新能源汽車用電動(dòng)壓縮機(jī)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(xiāng) 453000）

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(dòng)壓縮機(jī)與電子膨脹閥 （EXV） 開始普遍應(yīng)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(dòng)渦旋式壓縮機(jī)， 其具有體積小、 質(zhì)量輕、 結(jié)構(gòu)簡單、 運(yùn)行可靠等特點(diǎn)， 電動(dòng)壓縮機(jī)使用直流電源作為動(dòng)力源， 支持矢量變頻調(diào)速， 可與外部網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行CAN/LIN總線通信， 且具有故障診斷與保護(hù)功能。 同時(shí)， 當(dāng)冷卻液液冷電池逐漸成為市場主流后， EXV被普遍應(yīng)用于電池冷卻側(cè)， 電子膨脹閥作為主動(dòng)控制元件，對(duì)控制系統(tǒng)也提出了新的要求。

電動(dòng)壓縮機(jī)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(biāo)， 所以， 研究一套高效可行的熱管理控制策略是當(dāng)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(dòng)壓縮機(jī)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(fēng)量最大擋、蒸發(fā)器入口干球溫度26.7℃、 相對(duì)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(fēng)機(jī)端電壓DC27V、 帶風(fēng)道）； ②Chiller 換熱性能： 3500W （冷卻液成分為水50%+乙二醇50%、 進(jìn)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(fēng)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(gòu)圖 （制冷部分）

圖1中， S1為壓力傳感器， S2為電池包進(jìn)水 （即Chiller出水） 溫度傳感器， S3為電池包出水 （即Chiller進(jìn)水） 溫度傳感器。 除了以上傳感器信號(hào)， 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(hào)， 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(biāo)溫度等信號(hào)。

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(jī)與EXV需要在實(shí)車臺(tái)架上模擬各種工況進(jìn)行匹配驗(yàn)證， 此驗(yàn)證數(shù)據(jù)同樣可應(yīng)用于帶PT傳感器的熱管理系統(tǒng)。

3 電動(dòng)壓縮機(jī)與電子膨脹閥匹配分析

電動(dòng)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速與EXV開度的匹配至關(guān)重要， 壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速過高或過低， 會(huì)導(dǎo)致制冷量偏高或偏低， EXV開度過大或過小， 會(huì)導(dǎo)致Chiller出口過熱度過低或過高， 而壓縮機(jī)與EXV匹配不合理， 還會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定、 不節(jié)能， 甚至有壓縮機(jī)液擊的風(fēng)險(xiǎn)。

3.1 電子膨脹閥原理與參數(shù)

EXV內(nèi)部為步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)， 出于成本考慮大多不帶位置反饋功能， 又考慮到步進(jìn)電機(jī)失步問題， 每次上電需進(jìn)行初始化， 初始化完成后即響應(yīng)熱管理控制器的請(qǐng)求位置指令。 其初始化程序?yàn)椋?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。

圖2 電子膨脹閥流量曲線

雖然， 現(xiàn)EXV支持無級(jí)調(diào)節(jié)， 調(diào)節(jié)精度可達(dá)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(huì)導(dǎo)致EXV偏離絕對(duì)位置， 從而影響制冷系統(tǒng)的控制準(zhǔn)確性。 一種解決辦法是對(duì)EXV進(jìn)行定時(shí)初始化， 使其找回一個(gè)絕對(duì)位置，這種方法弊端是EXV初始化過程中壓縮機(jī)需做降速或停機(jī)處理， 等待EXV初始化完成方能恢復(fù)正常工作， 此過程會(huì)影響系統(tǒng)制冷的連續(xù)性。 另一種解決辦法是EXV進(jìn)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(dòng) （如5℃范圍內(nèi)波動(dòng)）， 并不會(huì)造成電池溫度的波動(dòng)。 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(shí)， 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(jī)轉(zhuǎn)速≤3000r/min。

高負(fù)荷下測試： 進(jìn)水溫度35℃、 冷凝器進(jìn)風(fēng)溫度38℃、水流量按實(shí)車狀態(tài)12L/min， 兩種壓縮機(jī)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(yàn)曲線如圖3所示。

圖3 單電池包制冷 （高負(fù)荷）

由此數(shù)據(jù)可見， 壓縮機(jī)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(dāng)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(dāng)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(jī)與EXV的最佳匹配點(diǎn)為過熱度在 （5℃， 10℃） 之間。 當(dāng)壓縮機(jī)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(jī)轉(zhuǎn)速與EXV開度來提高換熱量。

中負(fù)荷下測試： 進(jìn)水溫度25℃、 冷凝器進(jìn)風(fēng)溫度30℃，換熱量與過熱度變化規(guī)律同高負(fù)荷。 試驗(yàn)曲線如圖4所示。

圖4 單電池包制冷 （中負(fù)荷）

綜上， 單電池包制冷時(shí)， 根據(jù)電池內(nèi)部溫度、 電池包進(jìn)出水溫度 （或Chiller進(jìn)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(fù)荷， 可分高、 中、 低負(fù)荷3個(gè)區(qū)間， 對(duì)EXV開度與壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行分段控制。 需保證每種負(fù)荷區(qū)間內(nèi)的兩個(gè)極端條件均能滿足制冷需求與控制安全性。 同時(shí)還要考慮到兩種負(fù)荷切換時(shí)設(shè)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(shí)制冷時(shí)， 截止閥是打開狀態(tài)， 制冷劑同時(shí)通過蒸發(fā)器支路與Chiller支路。 此工況下控制壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速≤6500r/min。

中負(fù)荷下測試： 蒸發(fā)器側(cè)——蒸發(fā)器進(jìn)風(fēng)溫度27℃、蒸 發(fā) 器 進(jìn) 風(fēng) 量35m/h、 全 冷/吹 面/內(nèi) 循 環(huán) 模 式， Chiller側(cè)——進(jìn)水溫度30℃、 冷凝器進(jìn)風(fēng)溫度38℃、 水流量按實(shí)車狀態(tài)12L/min， EXV開度200步， 逐漸升高壓縮機(jī)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(yàn)曲線如圖5所示。

圖5 乘員艙與電池包同時(shí)制冷 （1）

乘員艙與電池同時(shí)制冷時(shí)， 壓縮機(jī)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(dāng)Chiller換熱量增加到一定程度后， 再提高壓縮機(jī)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(fù)荷變化時(shí)， 對(duì)Chiller側(cè)換熱量的影響。 現(xiàn)以改變前乘員艙進(jìn)風(fēng)量來改變其熱負(fù)荷， 分別在壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速恒定為3000r/min與5000r/min下的測試曲線，如圖6所示。 可見， 當(dāng)進(jìn)風(fēng)風(fēng)量自200m/h增加至450m/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(jī)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。

圖6 乘員艙與電池包同時(shí)制冷 （2）

綜上， 在雙蒸制冷工況下， EXV的開度應(yīng)根據(jù)Chiller的熱負(fù)荷確定（同單乘員艙制冷工況）， 而壓縮機(jī)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(fēng)口溫度作為負(fù)反饋來調(diào)節(jié)。

4 路試驗(yàn)證

4.1 充電模式

實(shí)車動(dòng)力電池電量為89kWh， 在環(huán)境溫度30℃、 1C速率快充時(shí) （充電電流約160A）， 用CANoe采集報(bào)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(qǐng)求，僅考察單電池冷制工況。 由曲線可見電池包進(jìn)水溫度在10min后穩(wěn)定， 穩(wěn)定在約18℃ （BMS發(fā)送的目標(biāo)電池進(jìn)水溫度為25℃， 且要求電池進(jìn)水溫度＜15℃時(shí)強(qiáng)制關(guān)閉制冷），滿足電池制冷需求。

圖7 快充過程熱管理參數(shù)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(bào)文曲線， 但可由壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速得知， 當(dāng)壓縮機(jī)2000轉(zhuǎn)速時(shí)， EXV開度為200 步， 當(dāng)壓縮機(jī)降至1500 轉(zhuǎn)速時(shí)，EXV開度為130步， 整個(gè)制冷過程EXV僅動(dòng)作了幾次即趨于穩(wěn)定， 且無波動(dòng)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(shí)制冷時(shí)， 用CANoe采集報(bào)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(jìn)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(shí)， 前乘員艙溫度也逐漸穩(wěn)定在設(shè)定目標(biāo)溫度25℃。

圖8 CAN通信驗(yàn)證

圖8 行車過程熱管理參數(shù)曲線

5 總結(jié)

本文以一個(gè)市場普遍應(yīng)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(shí)制冷兩個(gè)工況的臺(tái)架試驗(yàn)數(shù)據(jù)， 給出電動(dòng)壓縮機(jī)與EXV的匹配控制策略， 并通過路試數(shù)據(jù)驗(yàn)證此策略。