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某電動汽車熱管理系統(tǒng)熱泵空調(diào)控制策略研究

2021-11-23 21:24:12·  來源：AUTO行家  
　
導(dǎo)讀文章基于公司某款純電動汽車，分析了熱泵空調(diào)系統(tǒng)的工作原理及其在整車熱管理系統(tǒng)中的作用、工作模式、控制系統(tǒng)架構(gòu)，詳細(xì)說明了以熱泵空調(diào)為中心的車內(nèi)制冷
導(dǎo)讀
文章基于公司某款純電動汽車，分析了熱泵空調(diào)系統(tǒng)的工作原理及其在整車熱管理系統(tǒng)中的作用、工作模式、控制系統(tǒng)架構(gòu)，詳細(xì)說明了以熱泵空調(diào)為中心的車內(nèi)制冷、電池制冷、車內(nèi)和電池同時制冷、車內(nèi)制熱、遠(yuǎn)程遙控空調(diào)等主要工作過程及熱泵空調(diào)控制策略。
作者：張歡歡
單位：安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司 新能源乘用車公司 新能源汽車研究院
關(guān)鍵詞：電動汽車；熱管理系統(tǒng)；熱泵空調(diào)系統(tǒng)；控制策略

目前，多數(shù)純電動車汽車均配置有整車熱管理系統(tǒng)，主要功能包括車內(nèi)熱管理、電池?zé)峁芾?、電?qū)動和附件熱管理等，通過熱管理系統(tǒng)的控制，使車內(nèi)、電池、電驅(qū)動及附件快速達(dá)成溫度調(diào)節(jié)，保證在各種外界氣候和條件下，均處于較為適宜的溫度范圍。其中，整車熱管理系統(tǒng)設(shè)計時，電驅(qū)動和附件熱管理冷卻系統(tǒng)媒介是冷卻液，結(jié)構(gòu)基本獨立；車內(nèi)熱管理和電池?zé)峁芾韯t由空調(diào)系統(tǒng)耦合實現(xiàn)，冷卻介質(zhì)為R134a 冷媒。車內(nèi)熱管理主要包括車內(nèi)制冷、車內(nèi)制熱、遠(yuǎn)程遙控空調(diào)。電池?zé)峁芾砼c空調(diào)系統(tǒng)耦合度最強的是電池制冷，電池制熱一般通過電池加熱器獨立實現(xiàn)，與空調(diào)系統(tǒng)基本不耦合。車內(nèi)熱管理和電池制冷均需要快速調(diào)節(jié)，其中車內(nèi)制冷還對低噪、舒適性有較高的體驗需求，電池制冷則對安全有較高要求。因此，研究電動車空調(diào)系統(tǒng)在熱管理工作過程中的控制策略成為業(yè)內(nèi)重要命題[1]。
01熱泵空調(diào)系統(tǒng)工作原理
熱泵空調(diào)系統(tǒng)制冷原理，如圖1 所示。電動空調(diào)壓縮機將高溫低壓的氣態(tài)冷媒A，壓縮為高溫高壓的液態(tài)冷媒B；通過車外換熱器冷凝后，成為低溫高壓的液態(tài)冷媒C；再通過電子膨脹閥，成為低溫低壓的氣態(tài)冷媒D；通過車內(nèi)蒸發(fā)器，與車內(nèi)氣體熱交換，車內(nèi)空氣溫度降低，冷媒溫度升高，成為高溫低壓的氣態(tài)冷媒A，進(jìn)入下一輪制冷循環(huán)[2-3]。如此往復(fù)，實現(xiàn)車內(nèi)熱量交換至車外，車內(nèi)制冷的效果。

圖 1 熱泵空調(diào)系統(tǒng)制冷工作原理
熱泵空調(diào)系統(tǒng)制熱原理，如圖2 所示。電動空調(diào)壓縮機將高溫低壓的氣態(tài)冷媒A，壓縮為高溫高壓的液態(tài)冷媒B；通過車內(nèi)換熱器冷凝，與車內(nèi)空氣熱交換，車內(nèi)空氣溫度上升，冷媒溫度下降，成為低溫高壓的液態(tài)冷媒C；再通過電子膨脹閥，成為低溫低壓的氣態(tài)冷媒D；通過車外換熱器，與車外氣體熱交換，車外空氣溫度降低，冷媒溫度升高，成為高溫低壓的氣態(tài)冷媒A，進(jìn)入下一輪制冷循環(huán)[2-3]。如此往復(fù)，實現(xiàn)車外熱量交換至車內(nèi)，車內(nèi)制熱的效果。

圖2 熱泵空調(diào)系統(tǒng)制熱工作原理
此類熱泵空調(diào)系統(tǒng)，制冷過程，車外換熱器起冷凝作用，車內(nèi)蒸發(fā)器起蒸發(fā)作用，車內(nèi)換熱器不參與工作，僅起冷媒通道的作用。制熱過程，車外換熱器起蒸發(fā)作用，車內(nèi)換熱器起冷凝作用，車內(nèi)蒸發(fā)器不參與工作，僅起冷媒通道的作用。
針對上述主被動集成安全系統(tǒng)各單項技術(shù)的功能測試在行業(yè)內(nèi)已經(jīng)有多項測試規(guī)程，但是主被動安全技術(shù)聯(lián)合對乘員的碰撞保護(hù)性能測試尚處于空白。對于測試主被動集成安全系統(tǒng)對乘員保護(hù)的性能，首先需要搭建合理的測試工況，同時要實現(xiàn)AEB的制動效果，橫跨T0前后的執(zhí)行裝置能夠被精準(zhǔn)觸發(fā)，乘員損傷能被合理評價，最終才能形成完整可行的測試規(guī)程。因此，下文將從測試工況、AEB制動減速度分析及實現(xiàn)、執(zhí)行系統(tǒng)的觸發(fā)以及乘員的損傷評價工具等方面進(jìn)行闡述。
02某電動汽車熱泵空調(diào)系統(tǒng)工作模式分析
本文研究的某電動汽車，其整車熱管理系統(tǒng)以上述熱泵空調(diào)系統(tǒng)為核心。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖3 所示。
圖3 本文研究的某電動車熱泵空調(diào)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
本文研究的某電動汽車，電池系統(tǒng)為液冷系統(tǒng)，其冷卻液也需空調(diào)給予制冷。該車輛的熱泵空調(diào)系統(tǒng)總體分為車外、車內(nèi)和電池系統(tǒng)三個區(qū)域。主要有車內(nèi)制冷、電池制冷、車內(nèi)制熱三種工作模式。與熱泵系統(tǒng)控制相關(guān)的主要部件包括電動空調(diào)壓縮機、電子膨脹閥、電磁閥、傳感器、輔助PTC、電子水泵等。結(jié)合三種工作模式及圖中相關(guān)部件作用，具體介紹系統(tǒng)工作過程如下：
車內(nèi)制冷，如圖4 所示。電動空調(diào)壓縮機將高溫低壓的氣態(tài)冷媒，壓縮為高溫高壓的液態(tài)冷媒；經(jīng)過制冷模式下僅起冷媒通道作用的車內(nèi)換熱器和常開的電磁閥2，至車外換熱器冷凝，成為低溫高壓的液態(tài)冷媒；再通過常開的電子膨脹閥3 及制冷節(jié)流短管降壓，成為低溫低壓的氣態(tài)冷媒；通過車內(nèi)蒸發(fā)器，與車內(nèi)氣體熱交換，車內(nèi)空氣溫度降低，冷媒溫度升高，成為高溫低壓的冷媒，此時的冷媒因未完全蒸發(fā)至理想狀態(tài)的純氣態(tài)，通常還殘存有液態(tài)，因此接下來進(jìn)入氣液分離器，液態(tài)冷媒儲存在氣液分離器內(nèi)，高溫低壓的氣態(tài)冷媒進(jìn)入壓縮機，開啟下一輪制冷循環(huán)。
圖4 本文研究的某電動車熱泵空調(diào)系統(tǒng)車內(nèi)制冷過程
電池制冷，如圖5 所示。電池制冷原理與車內(nèi)制冷基本相似，低溫高壓的液態(tài)冷媒直接通過電池系統(tǒng)電子膨脹閥，成為低溫低壓氣態(tài)為主的冷媒，通過電池?fù)Q熱器與電池系統(tǒng)熱交換，電池系統(tǒng)溫度下降，冷媒溫度上升，再通過氣液分離器后進(jìn)入壓縮機。
圖5 本文研究的某電動車熱泵空調(diào)系統(tǒng)電池制冷過程
圖6 本文研究的某電動車熱泵空調(diào)系統(tǒng)車內(nèi)和電池同時制冷過程
車內(nèi)和電池同時制冷，如圖6，該模式是車內(nèi)制冷模式和電池制冷模式的集成。車內(nèi)制熱，如圖7。電動空調(diào)壓縮機將高溫低壓的氣態(tài)冷媒，壓縮為高溫高壓的液態(tài)冷媒；經(jīng)過車內(nèi)換熱器，與車內(nèi)空氣熱交換，車內(nèi)空氣溫度上升，冷媒溫度降低，成為低溫高壓的液態(tài)冷媒；再通過制熱節(jié)流短管降壓，成為低溫低壓的氣態(tài)冷媒；通過車外換熱器，吸收車外空氣熱量，冷媒溫度升高，成為高溫低壓的冷媒；接下來進(jìn)入氣液分離器，液態(tài)冷媒儲存在氣液分離器內(nèi)，高溫低壓的氣態(tài)冷媒進(jìn)入壓縮機，開啟下一輪制熱循環(huán)。如環(huán)境溫度低于?10 ℃，還需要輔助PTC 加熱。
圖7 本文研究的某電動車熱泵空調(diào)系統(tǒng)車內(nèi)制熱過程
03某電動汽車熱泵空調(diào)系統(tǒng)控制策略
3.1 控制原理
以本公司開發(fā)的某純電動車為例，無論是哪種整車熱管理工作模式，其熱泵空調(diào)系統(tǒng)的控制對象主要包括電動空調(diào)壓縮機、電子膨脹閥、電磁閥1、電磁閥2、電磁閥3、輔助PTC 等，控制輸入主要包括空調(diào)模式開關(guān)信號、電動空調(diào)壓縮機轉(zhuǎn)速信號、各類傳感器信號及車速、整車控制器請求等，熱泵控制器是實施控制功能的核心部件，如圖8 所示。
圖8 本文研究的熱泵空調(diào)系統(tǒng)控制原理框圖
除上述四種工作模式的控制外，熱泵空調(diào)系統(tǒng)控制還涉及手機遠(yuǎn)程遙控空調(diào)控制。熱泵系統(tǒng)控制不僅要實現(xiàn)上述工作模式的功能，還要從低噪、舒適、充電時或行駛時車內(nèi)制冷與電池制冷性能平衡等維度，綜合考慮控制策略。
3.2 車內(nèi)制冷控制策略
（1）熱泵控制器接收空調(diào)模式開關(guān)制冷需求信號后，向電動空調(diào)壓縮機反饋制冷請求。
（2）電磁閥1 關(guān)閉，電磁閥2、電磁閥3 打開，電子膨脹閥開度為0，即處于關(guān)閉狀態(tài)。
（3）根據(jù)TD 值計算電動空調(diào)壓縮機轉(zhuǎn)速。車速≤20km/h，電動空調(diào)壓縮機最高轉(zhuǎn)速為3 600 rpm，最低轉(zhuǎn)速為1200 rpm，TD 值與電動空調(diào)壓縮機轉(zhuǎn)速對應(yīng)關(guān)系見表1；車速＞20 km/h，電動空調(diào)壓縮機最高轉(zhuǎn)速為4 500 rpm，最低轉(zhuǎn)速為1 200rpm，TD 值與電動空調(diào)壓縮機轉(zhuǎn)速對應(yīng)關(guān)系見表2。

3.3 電池制冷控制策略
（1）電子膨脹閥初始狀態(tài)為開，且開度最大為80%。
（2）電子膨脹閥開度根據(jù)電池?fù)Q熱器出口過熱度，進(jìn)行PID 調(diào)節(jié)。
（3）電動空調(diào)壓縮機轉(zhuǎn)速根據(jù)整車控制器輸入的電池最高溫度線性變化，見表3。


（4）當(dāng)電池放電且車輛處于怠速狀態(tài)時，如果電池最高溫度≤39 ℃，電動空調(diào)壓縮機轉(zhuǎn)速由需求轉(zhuǎn)速降至2 000rpm，處于節(jié)能低噪工作狀態(tài)。
3.4 車內(nèi)和電池同時制冷控制策略
熱泵控制器依據(jù)電池最高溫度計算電池制冷需求，依據(jù)空調(diào)模式開關(guān)輸入的指令計算車內(nèi)制冷需求，統(tǒng)籌兩者，合理分配制冷量。熱泵控制器接收空調(diào)模式開關(guān)的空調(diào)開啟指令和電子膨脹閥開啟指令，電磁閥3 打開，電子膨脹閥開度和電動空調(diào)壓縮機轉(zhuǎn)速按照熱泵控制器指令實施。由于電動車存在行駛、慢充、快充三種獨立的工況，三種工況都存在熱泵空調(diào)工作的需求，因此車內(nèi)制冷和電池制冷的控制策略需依據(jù)工況特點針對性設(shè)計。
3.4.1 行駛工況
綜合考慮空調(diào)低噪需求和電池安全需求，實施降噪控制策略、電池制冷優(yōu)先控制策略以及舒適性控制策略，三個策略之間相互關(guān)聯(lián)。
（1）降噪控制策略
（2）電池制冷優(yōu)先控制策略
（3）舒適性控制策略



電動空調(diào)壓縮機轉(zhuǎn)速和對應(yīng)產(chǎn)生的制冷量關(guān)系見表6。


舒適性控制的原則是，當(dāng)電池溫度處于適宜范圍時，則充分滿足乘員舒適性需求，通過調(diào)節(jié)電子膨脹閥開度，將電動空調(diào)壓縮機產(chǎn)生的制冷量，充分分配至乘員艙。因本文所述的熱泵空調(diào)系統(tǒng)制冷量最大值為6 000 W，因此，表7 所示的舒適性控制策略適用于車內(nèi)制冷量和電池制冷量之和小于6 000 W 的工況。一旦出現(xiàn)電池溫度過高引起車內(nèi)制冷和電池制冷需求之和大于6 000 W 時，則進(jìn)入執(zhí)行電池制冷優(yōu)先控制策略。

3.4.2 快充工況
策略見表8，特別之處是快充時，電池溫度一般上升速度較快。如電池最高溫度＞39 ℃，即使車內(nèi)需求制冷，也不響應(yīng)，電動空調(diào)壓縮機轉(zhuǎn)速保持5 800 rpm 運行，電池膨脹閥開度全力保障電池制冷需求，抑制快充電流大導(dǎo)致的電池快速溫升。


3.4.3 慢充工況
策略見表9。特別當(dāng)電池溫度處于26 ℃～32 ℃時，電子膨脹閥開度保持5%，起一定的抑制電池溫升作用即可。

3.5 車內(nèi)制熱控制策略
熱泵空調(diào)系統(tǒng)制熱最佳的工作環(huán)境溫度為?10 ℃～20℃，此溫度范圍之外如還需制熱，熱泵系統(tǒng)車內(nèi)制熱模式不工作，只由輔助PTC 單獨實現(xiàn)制熱功能。因此，車內(nèi)制熱控制策略見表10。


3.6 遠(yuǎn)程遙控空調(diào)控制策略

（1）手機遠(yuǎn)程遙控空調(diào)時，熱泵控制器接收到制冷開啟請求后，將會將車內(nèi)溫度目標(biāo)設(shè)定為23 ℃，固定值，空調(diào)系統(tǒng)自動運行。
（2）手機遠(yuǎn)程遙控空調(diào)時，熱泵控制器接收到制冷關(guān)閉請求后，請求關(guān)閉電動空調(diào)壓縮機。
（3）手機遠(yuǎn)程遙控空調(diào)時，熱泵控制器接收到制熱開啟請求后，如車外溫度≤?10 ℃，則開啟遠(yuǎn)程空調(diào)后前15 min為除霜模式，保證用戶進(jìn)入車輛后可立即行駛，15 min 之后改為吹腳模式；如車外溫度>?10 ℃，設(shè)定溫度為28 ℃，自動運行。
（4）手機遠(yuǎn)程遙控空調(diào)時，熱泵控制器接收到制熱關(guān)閉請求后，關(guān)閉 PTC 和電動空調(diào)壓縮機。
04總結(jié)
本文分析了熱泵空調(diào)系統(tǒng)的工作原理，基于公司某款純電動汽車，分析了熱泵空調(diào)系統(tǒng)在整車熱管理系統(tǒng)中的作用、工作模式、控制系統(tǒng)架構(gòu)，詳細(xì)說明了以熱泵空調(diào)為中心的車內(nèi)制冷、電池制冷、車內(nèi)和電池同時制冷、車內(nèi)制熱、遠(yuǎn)程遙控空調(diào)的工作過程及其控制策略，展示了當(dāng)下整車熱管理熱泵空調(diào)系統(tǒng)核心控制策略設(shè)計方案，供業(yè)內(nèi)參考。
【參考文獻(xiàn)】
[1] 謝卓,陳江平,陳芝久.電動車熱泵空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計分析[J].汽車工程,2006(8):763-765.
[2] 劉健豪,吳兵兵,張歡歡,等.電動汽車熱泵空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計及應(yīng)用[J].安徽電子職業(yè)信息技術(shù)學(xué)院學(xué)報, 2016(4):7-10.
[3] 張歡歡.電動汽車熱泵空調(diào)系統(tǒng)技術(shù)研究[J].安徽電子職業(yè)信息技術(shù)學(xué)院學(xué)報,2017(5):22-26.

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