新能源汽車熱泵空調控制系統設計實現

齊湘斌

摘 要：汽車空調系統作為改善駕駛員工作條件、提高工作效率、提高汽車安全性及為乘員營造健康舒適的乘車環境的重要手段，對燃油汽車和電動汽車而言，都是必不可少的。現階段純電動汽車對熱泵型汽車空調系統需要既高效節能又滿足其變負荷運行特性。

關鍵詞：熱泵空調系統;換熱器;控制系統

1 測試系統

為了探究熱泵型汽車空調循環系統中各個關鍵測點的運行狀態，需要在壓縮機、冷凝器、蒸發器、電子膨脹閥的進出口布置溫度測點和壓力測點。溫度測試采用J型熱電偶，其型號為TT-J-30-SL，量程為-200℃～260℃，精度為±0.1℃，采用安捷倫34972A數據采集儀進行采集。其中布置在壓縮機進出口，換熱器進出口的熱電偶與銅管表面緊密接觸，并用錫箔紙貼緊固定后外表面包裹絕熱材料以減少環境溫度對測量的影響，保證其測量精度。壓力測試采用壓力傳感器，型號為昆SK-2031系列，量程0～4 Mpa，精度為0.5級別，數據顯示采用數字信號巡檢儀。制冷劑流量測試采用數顯式渦輪流量計，型號為KROHNE渦輪流量計（VFM1091G），量程為0～900 kg/h，精度為0.5級。

由于本試驗既有制冷工況又有熱泵工況，因此《蒸發器和冷凝器進風口的空氣狀態比汽車空調制冷裝置試驗方法技術標準》要求更為寬泛。鑒于現階段并沒有關于熱泵型汽車空調性能測試的國家標準，根據國家標準《房間空氣調節器中的測試工況》制定了熱泵型汽車空調系統穩態測試工況，如表所示。

2 實驗結果分析

2.1 電子膨脹閥對系統性能影響

電子膨脹閥對系統的蒸發溫度，壓縮機排氣溫度以及系統性能都起著決定性的作用。在壓縮機定速的情況下，壓縮比和排氣溫度隨蒸發壓力變化而變化。

在壓縮機轉速不變的情況下，通過加大電子膨脹閥的開度，蒸發壓力由0.316 MPa增加到0.386 MPa，同時排氣壓力基本不變，因此壓縮機壓比隨蒸發壓力的增大而下降。隨著蒸發壓力的增大，壓比越小，排氣溫度越低。當蒸發器過熱度大時，過熱度變化較大，適合過熱度控制模式。當蒸發器出口處制冷劑進入兩相區，過熱度恒為零，過熱度控制模式無法給出合適的信號調節電子膨脹閥開度，這種情況下可以采用壓縮機的排氣溫度這一輔助信號來調節電子膨脹閥的開度。當排氣溫度急劇減小時，減小電子膨脹閥的開度，減少供液量，防止出現液擊。

2.2 穩態工況測試結果

為了研究在室內溫度穩定、室外溫度變化工況下汽車空調系統性能特性和膨脹閥與變速壓縮機協同控制策略，試驗采用壓縮機變轉速和定轉速兩種運行方式進行穩態工況性能測試。根據工況變化范圍確定一個適宜的壓縮機轉速，通過調整電子膨脹閥開度使空調系統獲得最佳COP。在制冷工況：其中系統采用定速模式時，壓縮機轉速大致固定在680 rpm 左右，采用變轉速模式時，壓縮機轉速由 620 rpm 到 710 rpm 范圍內變化。在制熱工況：其中系統采用定速模式時，壓縮機轉速大致固定在 1 100 rpm左右，采用變速模式時，壓縮機轉速由 750 rpm 到 1500 rpm 范圍內變化。

（1）穩態制冷工況下系統性能分析。在系統獲得最佳 COP 的情況下，隨著室外干球溫度不斷上升，不同模式下膨脹閥開度的變化情況，當室外干球溫度上升時，冷凝器的冷凝壓力也隨之上升，而室內溫度分布場以及系統的蒸發壓力和吸氣壓力均可以保持相對穩定。在變速模式下，當室外干球溫度由 35℃上升到 43℃，壓縮機轉速由 623 ?rpm 增大到 711 rpm，電子膨脹閥開度則由 47.6%減小到 37.3%。在定轉速模式下，當室外干球溫度由 35℃上升到 43℃，壓縮機轉速保持 680 rpm 不變，電子膨脹閥開度則由 46.8%減小到 40%以保持穩定的蒸發溫度。

（2）制熱工況下系統性能。制熱工況下，不同模式下制熱量及 COP 關系隨室外干球溫度關系，在變速模式下，當室外干球溫度由 15℃下降到 5℃，制熱量及 COP 同時由于蒸發溫度的下降而直線下降。在定速模式下，隨著室外干球溫度的下降，制熱量下降趨勢更快，但 COP 下降趨勢比變速模式較為緩慢，當室外干球溫度由 15℃下降到 5℃，采用變速模式，在室外干球溫度較高時，可以通過降低壓縮機的轉速減少壓縮機的耗功，最終獲得較高的 COP;在室外干球溫度較低時，通過提高壓縮機的轉速保證足夠制冷劑流量，最終獲得較高的制熱量。采用定轉速模式時，當室外干球溫度由15℃下降到 5℃，制熱量下降較快，與熱負荷的需求趨勢完全相反。因此，在制熱工況下，特別是室外溫度較低時，應采用變轉速模式運行，但考慮到室外溫度變化一般不會太大，檢測和調節的頻率不應太大，以保證系統的穩定性。

3 結論

汽車空調電子膨脹閥對系統的蒸發溫度，壓縮機排氣溫度以及系統性能都起著決定性的作用。在制冷工況下，隨著室外冷凝溫度的升高，采用變速模式能使微通道式熱泵系統保持較高的 COP（2.88-2.61-2.54-2.28），而采用定速模式時，系統的制冷量（4 036 W-4 000 W-3 953 W-3 879 W）和系統的 COP（2.71-2.61-2.53-2.42）都保持著比較平穩的下降趨勢;在制熱工況下，隨著室外蒸發溫度的下降，變速模式在高溫區能保持較高的 COP（2.94），同時在低溫區能亦能保持較高的制熱量（4 524 W）。

參考文獻：

[1]張益壯，李風雷，李玉欣，新能源汽車空調電動壓縮機控制技術研究[J].上海電氣技術，2019，6（02）：14.