新能源汽車用電動壓縮機與電子膨脹閥匹配研究

楊春華， 張 娜， 趙金鹿

（豫新汽車熱管理科技有限公司， 河南 新鄉 453000）

1 前言

隨著近幾年新能源汽車的快速發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中。 與傳統燃油車空調相比， 新能源汽車空調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、 質量輕、 結構簡單、 運行可靠等特點， 電動壓縮機使用直流電源作為動力源， 支持矢量變頻調速， 可與外部網絡節點進行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， 電子膨脹閥作為主動控制元件，對控制系統也提出了新的要求。

電動壓縮機與EXV的匹配控制策略關系到整車的節能、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新能源汽車所必需的課題。

2 整車熱管理架構

本文研究的熱管理架構 （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。 本系統制冷劑采用R134a， 電動壓縮機理論排量45CC。 ①蒸發器換熱性能：4700W （HVAC總成全冷/吹面/內循環模式、 風量最大擋、蒸發器入口干球溫度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 整車熱管理架構圖 （制冷部分）

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器、 車內、 車外、 陽光等傳感器信號， 通過總線接收網關轉發的電池包最低溫度、 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， 此驗證數據同樣可應用于帶PT傳感器的熱管理系統。

3 電動壓縮機與電子膨脹閥匹配分析

電動壓縮機轉速與EXV開度的匹配至關重要， 壓縮機轉速過高或過低， 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， 還會導致系統不穩定、 不節能， 甚至有壓縮機液擊的風險。

3.1 電子膨脹閥原理與參數

EXV內部為步進電機驅動， 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。

圖2 電子膨脹閥流量曲線

雖然， 現EXV支持無級調節， 調節精度可達1步， 但是考慮到不可避免的失步現象， 過于頻繁的調節會導致EXV偏離絕對位置， 從而影響制冷系統的控制準確性。 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， 此過程會影響系統制冷的連續性。 另一種解決辦法是EXV進行分段控制， 避免頻繁調節， 不同于前乘員艙溫度控制， 電池包冷卻液溫度的波動 （如5℃范圍內波動）， 并不會造成電池溫度的波動。 所以本系統采取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， 截止閥是關閉狀態， 制冷劑僅通過EXV與Chiller支路。 此工況下控制壓縮機轉速≤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12L/min， 兩種壓縮機轉速下， 改變EXV的開度， 觀察換Chiller水側熱量與Chiller制冷劑出口過熱度的變化。 試驗曲線如圖3所示。

圖3 單電池包制冷 （高負荷）

由此數據可見， 壓縮機一定轉速下， 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， 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律同高負荷。 試驗曲線如圖4所示。

圖4 單電池包制冷 （中負荷）

綜上， 單電池包制冷時， 根據電池內部溫度、 電池包進出水溫度 （或Chiller進出水溫度）、 車輛狀態 （行駛或充電）、 環境溫度、 循環水泵流量來確定Chiller的熱負荷， 可分高、 中、 低負荷3個區間， 對EXV開度與壓縮機轉速進行分段控制。 需保證每種負荷區間內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間， 以提高控制的穩定性。

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， 制冷劑同時通過蒸發器支路與Chiller支路。 此工況下控制壓縮機轉速≤6500r/min。

中負荷下測試： 蒸發器側——蒸發器進風溫度27℃、蒸 發 器 進 風 量35m/h、 全 冷/吹 面/內 循 環 模 式， Chiller側——進水溫度30℃、 冷凝器進風溫度38℃、 水流量按實車狀態12L/min， EXV開度200步， 逐漸升高壓縮機轉速，觀察前乘員艙蒸發器溫度、 Chiller水側換熱量與Chiller制冷劑出口過熱度的變化。 試驗曲線如圖5所示。

圖5 乘員艙與電池包同時制冷 （1）

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

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

圖6 乘員艙與電池包同時制冷 （2）

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

4 路試驗證

4.1 充電模式

實車動力電池電量為89kWh， 在環境溫度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后穩定， 穩定在約18℃ （BMS發送的目標電池進水溫度為25℃， 且要求電池進水溫度＜15℃時強制關閉制冷），滿足電池制冷需求。

圖7 快充過程熱管理參數曲線

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， 但可由壓縮機轉速得知， 當壓縮機2000轉速時， EXV開度為200 步， 當壓縮機降至1500 轉速時，EXV開度為130步， 整個制冷過程EXV僅動作了幾次即趨于穩定， 且無波動現象。

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， 且逐漸穩定在20℃， 滿足電池包制冷需求。 同時， 前乘員艙溫度也逐漸穩定在設定目標溫度25℃。

圖8 CAN通信驗證

圖8 行車過程熱管理參數曲線

5 總結

本文以一個市場普遍應用的新能源汽車熱管理架構為例， 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據， 給出電動壓縮機與EXV的匹配控制策略， 并通過路試數據驗證此策略。