張馳 孫建逵 陸平

（泛亞汽車技術(shù)中心有限公司）

隨著近幾年電動(dòng)新能源汽車的快速發(fā)展，冷卻液液冷電池逐漸成為市場(chǎng)主流[1]。液冷電池普遍采用板式換熱器將電池產(chǎn)熱從冷卻液傳入制冷劑系統(tǒng)，再散入環(huán)境或進(jìn)行余熱回收，電池冷卻側(cè)的節(jié)流機(jī)構(gòu)一般選用電子膨脹閥。無(wú)論是熱泵還是傳統(tǒng)系統(tǒng)，多區(qū)制冷系統(tǒng)都升級(jí)為三蒸發(fā)器并聯(lián)形式。在已有研究[2-8]中，對(duì)三蒸系統(tǒng)中各參數(shù)和電子膨脹閥開度之間的相互影響研究較少。針對(duì)這一問(wèn)題，搭建了車用空調(diào)的三蒸并聯(lián)系統(tǒng)，分析電池冷卻電子膨脹閥開度對(duì)系統(tǒng)的影響，同時(shí)研究系統(tǒng)參數(shù)的變化對(duì)電子膨脹閥開度的影響，旨在為電子膨脹閥的控制穩(wěn)定性提供有效的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)和開發(fā)方向。

1 電動(dòng)汽車空調(diào)三蒸發(fā)器系統(tǒng)

在傳統(tǒng)汽車空調(diào)中，部分車型使用前后2 個(gè)蒸發(fā)器并聯(lián)，使用雙熱力膨脹閥（Thermal Expansion Valve，TXV）。在引入電池冷卻板換后系統(tǒng)將升級(jí)為3 個(gè)蒸發(fā)器并聯(lián)。這一情況無(wú)論在傳統(tǒng)的車用空調(diào)系統(tǒng)還是熱泵系統(tǒng)中都難以避免。圖1 示出三蒸發(fā)器并聯(lián)系統(tǒng)的系統(tǒng)原理圖。制冷劑通過(guò)壓縮機(jī)壓縮后流經(jīng)冷凝器，在冷凝器出口分為三路。第一路和第二路分別為前后蒸發(fā)器路，每路各包括一個(gè)開斷截止閥（Shut-Off Valve，SOV），一個(gè)熱力膨脹閥和一個(gè)微通道換熱器。前后微通道換熱器分別放置于前后空調(diào)箱中。當(dāng)乘客艙空調(diào)不工作時(shí)，可以通過(guò)關(guān)閉開斷截止閥切斷相應(yīng)支路。第三路為電池冷卻路，包含一個(gè)電子膨脹閥和一個(gè)板式換熱器，當(dāng)收到電池冷卻請(qǐng)求時(shí)，電子膨脹閥打開，制冷劑與冷卻液在板式換熱器中換熱，從而冷卻電池。電池水側(cè)由一個(gè)電子水泵串聯(lián)電池冷板和板式換熱器。

圖1 三蒸發(fā)器并聯(lián)系統(tǒng)原理圖

2 測(cè)試系統(tǒng)及試驗(yàn)臺(tái)

圖2 示出系統(tǒng)測(cè)試臺(tái)架原理及實(shí)物圖。其中，主動(dòng)控制元件包括電動(dòng)壓縮機(jī)、電子膨脹閥、電子水泵、電加熱器和2 個(gè)開斷截止閥。所有主動(dòng)控制設(shè)備通過(guò)dSpace 驅(qū)動(dòng)。壓縮機(jī)為L(zhǎng)IN 通訊電動(dòng)壓縮機(jī)，壓縮機(jī)排量為33 cm3，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍為800～8 500 r/min。電子膨脹閥口徑為1.0 mm，使用LIN 通信，開度調(diào)節(jié)范圍為0～576 步。電子水泵為PWM 控制，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍為800～3 900 r/min。電加熱器用以模擬電池發(fā)熱量，使用LIN 通信，最大發(fā)熱量為6 500 W。截止閥通徑為10 mm，高邊12 V 驅(qū)動(dòng)。測(cè)試系統(tǒng)的溫度壓力傳感器位置，如圖2 所示，其測(cè)量范圍和精度，如表1 所示。

系統(tǒng)試驗(yàn)在實(shí)車配管臺(tái)架中進(jìn)行。臺(tái)架為測(cè)試系統(tǒng)提供環(huán)境溫度濕度以及3 個(gè)風(fēng)道，分別為冷凝器風(fēng)道、前蒸發(fā)器風(fēng)道和后蒸發(fā)器風(fēng)道。每個(gè)風(fēng)道都有獨(dú)立的溫濕度風(fēng)量控制系統(tǒng)，其控制范圍和精度，如表2 所示。臺(tái)架提供制冷劑流量計(jì)，其測(cè)量范圍為0～2 180 kg/h，精度為±0.10%。系統(tǒng)充注量為1 200 g。

圖2 實(shí)車配管臺(tái)架圖

表1 傳感器范圍和精度

表2 實(shí)車配管臺(tái)架控制范圍和精度

3 試驗(yàn)與結(jié)果

3.1 試驗(yàn)工況

試驗(yàn)測(cè)試電子膨脹閥在不同工況下不同開度時(shí)，系統(tǒng)各參數(shù)的響應(yīng)，以分析電子膨脹閥和系統(tǒng)參數(shù)之間的相互影響。

試驗(yàn)中，壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速、冷凝器進(jìn)風(fēng)溫濕度、冷凝器風(fēng)量、前蒸進(jìn)風(fēng)溫濕度、前蒸進(jìn)風(fēng)量、后蒸進(jìn)風(fēng)溫濕度、后蒸進(jìn)風(fēng)量、模擬電池發(fā)熱功率為可控對(duì)象。具體工況如表3 所示。

在每個(gè)工況下，分別測(cè)試電池發(fā)熱量1 000 W 和2 000 W 的工況，手動(dòng)調(diào)節(jié)電子膨脹閥開度。

表3 電子膨脹閥測(cè)試工況

3.2 電子膨脹閥開度對(duì)系統(tǒng)的影響

3.2.1 電子膨脹閥開度對(duì)乘客艙空調(diào)的影響

圖4 示出不同工況下電子膨脹閥開度對(duì)空調(diào)各參數(shù)的影響?？梢园l(fā)現(xiàn)，隨著電子膨脹閥開度的增加，系統(tǒng)低壓隨之上升，乘客艙平均出風(fēng)溫度隨之上升，系統(tǒng)能效比（COP）下降。當(dāng)電子膨脹閥開度增加時(shí)，系統(tǒng)總節(jié)流能力下降，導(dǎo)致低壓上升。低壓上升造成乘客艙蒸發(fā)器換熱溫差減小，換熱能力下降，由此導(dǎo)致乘客艙出風(fēng)溫度上升。系統(tǒng)COP 下降一方面是由于乘客艙換熱量減小導(dǎo)致的總散熱量減小，另一方面是由于系統(tǒng)低壓升高，壓縮機(jī)吸氣密度增大，壓縮機(jī)功率上升。

圖4 乘客艙系統(tǒng)參數(shù)與膨脹閥開度的關(guān)系

在試驗(yàn)范圍內(nèi)，閥的不同開度引起的平均低壓變化值為22.4 kPa，平均相對(duì)變化量為4.9%；出風(fēng)溫度平均變化值為0.99 ℃，平均相對(duì)變化量為6.6%；COP 平均下降為6.2%。測(cè)試中壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速由3 000 r/min 增至7 000 r/min 時(shí)，各工況下平均出風(fēng)溫度下降4.7 ℃。表明系統(tǒng)中電子膨脹閥的全范圍變化造成的乘客艙能力損失約為壓縮機(jī)增加842 r/min 造成的能力提升，約為壓縮機(jī)總轉(zhuǎn)速的10%。

3.2.2 電子膨脹閥開度對(duì)電池冷卻的影響

圖5 示出不同工況下膨脹閥開度對(duì)電池冷卻側(cè)各個(gè)參數(shù)的影響。可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)閥開度較大時(shí)，板換出口沒(méi)有過(guò)熱度，板換出口水溫在沒(méi)有過(guò)冷度階段保持穩(wěn)定。這是因?yàn)?，?dāng)板換出口沒(méi)有過(guò)熱度時(shí)，板換內(nèi)部冷媒側(cè)的壁面溫度在整個(gè)流程中都保持低壓飽和溫度，由于閥的開度對(duì)系統(tǒng)低壓的影響較小，此時(shí)對(duì)板換水側(cè)換熱能力的影響也較小。此時(shí)由于板換中制冷劑流量過(guò)大，可能導(dǎo)致壓縮機(jī)濕壓縮。

圖5 電池冷卻系統(tǒng)參數(shù)與膨脹閥開度的關(guān)系

隨著閥開度的逐漸減小，電池冷卻側(cè)的制冷劑流量逐漸減小，板換出口逐漸出現(xiàn)過(guò)熱度，同時(shí)水溫逐漸上升。圖6 示出水溫上升量與過(guò)熱度之間的關(guān)系。可以發(fā)現(xiàn)，兩者關(guān)系有較強(qiáng)的一致性。定義擬合公式，如式（1）所示。

線性擬合得到在過(guò)熱度在0～10 ℃范圍內(nèi)，k 為0.38，在過(guò)熱度大于10 ℃時(shí)，k 為1.16。分析可知，當(dāng)系統(tǒng)中過(guò)熱度增加時(shí)，板式換熱器后段出現(xiàn)單相氣體，單相氣體一方面溫度高，一方面換熱系數(shù)小，會(huì)導(dǎo)致板換整體換熱能力下降。為了保證足夠的換熱量，需要增加水側(cè)與制冷劑側(cè)的溫差以加強(qiáng)換熱，因此系數(shù)k 表征板換換熱能力的下降速度?？梢园l(fā)現(xiàn)，過(guò)熱度在大于10 ℃時(shí)板換換熱能力下降的速度要大于過(guò)熱度在0～10 ℃時(shí)板換換熱能力下降的速度。因此將過(guò)熱度控制在0～10 ℃被認(rèn)為是較好的目標(biāo)，既保證板換的換熱能力，又防止壓縮機(jī)濕壓縮。

3.3 系統(tǒng)對(duì)電子膨脹閥的影響

研究將電子膨脹閥的控制目標(biāo)定為過(guò)熱度10 ℃，以同時(shí)保證壓縮機(jī)進(jìn)口過(guò)熱度和板換換熱能力。試驗(yàn)通過(guò)系統(tǒng)設(shè)定變化，研究空調(diào)側(cè)設(shè)定及電池冷卻能量對(duì)電子膨脹閥穩(wěn)定開度的影響。

圖6 水溫上升量與過(guò)熱度之間的關(guān)系

3.3.1 空調(diào)設(shè)定的影響

圖7 示出不同空調(diào)設(shè)定對(duì)電子膨脹閥穩(wěn)定開度的影響。可以發(fā)現(xiàn)，蒸發(fā)器風(fēng)量變化對(duì)電子膨脹閥穩(wěn)定開度影響很小，在測(cè)試范圍內(nèi)，電子膨脹閥的穩(wěn)定開度隨風(fēng)量變化最大值為10 步。當(dāng)空調(diào)處于內(nèi)循環(huán)時(shí)，空調(diào)箱從車內(nèi)吸氣，造成吸氣溫度不同，試驗(yàn)通過(guò)改變蒸發(fā)器進(jìn)氣溫濕度模擬空調(diào)內(nèi)外循環(huán)變化，100 表示內(nèi)循環(huán)，0表示外循環(huán)?？梢园l(fā)現(xiàn)，內(nèi)外循環(huán)位置變化對(duì)電子膨脹閥穩(wěn)定開度影響很小，在測(cè)試范圍內(nèi)，電子膨脹閥的穩(wěn)定開度隨風(fēng)量變化最大值為10 步。乘客設(shè)定溫度影響目標(biāo)蒸發(fā)器溫度，直接影響壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速，試驗(yàn)通過(guò)不同的壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速模擬不同的乘客溫度設(shè)定?？梢园l(fā)現(xiàn)，壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)電子膨脹閥穩(wěn)定開度影響很小，在測(cè)試范圍內(nèi)，電子膨脹閥的穩(wěn)定開度隨風(fēng)量變化最大值為15 步。

圖7 空調(diào)設(shè)定對(duì)膨脹閥穩(wěn)定開度的影響

3.3.2 電池發(fā)熱量的影響

試驗(yàn)中使用電加熱器模擬電池發(fā)熱量。圖8 示出不同電池模擬發(fā)熱量對(duì)電子膨脹閥穩(wěn)定開度的影響?？梢园l(fā)現(xiàn)，電池發(fā)熱量由1 000 W 增加至2 000 W 的過(guò)程中，電子膨脹閥穩(wěn)定開度顯著增加。在測(cè)試范圍內(nèi)，其平均穩(wěn)定開度從384 步增加到454 步，占總步數(shù)的12.2%。在1 000 W 工況下，閥的穩(wěn)定開度絕對(duì)波動(dòng)為10 步，相對(duì)波動(dòng)為2.6%。在2 000 W 工況下，閥的穩(wěn)定開度絕對(duì)波動(dòng)為35 步，相對(duì)波動(dòng)為7.7%。

圖8 電池發(fā)熱量對(duì)膨脹閥穩(wěn)定開度的影響

綜上研究表明，電池發(fā)熱量對(duì)電子膨脹閥穩(wěn)定開度的影響遠(yuǎn)大于乘客空調(diào)設(shè)定對(duì)閥穩(wěn)定開度的影響。

4 結(jié)論

研究了電動(dòng)車輛三蒸發(fā)器并聯(lián)系統(tǒng)中電子冷卻流路電子膨脹閥的開度與系統(tǒng)各參數(shù)的相互關(guān)系。搭建三蒸發(fā)器系統(tǒng)臺(tái)架，在實(shí)車典型工況下進(jìn)行研究。研究結(jié)論為電池冷卻路電子膨脹閥的控制提供了重要的指導(dǎo)方向。具體研究結(jié)論包括：

1）電子膨脹閥開度對(duì)空調(diào)系統(tǒng)的影響相對(duì)較小。試驗(yàn)范圍內(nèi)，閥開度增大會(huì)造成系統(tǒng)低壓上升為4.9%，乘客艙出風(fēng)溫度上升0.99 ℃，系統(tǒng)COP 下降6.2%。由閥引起的出風(fēng)溫度損失完全可以通過(guò)提升壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速?gòu)浹a(bǔ)，約提升壓縮機(jī)總轉(zhuǎn)速的10%。

2）電子膨脹閥開度減小會(huì)造成電池冷卻流路板式換熱器制冷劑出口過(guò)熱度和出口水溫增加。當(dāng)過(guò)熱度大于10 ℃時(shí)，板式換熱器的換熱能力快速下降。建議將板換出口過(guò)熱度控制在10 ℃以內(nèi)。

3）乘客艙空調(diào)設(shè)定對(duì)電子膨脹閥穩(wěn)定后的開度影響較小。在包括不同前后蒸發(fā)器風(fēng)量，內(nèi)外循環(huán)，設(shè)定溫度范圍內(nèi)，電子膨脹閥穩(wěn)定后的開度波動(dòng)最大為15步，占總步數(shù)的2.6%。建議三蒸系統(tǒng)中電子膨脹閥的的控制無(wú)需考慮空調(diào)側(cè)的影響。

4）電池發(fā)熱量對(duì)電子膨脹閥穩(wěn)定開度的影響較大，占總步數(shù)的12.2%。