電動(dòng)汽車熱泵空調(diào)系統(tǒng)臟堵排查

胡超常，吳金，趙文魁，劉樹(shù)友，陳龍，陳立偉，任錫玉，劉小林

（江西江鈴集團(tuán)新能源汽車有限公司，南昌市，330000）

引言

我國(guó)已經(jīng)成為世界上最大的新能源電動(dòng)汽車制造和消費(fèi)市場(chǎng)，對(duì)汽車品質(zhì)的追求已成為廣大消費(fèi)者重要考慮的因素，新能源電動(dòng)汽車也已經(jīng)成為我國(guó)重要的戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)以及推動(dòng)國(guó)民經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的重要引擎。作為新能源汽車的重要組成部分，空調(diào)系統(tǒng)零部件質(zhì)量顯得尤為重要。

家用和商用熱泵空調(diào)在市場(chǎng)上已經(jīng)有20多年的產(chǎn)品投放使用歷史［1］，其電能利用效率極高，1倍的電能消耗可以輸出2～3倍的熱能，COP顯著提升。由于汽車使用工況極其復(fù)雜惡劣，且成本和技術(shù)難度一直困擾著熱泵技術(shù)在汽車行業(yè)推廣，但隨著全球均在加強(qiáng)環(huán)保意識(shí)以及《巴黎氣候協(xié)定》的簽訂，各國(guó)都在根據(jù)本國(guó)實(shí)際制定減少碳排放的規(guī)模，習(xí)主席要求2030年我國(guó)實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰，2060年實(shí)現(xiàn)碳中和，在此背景下，我國(guó)的能源結(jié)構(gòu)迎來(lái)了巨變，國(guó)家開(kāi)始鼓勵(lì)新能源電動(dòng)汽車關(guān)鍵零部件使用和推廣熱泵技術(shù)［2］。由此，熱泵技術(shù)在電動(dòng)汽車上的使用推廣迎來(lái)了重要的發(fā)展機(jī)遇期。

直接式熱泵空調(diào)也屬于汽車熱泵空調(diào)的一種，該系統(tǒng)主要由電動(dòng)壓縮機(jī)總成、空調(diào)控制器、空調(diào)面板、室外換熱器帶電子風(fēng)扇總成、HVAC總成（包含室內(nèi)冷凝器、蒸發(fā)器和空氣PTC）、氣液分離器總成、電子膨脹閥（帶濾網(wǎng)）和若干空調(diào)管路組成。制冷時(shí)利用HVAC內(nèi)蒸發(fā)器吸走車內(nèi)熱量，鼓風(fēng)機(jī)將換熱后的冷風(fēng)通過(guò)風(fēng)道直接吹至乘客艙。制熱時(shí)利用壓縮機(jī)排氣經(jīng)過(guò)空調(diào)箱內(nèi)部冷凝器放熱，鼓風(fēng)機(jī)將換熱后的熱風(fēng)經(jīng)過(guò)風(fēng)道吹至乘客艙，實(shí)現(xiàn)車內(nèi)車外熱量的搬運(yùn)轉(zhuǎn)移交換。

針對(duì)熱泵空調(diào)，行業(yè)內(nèi)有不少研究，趙宇［3］等詳細(xì)闡述了不同電動(dòng)汽車熱泵空調(diào)系統(tǒng)的特點(diǎn)，對(duì)如何提升其性能及未來(lái)發(fā)展發(fā)表了一些看法，對(duì)一些研究者會(huì)很有幫助；汪琳琳［4］等詳細(xì)對(duì)比研究了3種純電動(dòng)汽車熱泵空調(diào)的優(yōu)缺點(diǎn)及發(fā)展前景；李萬(wàn)勇［5］等對(duì)電動(dòng)汽車熱泵空調(diào)系統(tǒng)低溫制熱性能及優(yōu)化做了很全面的研究，分析了不同制冷劑在-20 ℃～7 ℃環(huán)境下的性能及優(yōu)化；劉雨聲［6］等研究了R1234yf熱泵技術(shù)及前景分析。錢程［7］等研究了一種純電動(dòng)汽車雙熱源熱泵系統(tǒng)的性能；何?。?］等對(duì)降低制冷系統(tǒng)壓縮機(jī)排氣溫度的方法進(jìn)行了研究。

本文基于工廠外部FEU發(fā)現(xiàn)兩臺(tái)車熱泵空調(diào)系統(tǒng)工作異常，故障現(xiàn)象描述為：空調(diào)工作時(shí)異響，噪聲大，且斷斷續(xù)續(xù)不制冷。特請(qǐng)工程師協(xié)助排查分析，排查后發(fā)現(xiàn)兩臺(tái)車輛均存在臟堵現(xiàn)象，臟堵位置發(fā)生在制冷電子膨脹閥濾網(wǎng)處，同時(shí)對(duì)該批次零部件物料進(jìn)行排查發(fā)現(xiàn)同樣存在臟堵情況，識(shí)別零部件批次號(hào)后發(fā)現(xiàn)該批次物料已部分裝配車輛并下線，經(jīng)綜合評(píng)估決定，由研發(fā)部門牽頭，緊急對(duì)該批次車輛空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行緊急測(cè)試排查分析。

1 堵塞故障種類的鎖定

我們都知道汽車空調(diào)系統(tǒng)堵塞故障主要分為臟堵和冰堵兩種類型，對(duì)于電動(dòng)汽車熱泵空調(diào)也是如此，呂秋碩和朱亮亮［9］的汽車空調(diào)制冷系統(tǒng)堵塞故障分析與排除文獻(xiàn)中詳細(xì)闡明了堵塞故障的識(shí)別、分析及排除。通過(guò)對(duì)故障現(xiàn)象的反復(fù)識(shí)別分析，確定該批次車輛堵塞類型為臟堵，且臟堵位置發(fā)生在制冷電子膨脹閥濾網(wǎng)處。朱亮亮、丁亞?wèn)|［10］等的汽車空調(diào)膨脹閥常見(jiàn)故障分析與排除中詳細(xì)闡述了膨脹閥的常見(jiàn)故障及排除。下一步就需要對(duì)該批次車輛熱泵空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行逐一排查測(cè)試分析，通過(guò)對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析篩選出問(wèn)題車輛及正常車輛，需要對(duì)問(wèn)題車輛制定詳細(xì)的返工處理方案，返工處理完后還需要再一次進(jìn)行測(cè)試分析數(shù)據(jù)，以確保車輛可以正常交付。

2 熱泵空調(diào)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理

在測(cè)試分析該車型熱泵系統(tǒng)前需要先對(duì)該車型的熱泵空調(diào)系統(tǒng)原理有一定的了解，該車型熱泵空調(diào)系統(tǒng)主要零部件包括一個(gè)電動(dòng)壓縮機(jī)、一個(gè)室內(nèi)雙換熱器（冷凝器和蒸發(fā)器）、一個(gè)室外換熱器帶電子風(fēng)扇總成、3個(gè)電子膨脹閥、一個(gè)SOV閥、一個(gè)氣液分離器、一個(gè)chiller和若干空調(diào)管路等。其結(jié)構(gòu)原理圖如下圖1所示。

圖1 該車型熱泵空調(diào)系統(tǒng)及整車熱管理結(jié)構(gòu)原理圖

該系統(tǒng)由乘員艙熱管理系統(tǒng)、機(jī)艙熱管理系統(tǒng)和電池包熱管理系統(tǒng)組成，冷媒側(cè)主要工作模式包括以下6種模式，對(duì)應(yīng)的每個(gè)閥的控制策略如下表1所示。

表1 各主要模式下電子膨脹閥和截止閥控制策略表

3 問(wèn)題車輛的排查

在確認(rèn)堵塞類型為臟堵后，就要制定詳細(xì)的排查方法來(lái)識(shí)別該批次車輛并進(jìn)一步鎖定問(wèn)題車輛的臟堵零部件，為找出臟堵零部件的源頭就需要制定一套詳細(xì)的排查方案。

制定排查流程圖如下圖2所示。

圖2 該批次車輛排查流程圖

4 制定測(cè)試方案

通過(guò)查詢近一周天氣情況，白天以天晴為主，光照較強(qiáng)，環(huán)境溫度30 ℃以上，基本相差不大，故選定白天測(cè)試工況為制冷工況：選擇在上午10點(diǎn)30分后陽(yáng)光充足且溫度接近時(shí)間段進(jìn)行測(cè)試分析，試驗(yàn)工況為，溫度設(shè)定為L(zhǎng)O，風(fēng)量為5檔風(fēng)，外循環(huán)，開(kāi)AC。

夜晚氣溫較低，在15 ℃左右，白天和夜晚溫差大，制熱工況可以選擇在夜晚6點(diǎn)30分以后測(cè)試。

制熱工況：選擇在早晚溫度較低且陽(yáng)光不是很充足的時(shí)間段進(jìn)行測(cè)試分析，試驗(yàn)工況為，溫度設(shè)定為HI，風(fēng)量為5檔風(fēng)，外循環(huán)，開(kāi)AC。

根據(jù)測(cè)試方案對(duì)可疑問(wèn)題車輛進(jìn)行空調(diào)性能測(cè)試，記錄其運(yùn)行時(shí)的冷媒高壓、排氣溫度、壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速和電子膨脹閥開(kāi)度等數(shù)據(jù)并對(duì)比分析。

部分測(cè)試結(jié)果如下表2所示。

表2 測(cè)試數(shù)據(jù)記錄表

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5 分析測(cè)試數(shù)據(jù)

記錄測(cè)試數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析，對(duì)排氣壓力、排氣溫度、壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速和電子膨脹閥開(kāi)度等數(shù)據(jù)異常以及壓縮機(jī)異響的車輛進(jìn)行進(jìn)一步分析，通過(guò)詳細(xì)分析測(cè)試數(shù)據(jù)，得出初步結(jié)論：同測(cè)試工況條件下出現(xiàn)①排氣溫度超過(guò)80 ℃以上，②壓縮機(jī)低轉(zhuǎn)速冷媒高壓力，③高轉(zhuǎn)速異常高壓力大電流等情況下均存在臟堵異常情況，為驗(yàn)證結(jié)論的準(zhǔn)確性，特對(duì)異常車輛零部件進(jìn)行拆解，拆解結(jié)果發(fā)現(xiàn)測(cè)試數(shù)據(jù)異常的車輛均存在臟堵情況，如下圖3所示。

經(jīng)實(shí)車拆解分析發(fā)現(xiàn)，發(fā)現(xiàn)臟堵發(fā)生較多的位置為電子膨脹閥的濾網(wǎng)處（如下圖3）。從圖3可以看出濾網(wǎng)處有許多雜質(zhì)，用手指頭伸進(jìn)濾網(wǎng)處掏一下再拿出來(lái)，明顯能看到手上有一層比較厚的黑色物質(zhì)。

圖3 電子膨脹閥濾網(wǎng)處臟堵圖

下一步需要對(duì)濾網(wǎng)處雜質(zhì)進(jìn)行詳細(xì)的電鏡分析，以確定雜質(zhì)的具體組成成分。

6 鎖定問(wèn)題零部件

將拆下來(lái)的臟堵電子膨脹閥送至檢測(cè)機(jī)構(gòu)進(jìn)行專業(yè)的電鏡分析，對(duì)電子膨脹閥濾網(wǎng)處雜質(zhì)成分進(jìn)行電鏡分析，電鏡結(jié)果顯示最大顆粒尺寸為957.5μm，已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出乘用車空調(diào)系統(tǒng)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)QC/T 945中零部件規(guī)定的清潔度要求；詳細(xì)結(jié)果如下圖4所示，電鏡元素分析結(jié)果顯示，雜質(zhì)成分中元素K、元素Fe和元素C的成分占主要比重；比較復(fù)雜，詳細(xì)結(jié)果如下圖5所示。下一步需要搞清楚這些元素成分是如何進(jìn)入空調(diào)系統(tǒng)零部件內(nèi)的。

圖4 電鏡分析尺寸結(jié)果圖

圖5 電鏡分析元素結(jié)果圖

由電鏡結(jié)果可以看出空調(diào)系統(tǒng)內(nèi)確實(shí)存在較大顆粒的雜質(zhì)，故需要對(duì)已封控的問(wèn)題批次物料進(jìn)行排查識(shí)別，同時(shí)根據(jù)其雜質(zhì)元素成分安排人對(duì)零部件供應(yīng)商生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行緊急審查。對(duì)廠內(nèi)庫(kù)存物料排查過(guò)程中發(fā)現(xiàn)空調(diào)管路管口處存在很多鋁屑及毛刺，如下圖6所示。

圖6 空調(diào)管路管口內(nèi)部鋁屑圖

從以上電鏡分析結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)物料抽查結(jié)果顯示，出問(wèn)題的嫌疑最大的零部件為空調(diào)管路，其次為兩器、chiller、電動(dòng)壓縮機(jī)和氣液分離器。故調(diào)查小組著手開(kāi)始審查供應(yīng)商制造生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，審查結(jié)果證實(shí)確實(shí)存在很多問(wèn)題，具體見(jiàn)下表3所示。

表3 供應(yīng)商現(xiàn)場(chǎng)排查

綜合測(cè)試數(shù)據(jù)結(jié)合拆解零部件以及供應(yīng)商現(xiàn)場(chǎng)檢查情況來(lái)看，此次臟堵事件為零部件清潔度管控不嚴(yán)導(dǎo)致的嚴(yán)重臟堵問(wèn)題。其中空調(diào)管路的臟堵尤為嚴(yán)重，其次為兩器，下一步需對(duì)篩選出的問(wèn)題車輛制定詳細(xì)的返工方案，根據(jù)返工方案進(jìn)行零部件的統(tǒng)一更換，更換后需要再次復(fù)測(cè)，復(fù)測(cè)無(wú)異常后可正常確保交付。

7 倒查技術(shù)文件要求

通過(guò)對(duì)供應(yīng)商現(xiàn)場(chǎng)的排查發(fā)現(xiàn)零部件清潔度要求管控不嚴(yán)才導(dǎo)致此次臟堵事件的爆發(fā)，因此有必要倒查技術(shù)文件要求中各零部件對(duì)清潔度的具體要求。倒查結(jié)果見(jiàn)下表4所示。

表4 各零部件清潔度要求倒查

從表4的倒查結(jié)果可以看出，此次臟堵事件不是一次偶然發(fā)生的事件，而是一次必然會(huì)發(fā)生的事件，前因后果皆已經(jīng)很明顯，要避免此類事件再次發(fā)生，需要設(shè)計(jì)部門、生產(chǎn)部門、質(zhì)量等部門的通力配合。

查到此，似乎還忘了一個(gè)環(huán)節(jié)，就是電子膨脹閥的濾網(wǎng)尺寸，濾網(wǎng)孔尺寸為0.05 mm×0.05 mm規(guī)格，而傳統(tǒng)使用熱力膨脹閥系統(tǒng)的濾網(wǎng)尺寸為0.1 mm×0.1 mm規(guī)格，使用電子膨脹閥系統(tǒng)濾網(wǎng)孔尺寸比傳統(tǒng)熱力膨脹閥濾網(wǎng)孔尺寸縮小一倍，而考慮到此熱泵系統(tǒng)的電子膨脹閥為借用成熟已量產(chǎn)的進(jìn)口件，暫時(shí)不考慮加大濾網(wǎng)孔尺寸，后續(xù)到臺(tái)架上驗(yàn)證縮小濾網(wǎng)孔尺寸后的實(shí)驗(yàn)，當(dāng)前只針對(duì)其他零部件的清潔度做提升計(jì)劃。

8 總結(jié)

本文基于對(duì)一批已下線的問(wèn)題車輛熱泵空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行臟堵排查，鎖定出臟堵零部件，詳細(xì)闡明了此次臟堵事件發(fā)生的根本原因，制定了詳細(xì)的返工方案以確保車輛交付。針對(duì)使用電子膨脹閥系統(tǒng)的濾網(wǎng)尺寸標(biāo)準(zhǔn)，以及是否可以取消電子膨脹閥處濾網(wǎng)，將濾網(wǎng)加在別的零件處，還有待進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)研究。在新能源汽車市場(chǎng)不斷高速發(fā)展的前提下，續(xù)航里程越來(lái)越受到關(guān)注，熱泵對(duì)提升續(xù)航有很大幫助，未來(lái)熱泵空調(diào)系統(tǒng)市場(chǎng)也會(huì)越來(lái)越大，因此，對(duì)于汽車熱泵空調(diào)系統(tǒng)的清潔度顯得尤為重要。