系统及其控制方法，空调系统包括系统主要由压缩机、冷凝器及配套的冷凝器风扇、储液罐、双蒸发器、双膨胀阀、若干个温度传感器和压力传感器，以及连接这些设备的管路和附件等组成，本发明通过对蒸发器出口的制冷剂状态的监测，结合制冷剂的压焓特性图，确认蒸发器出口的制冷剂的物性状态。对比目标设定状态点，通过调节对应的蒸发器风扇转速或者膨胀阀或者压缩机转速，来实现蒸发器出口的制冷剂状态处于最佳状态，从而使得整个系统的制冷效果最佳且能耗最低。统的制冷效果最佳且能耗最低。统的制冷效果最佳且能耗最低。


技术研发人员：李霖锋 胡顺华 迟军
受保护的技术使用者：上海翱坤信息科技有限公司
技术研发日：2023.01.10
技术公布日：2023/6/28