電子膨脹閥在新能源車三蒸系統中的性能研究

張馳 孫建逵 陸平

（泛亞汽車技術中心有限公司）

隨著近幾年電動新能源汽車的快速發展，冷卻液液冷電池逐漸成為市場主流[1]。液冷電池普遍采用板式換熱器將電池產熱從冷卻液傳入制冷劑系統，再散入環境或進行余熱回收，電池冷卻側的節流機構一般選用電子膨脹閥。無論是熱泵還是傳統系統，多區制冷系統都升級為三蒸發器并聯形式。在已有研究[2-8]中，對三蒸系統中各參數和電子膨脹閥開度之間的相互影響研究較少。針對這一問題，搭建了車用空調的三蒸并聯系統，分析電池冷卻電子膨脹閥開度對系統的影響，同時研究系統參數的變化對電子膨脹閥開度的影響，旨在為電子膨脹閥的控制穩定性提供有效的數據基礎和開發方向。

1 電動汽車空調三蒸發器系統

在傳統汽車空調中，部分車型使用前后2 個蒸發器并聯，使用雙熱力膨脹閥（Thermal Expansion Valve，TXV）。在引入電池冷卻板換后系統將升級為3 個蒸發器并聯。這一情況無論在傳統的車用空調系統還是熱泵系統中都難以避免。圖1 示出三蒸發器并聯系統的系統原理圖。制冷劑通過壓縮機壓縮后流經冷凝器，在冷凝器出口分為三路。第一路和第二路分別為前后蒸發器路，每路各包括一個開斷截止閥（Shut-Off Valve，SOV），一個熱力膨脹閥和一個微通道換熱器。前后微通道換熱器分別放置于前后空調箱中。當乘客艙空調不工作時，可以通過關閉開斷截止閥切斷相應支路。第三路為電池冷卻路，包含一個電子膨脹閥和一個板式換熱器，當收到電池冷卻請求時，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。電池水側由一個電子水泵串聯電池冷板和板式換熱器。

圖1 三蒸發器并聯系統原理圖

2 測試系統及試驗臺

圖2 示出系統測試臺架原理及實物圖。其中，主動控制元件包括電動壓縮機、電子膨脹閥、電子水泵、電加熱器和2 個開斷截止閥。所有主動控制設備通過dSpace 驅動。壓縮機為LIN 通訊電動壓縮機，壓縮機排量為33 cm3，轉速調節范圍為800～8 500 r/min。電子膨脹閥口徑為1.0 mm，使用LIN 通信，開度調節范圍為0～576 步。電子水泵為PWM 控制，轉速調節范圍為800～3 900 r/min。電加熱器用以模擬電池發熱量，使用LIN 通信，最大發熱量為6 500 W。截止閥通徑為10 mm，高邊12 V 驅動。測試系統的溫度壓力傳感器位置，如圖2 所示，其測量范圍和精度，如表1 所示。

系統試驗在實車配管臺架中進行。臺架為測試系統提供環境溫度濕度以及3 個風道，分別為冷凝器風道、前蒸發器風道和后蒸發器風道。每個風道都有獨立的溫濕度風量控制系統，其控制范圍和精度，如表2 所示。臺架提供制冷劑流量計，其測量范圍為0～2 180 kg/h，精度為±0.10%。系統充注量為1 200 g。

圖2 實車配管臺架圖

表1 傳感器范圍和精度

表2 實車配管臺架控制范圍和精度

3 試驗與結果

3.1 試驗工況

試驗測試電子膨脹閥在不同工況下不同開度時，系統各參數的響應，以分析電子膨脹閥和系統參數之間的相互影響。

試驗中，壓縮機轉速、冷凝器進風溫濕度、冷凝器風量、前蒸進風溫濕度、前蒸進風量、后蒸進風溫濕度、后蒸進風量、模擬電池發熱功率為可控對象。具體工況如表3 所示。

在每個工況下，分別測試電池發熱量1 000 W 和2 000 W 的工況，手動調節電子膨脹閥開度。

表3 電子膨脹閥測試工況

3.2 電子膨脹閥開度對系統的影響

3.2.1 電子膨脹閥開度對乘客艙空調的影響

圖4 示出不同工況下電子膨脹閥開度對空調各參數的影響。可以發現，隨著電子膨脹閥開度的增加，系統低壓隨之上升，乘客艙平均出風溫度隨之上升，系統能效比（COP）下降。當電子膨脹閥開度增加時，系統總節流能力下降，導致低壓上升。低壓上升造成乘客艙蒸發器換熱溫差減小，換熱能力下降，由此導致乘客艙出風溫度上升。系統COP 下降一方面是由于乘客艙換熱量減小導致的總散熱量減小，另一方面是由于系統低壓升高，壓縮機吸氣密度增大，壓縮機功率上升。

圖4 乘客艙系統參數與膨脹閥開度的關系

在試驗范圍內，閥的不同開度引起的平均低壓變化值為22.4 kPa，平均相對變化量為4.9%；出風溫度平均變化值為0.99 ℃，平均相對變化量為6.6%；COP 平均下降為6.2%。測試中壓縮機轉速由3 000 r/min 增至7 000 r/min 時，各工況下平均出風溫度下降4.7 ℃。表明系統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增加842 r/min 造成的能力提升，約為壓縮機總轉速的10%。

3.2.2 電子膨脹閥開度對電池冷卻的影響

圖5 示出不同工況下膨脹閥開度對電池冷卻側各個參數的影響。可以發現，當閥開度較大時，板換出口沒有過熱度，板換出口水溫在沒有過冷度階段保持穩定。這是因為，當板換出口沒有過熱度時，板換內部冷媒側的壁面溫度在整個流程中都保持低壓飽和溫度，由于閥的開度對系統低壓的影響較小，此時對板換水側換熱能力的影響也較小。此時由于板換中制冷劑流量過大，可能導致壓縮機濕壓縮。

圖5 電池冷卻系統參數與膨脹閥開度的關系

隨著閥開度的逐漸減小，電池冷卻側的制冷劑流量逐漸減小，板換出口逐漸出現過熱度，同時水溫逐漸上升。圖6 示出水溫上升量與過熱度之間的關系。可以發現，兩者關系有較強的一致性。定義擬合公式，如式（1）所示。

線性擬合得到在過熱度在0～10 ℃范圍內，k 為0.38，在過熱度大于10 ℃時，k 為1.16。分析可知，當系統中過熱度增加時，板式換熱器后段出現單相氣體，單相氣體一方面溫度高，一方面換熱系數小，會導致板換整體換熱能力下降。為了保證足夠的換熱量，需要增加水側與制冷劑側的溫差以加強換熱，因此系數k 表征板換換熱能力的下降速度。可以發現，過熱度在大于10 ℃時板換換熱能力下降的速度要大于過熱度在0～10 ℃時板換換熱能力下降的速度。因此將過熱度控制在0～10 ℃被認為是較好的目標，既保證板換的換熱能力，又防止壓縮機濕壓縮。

3.3 系統對電子膨脹閥的影響

研究將電子膨脹閥的控制目標定為過熱度10 ℃，以同時保證壓縮機進口過熱度和板換換熱能力。試驗通過系統設定變化，研究空調側設定及電池冷卻能量對電子膨脹閥穩定開度的影響。

圖6 水溫上升量與過熱度之間的關系

3.3.1 空調設定的影響

圖7 示出不同空調設定對電子膨脹閥穩定開度的影響。可以發現，蒸發器風量變化對電子膨脹閥穩定開度影響很小，在測試范圍內，電子膨脹閥的穩定開度隨風量變化最大值為10 步。當空調處于內循環時，空調箱從車內吸氣，造成吸氣溫度不同，試驗通過改變蒸發器進氣溫濕度模擬空調內外循環變化，100 表示內循環，0表示外循環。可以發現，內外循環位置變化對電子膨脹閥穩定開度影響很小，在測試范圍內，電子膨脹閥的穩定開度隨風量變化最大值為10 步。乘客設定溫度影響目標蒸發器溫度，直接影響壓縮機轉速，試驗通過不同的壓縮機轉速模擬不同的乘客溫度設定。可以發現，壓縮機轉速對電子膨脹閥穩定開度影響很小，在測試范圍內，電子膨脹閥的穩定開度隨風量變化最大值為15 步。

圖7 空調設定對膨脹閥穩定開度的影響

3.3.2 電池發熱量的影響

試驗中使用電加熱器模擬電池發熱量。圖8 示出不同電池模擬發熱量對電子膨脹閥穩定開度的影響。可以發現，電池發熱量由1 000 W 增加至2 000 W 的過程中，電子膨脹閥穩定開度顯著增加。在測試范圍內，其平均穩定開度從384 步增加到454 步，占總步數的12.2%。在1 000 W 工況下，閥的穩定開度絕對波動為10 步，相對波動為2.6%。在2 000 W 工況下，閥的穩定開度絕對波動為35 步，相對波動為7.7%。

圖8 電池發熱量對膨脹閥穩定開度的影響

綜上研究表明，電池發熱量對電子膨脹閥穩定開度的影響遠大于乘客空調設定對閥穩定開度的影響。

4 結論

研究了電動車輛三蒸發器并聯系統中電子冷卻流路電子膨脹閥的開度與系統各參數的相互關系。搭建三蒸發器系統臺架，在實車典型工況下進行研究。研究結論為電池冷卻路電子膨脹閥的控制提供了重要的指導方向。具體研究結論包括：

1）電子膨脹閥開度對空調系統的影響相對較小。試驗范圍內，閥開度增大會造成系統低壓上升為4.9%，乘客艙出風溫度上升0.99 ℃，系統COP 下降6.2%。由閥引起的出風溫度損失完全可以通過提升壓縮機轉速彌補，約提升壓縮機總轉速的10%。

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

3）乘客艙空調設定對電子膨脹閥穩定后的開度影響較小。在包括不同前后蒸發器風量，內外循環，設定溫度范圍內，電子膨脹閥穩定后的開度波動最大為15步，占總步數的2.6%。建議三蒸系統中電子膨脹閥的的控制無需考慮空調側的影響。

4）電池發熱量對電子膨脹閥穩定開度的影響較大，占總步數的12.2%。