輕型商用車電池液冷空調系統制冷劑充注量計算及試驗

【摘 要】結合理論計算和試驗，探究某插電式混合動力輕型商用車電池液冷空調系統制冷劑最佳充注量，通過在乘員艙和電池雙制冷模式、乘員艙單制冷模式分別進行冷媒加注量試驗，分析充注量與空調系統內吸、排氣壓力、過冷度、過熱度等性能參數的關系和變化趨勢。分析結果：乘員艙單冷模式下最佳充注量為525g，而在乘員艙和電池雙冷模式下為575g，與系統理論加注量計算結果誤差5%以內。在此空調系統最佳充注量下，整車環境模擬試驗各工況出風口溫度可達12℃以下，乘員艙內頭部平均溫度最低可達25℃。

【關鍵詞】過冷度；過熱度；最佳充注量

中圖分類號：U463.851 文獻標識碼：A 文章編號：1003-8639（ 2024 ）10-0075-03

Calculation and Test of Refrigerant Filling Amount of a Light

Commercial Vehicle Battery Liquid-cooled Air Conditioning System

WU Chunlai

（Anhui Jianghuai Automobile Co.，Ltd.，Hefei 230601，China）

【Abstract】Combined with theoretical calculation and test，explore the optimal recharge amount of refrigerant in the battery liquid-cooled air-conditioning system of a plug-in hybrid light commercial vehicle. Through the refrigerant filling test in the passenger cabin and battery dual refrigeration mode and the passenger cabin single refrigeration mode，the recharge amount and the internal suction，exhaust pressure，overcooling，overheating，etc. of the air conditioning system are analyzed. The relationship and change trend of performance parameters. Analysis results： The optimal charge amount in the single cold mode of the crew cabin is 525g，while that in the dual cold mode of the cabin and battery is 575g，with an error of less than 5% of the calculation results of the system theoretical filling amount. Under the optimal charging capacity of this air conditioning system，the air outlet temperature of each working condition of the vehicle environmental simulation test can reach less than 12℃，and the average head temperature in the cabin can reach a minimum of 25℃.

【Key words】overcooling；overheating；the best amount of charging

作者簡介

吳春來（1985—），男，工程師，從事汽車空調、熱管理設計開發工作。

1 前言

汽車產品的快速迭代和升級需求使得汽車空調技術也不斷改進和完善。汽車空調已不再是單純用于乘員艙制冷、制暖等舒適性功能，還涉及到整車電池液冷、液熱等相關的熱管理功能。特別是隨著新能源車的發展，動力電池超級快充的應用，汽車空調通過LLC冷卻液作為冷卻介質，來控制電池的溫度平衡，擔負起電池液冷的功能。

在空調制冷系統中，制冷劑在制冷系統中起著傳遞熱量的作用，通過制冷劑的循環流動將熱量從駕駛艙內或電芯帶走并通過冷凝器排放到室外。制冷劑的充注量是至關重要的因素，制冷劑充注量不足或過多都會對系統的性能產生負面影響。制冷劑充注量過多時會導致排氣壓力過高、散熱不良等，嚴重時會對系統部件造成破壞，增加壓縮機的運行負擔，甚至增加壓縮機能耗；制冷劑充注量不足時，蒸發器內的制冷劑液體僅流經半程就全部蒸發為氣體，造成蒸發熱度過大，進入壓縮機氣體溫度過高，進而導致排氣溫度過高，導致空調制冷效果不良。合理的制冷劑充注量不僅可以確保系統的高效運行，還能延長系統的使用壽命。通過合理調整制冷劑的充注量，可以降低壓縮機的能耗，減少磨損，從而延長系統的使用壽命。因此，合適的制冷劑充注量對空調系統性能、運行效率及部件可靠性具有重要意義。

2 輕型商用車液冷空調系統

2.1 液冷空調系統原理

本文的研究對象是輕型商用車插電式混合動力電池液冷空調系統。液冷系統架構如圖1所示。

本熱管理系統主要包括劑側和水側兩個循環回路，劑側主要由渦旋式電動壓縮機、室內蒸發器、室外冷凝器、電磁閥、電池冷卻器等組成，通過2個電磁閥的通斷配合來切換單制冷和雙制冷。水側主要包括電池冷卻器、板式換熱器、WPTC、水泵和補液壺，由水泵產生水路循環。

2.1.1 制冷模式

1）乘員艙單獨制冷：空調控制器發出AC請求至VCU，控制開啟壓縮機和冷凝器風扇，并打開乘員艙的電磁閥，關閉電池冷卻器電磁閥。

2）動力電池單獨制冷：VCU根據電池制冷請求，開啟空調壓縮機、冷凝器，并關閉乘員艙的電磁閥，打開電池冷卻器電磁閥，開啟電池冷卻器水側水泵。

3）乘員艙和動力電池同時制冷：VCU根據乘員艙AC請求和電池液冷需求，控制開啟空調壓縮機、冷凝器，同時打開乘員艙的電磁閥、電池冷卻器電磁閥，并開啟電池冷卻器水側水泵。

2.1.2 保護策略

1）蒸發溫度保護：當蒸發器表面溫度傳感器溫度低于1.3℃時，VCU主動關閉乘員艙側制冷需求，控制對應壓縮機轉速調節，同時關閉乘員艙側電磁閥。

2）電池最強制冷模式：判定電池熱失控時，即電芯溫度大于≥45℃且30s后溫度還在上升，強制進入動力電池單獨制冷模式，此時壓縮機轉速按最高運行，并關閉乘員艙側電磁閥。

3）系統壓力保護：系統采用三元壓力開關，高于3.14MPa或者低于0.196MPa時，不允許壓縮機運行。

4）液冷結霜保護：單電池進水溫度低于20℃時，VCU主動關閉電池冷卻需求，控制對應壓縮機轉速并關閉電池冷卻器電磁閥。

2.2 液冷空調系統主要組成

本車型空調系統壓縮機選用汽車用渦旋式電動壓縮機，具體參數詳見表1。

室內蒸發器為單排12微通道換熱器，外形尺寸（長×寬×高）為301mm×195mm×38mm；室外冷凝器為單排12微通道換熱器，外形尺寸（長×寬×高）為539mm×363mm×16mm；電磁冷卻器選用單排四微通道換熱器，外形尺寸（長×寬×高）為91mm×62mm×49mm。駕駛艙和電池冷卻器2個膨脹閥均為熱力膨脹閥，電磁閥均為直流24V低邊驅動常開型通斷閥，系統制冷劑類型為R134a制冷劑。

3 制冷劑充注量理論計算

空調系統制冷劑充注量的計算方法主要有兩種：質量法和容積法。所謂質量法是根據系統所需的制冷量、室內外溫度和空氣濕度等參數計算制冷劑的充注量。容積法則是根據制冷系統的零部件容積和制冷劑的密度來計算充注量。本文主要采用容積法計算，即采用制冷劑充注量占系統各部件內容積百分比的值估算總的制冷劑充注量。電池液冷空調系統的制冷劑充注量等于室內蒸發器、室外冷凝器、儲液干燥器、電池冷卻器和高壓側、低壓側各管路等部件的充注量之和。各部件制冷劑充注量所占內容積比例見表2，本車型液冷空調系統主要部件的內容積測量見表3。

根據上述主要部件內容積和制冷劑的占比參數，電池液冷空調系統制冷劑充注量理論計算如下：

Σm=m1+m2+m3+m4+m5+m6

=1.207×（371×22%+441×27%+32×22%+205×70%+

298×27%+333×14%）

=1.207×478.31

=577.3（g）

內容積計算法只能得出本系統大概的制冷劑正常循環狀態系的充注量，系統制冷劑最佳充注量則需要根據系統最小冷媒循環量、最大冷媒循環量工況試驗進一步驗證。

4 試驗結果與分析

4.1 試驗方法

電池液冷空調系統制冷劑充注量試驗方法，較傳統燃油車空調系統單乘員艙制冷空調系統的制冷劑充注量試驗方法不同，不同的試驗工況對制冷劑最佳充注量至關重要，需要確定系統的最大運行充注量和最小運行充注量的工況。系統最大運行充注量對應乘員艙制冷加電池冷卻同時制冷的運行模式，系統最小運行充注量對應乘員艙單獨制冷運行模式，最終確定的充注量標定試驗工況見表4，制冷劑從250g起開始充注，分別為275g、300g、325g、350g、375g、400g、425g、450g、475g、500g、525g、550g、600g、625g、650g、675g、700g。試驗前對系統進行抽真空、保壓，分別在雙冷和單冷模式下監測系統的吸排氣壓力、吸排氣溫度、儀表臺出風口溫度、乘員艙頭部溫度、過冷過熱度等。

4.2 乘員艙單冷模式試驗數據分析

圖2為乘員艙單冷模式下空調系統的吸排氣壓力、過冷度、過熱度、膨脹閥進出口溫度隨充注量變化的曲線。在乘員艙單冷模式下，隨著制冷劑充注量的逐漸增加，壓縮機排氣壓力隨之正常上升，而壓縮機吸氣壓力基本保持在0.4MPa左右；在制冷劑充注量275～425g范圍時，排氣壓力緩慢上升；在充注量425～550g之間時，排氣壓力基本穩定在1.75MPa左右；當充注量超過550g后，排氣壓力開始急劇升高，產生突變效應。

蒸發器出口過熱度和冷凝器出口過冷度也是空調系統制冷劑充注量是否合適的重要判斷指標。當系統內制冷劑很少時，冷媒循環量不足，冷凝器出口的過冷度很小，蒸發器出口的過熱度很大，直接影響到空調系統的制冷效果，系統部件因得不到合理的冷卻而對系統部件運行壽命不利。隨著制冷劑充注量的不斷增加，冷媒循環量逐漸增大，冷凝器過冷度逐漸增加，蒸發器過熱度逐漸降低。

在乘員艙單冷模式下，充注量在425～525g范圍內時，冷凝器過冷度和蒸發器過熱度曲線相對平穩并且于充注量425g時相交，在此充注量范圍內，系統內制冷劑慢慢趨于飽和，冷凝器和蒸發器的有效換熱面積逐漸得到充分利用。排氣壓力和過冷度在525g之后有明顯抬升，蒸發器過熱度在5～10℃，冷凝器過冷度在5℃以上時比較理想；充注量在450～525g區間時，吸排氣壓力、過冷度、過熱度、膨脹閥進出口溫度曲線基本都是平穩的。因此，選取冷凝器過冷度和蒸發器過熱度相對穩定的充注量范圍為系統在當前工況下的最佳充注量，即乘員艙單冷模式下的最佳充注量為450～525g。

4.3 乘員艙和電池雙冷模式試驗數據分析

乘員艙和電池雙冷模式時，制冷劑經壓縮機壓縮至室外冷凝器，經室外冷凝器冷凝后，制冷劑通過2個并聯的熱力膨脹閥分別進入室內蒸發器、電池冷卻器，制冷劑吸熱后給駕駛艙和電池產生制冷效果。圖3為乘員艙和電池雙制冷模式的加注量試驗結果。隨著制冷劑充注量的逐漸增加，壓縮機吸氣壓力基本保持在0.4MPa左右，而排氣壓力隨著加注量的增加緩慢上升，在制冷劑充注量275～425g時，排氣壓力正常上升；在充注量425～575g之間時，基本穩定在1.7MPa左右；當充注量超過600g后，排氣壓力開始急劇升高。

在乘員艙和電池雙冷模式下，充注量在425～575g范圍內時，過冷度和過熱度曲線相對平穩并且于充注量425g相交；蒸發器出口過熱度在充注量400g之前下降較快；在400g之后蒸發器出口過熱度下降明顯變緩，蒸發器的有效換熱面積基本得到充分利用；排氣壓力和冷凝器過冷度在575g之后有明顯抬升。蒸發器過熱度在5～10℃，冷凝器過冷度在5℃以上時比較理想，在425～575g區間，所有曲線i9mQ1/69ujGYM4lCrl6jtA==基本上都處于平穩狀態。因此，乘員艙和電池雙冷模式下的最佳充注量范圍為425～575g。

5 結論

本文研究了不同工況下某電池液冷車型空調系統的冷媒充注量試驗，研究了不同制冷工況下的制冷劑充注量對吸排氣壓力、過冷度、過熱度等系統關鍵參數的影響和變化趨勢，確定了系統正常工作所需的最小、最大制冷劑充注量，并得出該車型的量產冷媒充注量。

1）駕駛艙單冷模式下，通過判斷冷凝器出口過冷度和空調系統高壓壓力確定最優的制冷劑加注量范圍為425～525g，范圍寬度為100g。

2）駕駛艙和電池雙冷模式下，通過判斷冷凝器出口過冷度和空調系統高壓壓力確定最優的制冷劑加注量范圍425～575g，范圍寬度150g。

3）通過試驗測試和理論計算相結合，同時考慮實際系統的年泄漏量等因素，最終選取該車型實際充注量為550g。在該充注量狀態下，所有曲線基本上都是平穩狀態。

4）在雙冷模式下，系統的制冷劑充注量需求較單冷模式較多。

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（編輯 楊凱麟）