楊春華,張娜,趙金鹿.新能源汽車用電動壓縮機與電子膨脹閥匹配研究[J].汽車電器,2022(03):10-13.

摘要

新能源汽車空調(diào)系統(tǒng)的核心部件——電動壓縮機與電子膨脹閥 （EXV） 的控制是整車熱管理控制的核心。本文以一種市場普遍應用的新能源汽車熱管理架構(gòu)為例，針對單電池包制冷、乘員艙與電池包同時制冷兩種工況，結(jié)合環(huán)境艙臺架試驗數(shù)據(jù)，研究電動壓縮機與 EXV 的匹配控制策略，并通過實車路試數(shù)據(jù)對控制策略進行驗證。

1 前言 

隨著近幾年新能源汽車的快速發(fā)展和電氣化程度的快速上升， 電動壓縮機與電子膨脹閥 （EXV） 開始普遍應用于車用制冷系統(tǒng)中。與傳統(tǒng)燃油車空調(diào)相比， 新能源汽車空調(diào)的電氣原理與控制邏輯有了很大的改變， 也更具有難度。

新能源汽車普遍采用電動渦旋式壓縮機， 其具有體積小、 質(zhì)量輕、 結(jié)構(gòu)簡單、 運行可靠等特點， 電動壓縮機使用直流電源作為動力源， 支持矢量變頻調(diào)速， 可與外部網(wǎng)絡節(jié)點進行CAN/LIN總線通信， 且具有故障診斷與保護功能。同時， 當冷卻液液冷電池逐漸成為市場主流后， EXV被普遍應用于電池冷卻側(cè)， 電子膨脹閥作為主動控制元件，對控制系統(tǒng)也提出了新的要求。

電動壓縮機與EXV的匹配控制策略關(guān)系到整車的節(jié)能、安全、 噪聲、 舒適性等指標， 所以， 研究一套高效可行的熱管理控制策略是當前開發(fā)新能源汽車所必需的課題。

2 整車熱管理架構(gòu) 

本文研究的熱管理架構(gòu) （制冷部分） 如圖1所示， 目前大多新能源汽車普 遍采用此架構(gòu) 。本系統(tǒng)制冷劑采用R134a， 電動壓縮機理論排量45CC。①蒸發(fā)器換熱性能 ：4700W （HVAC總成全冷/吹面/內(nèi)循環(huán)模 式 、 風 量最大擋 、蒸發(fā)器入口干球溫度26.7℃、 相對濕度50.7%、 濕 球 溫 度19.5℃、 膨脹閥入口制冷劑壓力1.53MPaG、 膨脹閥入口溫度51.7℃、 蒸發(fā)器出口制冷劑壓力0.193MPaG、 出口過熱度7.2℃、 鼓 風 機 端 電 壓DC27V、 帶 風 道 ） ；②Chiller換 熱 性能：3500W （冷卻液成分為水50%+乙二醇50%、 進水溫度30℃、 水流速8L/m）；③冷凝器性能：7000W （入口側(cè)空氣干 球 溫 度 35℃ 、 迎 面 風 速 4.5m/s、 入 口 冷 媒 蒸 汽 壓 力1.47MPaG、 入口冷媒蒸汽過熱度25℃、 出口冷媒液體過冷度5℃）。

圖1中， S1為壓力傳感器， S2為電池包進水 （即Chiller出水） 溫度傳感器， S3為電池包出水 （即Chiller進水） 溫度傳感器。除了以上傳感器信號， 熱管理控制器還通過硬線采集蒸發(fā)器、 車內(nèi)、 車外、 陽光等傳感器信號， 通過總線接收網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)發(fā)的電池包最低溫度、 最高溫度、 平均溫度、目標溫度等信號。

目前出于成本考慮， Chiller制冷劑出口側(cè)無壓力溫度傳感器， 即PT傳感器， 所以壓縮機與EXV需要在實車臺架上模擬各種工況進行匹配驗證， 此驗證數(shù)據(jù)同樣可應用于帶PT傳感器的熱管理系統(tǒng)。

3 電動壓縮機與電子膨脹閥匹配分析 

電動壓縮機轉(zhuǎn)速與EXV開度的匹配至關(guān)重要， 壓縮機轉(zhuǎn)速過高或過低， 會導致制冷量偏高或偏低， EXV開度過大或過小， 會導致Chiller出口過熱度過低或過高， 而壓縮機與EXV匹配不合理， 還會導致系統(tǒng)不穩(wěn)定、 不節(jié)能， 甚至有壓縮機液擊的風險。

3.1 電子膨脹閥原理與參數(shù) 

EXV內(nèi)部為步進電機驅(qū)動， 出于成本考慮大多不帶位置反饋功能， 又考慮到步進電機失步問題， 每次上電需進行 初 始 化 ， 初始化完成后即響應 熱管理控制器的請求位置指令。其初始化程序為 ：關(guān)方向走530 脈沖 ， 即 500 步（總 行 程500脈 沖 ） ，最終停留在100脈沖位置 ， 此過程 約需要 7s。其流量曲線如圖2所示。

雖然， 現(xiàn)EXV支持無級調(diào)節(jié)， 調(diào)節(jié)精度可達1步， 但是考慮到不可避免的失步現(xiàn)象， 過于頻繁的調(diào)節(jié)會導致EXV偏離絕對位置， 從而影響制冷系統(tǒng)的控制準確性。一種解決辦法是對EXV進行定時初始化， 使其找回一個絕對位置，這種方法弊端是EXV初始化過程中壓縮機需做降速或停機處理， 等待EXV初始化完成方能恢復正常工作， 此過程會影響系統(tǒng)制冷的連續(xù)性。另一種解決辦法是EXV進行分段控制， 避免頻繁調(diào)節(jié)， 不同于前乘員艙溫度控制， 電池包冷卻液溫度的波動 （如5℃范圍內(nèi)波動）， 并不會造成電池溫度的波動。所以本系統(tǒng)采取EXV分段控制的方法。

3.2 單電池包制冷工況 

單電池包制冷時， 截止閥是關(guān)閉狀態(tài)， 制冷劑僅通過EXV與Chiller支路。此工況下控制壓縮機轉(zhuǎn)速≤3000r/min。

高負荷下測試：進水溫度35℃、 冷凝器進風溫度38℃、水流量按實車狀態(tài)12L/min， 兩種壓縮機轉(zhuǎn)速下， 改變EXV的開度， 觀察換Chiller水側(cè)熱量與Chiller制冷劑出口過熱度的變化。試驗曲線如圖3所示。

由此數(shù)據(jù)可見， 壓縮機一定轉(zhuǎn)速下， EXV的開度逐漸加大過程中， 首先換熱量有明顯增加， 過熱度也有明顯的降低， 此階段系統(tǒng)效率不斷提高。然后當換熱量增加到一定程度， 再加大閥的開度， 換熱量趨于平穩(wěn)， 但過熱度仍有明顯變化。最后當過熱度＜5℃以后， 過熱度變化變緩，此階段系統(tǒng)效率在降低。選取壓縮機與EXV的最佳匹配點為過熱度在 （5℃， 10℃） 之間。當壓縮機轉(zhuǎn)速由2000r/min提升至3000r/min后， 可能受到了Chiller本體換熱性能的限值， 換熱量并沒有明顯增加， 由此可見， 不能盲目增加壓縮機轉(zhuǎn)速與EXV開度來提高換熱量。

中負荷下測試：進水溫度25℃、 冷凝器進風溫度30℃，換熱量與過熱度變化規(guī)律同高負荷。試驗曲線如圖4所示。

綜上， 單電池包制冷時， 根據(jù)電池內(nèi)部溫度、 電池包進出水溫度 （或Chiller進出水溫度）、 車輛狀態(tài) （行駛或充電）、 環(huán)境溫度、 循環(huán)水泵流量來確定Chiller的熱負荷， 可分高、 中、 低負荷3個區(qū)間， 對EXV開度與壓縮機轉(zhuǎn)速進行分段控制。需保證每種負荷區(qū)間內(nèi)的兩個極端條件均能滿足制冷需求與控制安全性。同時還要考慮到兩種負荷切換時設置合理的回滯區(qū)間， 以提高控制的穩(wěn)定性。

3.3 乘員艙與電池包制冷工況 

乘員艙與電池包同時制冷時， 截止閥是打開狀態(tài)， 制冷劑同時通過蒸發(fā)器支路與Chiller支路。此工況下控制壓縮機轉(zhuǎn)速≤6500r/min。

中負荷下測 試 ：蒸 發(fā) 器 側(cè)——蒸 發(fā) 器 進 風 溫 度27℃、蒸 發(fā) 器 進 風 量 35m3/h、 全 冷/吹 面/內(nèi) 循 環(huán) 模 式 ， Chiller側(cè)——進水溫度30℃、 冷凝器進風溫度38℃、 水流量按實車 狀 態(tài)12L/min， EXV開 度200步 ， 逐 漸 升 高 壓 縮 機 轉(zhuǎn) 速 ，觀察前乘員艙蒸發(fā)器溫度、 Chiller水側(cè)換熱量與Chiller制冷劑出口過熱度的變化。試驗曲線如圖5所示。

乘員艙與電池同時制冷時， 壓縮機轉(zhuǎn)速自3000升 至6500過程中， Chiller換熱量基本不變， 而蒸發(fā)器溫度有明顯下降， 由此可見， 當Chiller換熱量增加到一定程度后， 再提高壓縮機轉(zhuǎn)速， 所增加的換熱量幾乎都體現(xiàn)在前乘員艙側(cè)。

其次， 研究前乘員艙熱負荷變化時， 對Chiller側(cè)換熱量的影響?，F(xiàn)以改變前乘員艙進風量來改變其熱負荷， 分別在壓縮機轉(zhuǎn)速恒定為3000r/min與5000r/min下的測試 曲 線 ，如圖6所示?？梢?， 當進風風量自200m3/h增加至450m3/h過程中， Chiller側(cè)換熱量基本保持不變， 但Chiller制冷劑出口過熱度有小幅降低， 且壓縮機轉(zhuǎn)速越高， 蒸發(fā)器溫度越低，而Chiller水側(cè)換熱量基本一致。

綜上， 在雙蒸制冷工況下， EXV的開度應根據(jù)Chiller的熱負荷確定 （同單乘員艙制冷工況）， 而壓縮機轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)可以根據(jù)前乘員艙蒸發(fā)器溫度或出風口溫度作為負反饋來調(diào)節(jié)。

4 路試驗證 

4.1 充電模式

實車動力電池電量為89kWh， 在環(huán)境溫度30℃、 1C速率快充時 （充電電流約160A）， 用CANoe采集報文并生成的熱管理參數(shù)曲線如圖7所示。此過程無前乘員艙制冷請求，僅考察單電池冷制工況 。由曲線可見電池 包進水溫度在10min后穩(wěn)定， 穩(wěn)定在約18℃ （BMS發(fā)送的目標電池進水溫度為25℃， 且要求電池進水溫度＜15℃時強制關(guān)閉制冷 ） ，滿足電池制冷需求。

由于EXV是通過LIN總線與熱管理控制器通信的， 沒有生成LIN報文曲線， 但可由壓縮機轉(zhuǎn)速得知， 當壓縮機2000轉(zhuǎn) 速 時 ， EXV開度為200步 ， 當壓縮機降至1500轉(zhuǎn)速時 ，EXV開度為130步， 整個制冷過程EXV僅動作了幾次即趨于穩(wěn)定， 且無波動現(xiàn)象。

4.2 行車模式

車輛行駛過程中， 前乘員艙與電池包同時制冷時， 用CANoe采集報文并生成的熱管理參數(shù)曲線如圖8所示。由曲線可見約6min電池進水溫度由39℃降至25℃以下， 且逐漸穩(wěn)定在20℃， 滿足電池包制冷需求。同時， 前乘員艙溫度也逐漸穩(wěn)定在設定目標溫度25℃。

5 總結(jié) 

本文以一個市場普遍應用的新能源汽車熱管理架構(gòu)為例， 通過分析單電池包制冷、 乘員艙與電池包同時制冷兩個工況的臺架試驗數(shù)據(jù)， 給出電動壓縮機與EXV的匹配控制策略， 并通過路試數(shù)據(jù)驗證此策略。