純電動汽車兩種節流裝置空調制冷性能的試驗研究

李 鵬,袁永盛,柯鵬輝,鄒 鵬

(長沙市比亞迪汽車工業有限公司,長沙 410116)

在電動貨車中,一般動力電池與駕駛室的溫度調節都由空調系統承擔。因此空調系統制冷性能的好壞,成為了電動汽車動力性和舒適性的一個重要標志[1]。熱力膨脹閥與電子膨脹閥是廣泛應用于空調制冷和低溫冷凍系統的兩種常見的節流裝置。本文針對比亞迪電動貨車空調系統制冷劑分配不均的問題,進行方案優化與驗證,并簡要分析不同節流裝置在制冷系統中的作用和其對空調系統制冷性能的影響,為集成式熱管理系統中出現的制冷量分配不均問題提供一種新的方法和思路,從而提升駕駛室的舒適度[2-3]。

1 問題及原因分析

1.1 問題闡述

比亞迪長沙工廠新下線的輕卡車型,根據跟車駕駛員反饋,在車輛行駛過程中,駕駛室內空調制冷效果差;而且將該車型目前使用的空調旋鈕至最低溫度,開啟最大風量,仍無法抑制駕駛室內的溫度上升,空調出風口處吹出來的風只是略帶涼意或者純粹只有自然風。但當駕駛員將車輛靠邊停一會兒或者低速行駛時,駕駛室內的空調就會恢復制冷,重新吹出冷風。

1.2 整車空調系統方案介紹及原因分析

該車的空調系統有電池冷卻功能[4],在冷凝器出口和壓縮機入口之間并聯板式換熱器支路,在支路入口增加節流裝置來控制制冷劑分配[5]。低溫低壓的制冷劑在板式換熱器中與電池冷卻液進行熱交換,再通過低溫的電池冷卻液對電芯降溫[6],原理如圖1所示。

圖1 電池降溫制冷原理

該車制冷方案原理如圖2所示,駕駛室冷卻支路及電池冷卻支路均采用電磁閥+熱力膨脹閥方案。導致駕駛室制冷量低的主要原因為熱力膨脹閥開度調節范圍小、開度相對固定,當駕駛室側與電池包側同時有制冷需求時,因電池包側制冷需求量更大,而電動空調系統又缺乏相應的檢測與控制裝置,導致駕駛室制冷支路的制冷劑流量減少,駕駛室的制冷效果變差。

圖2 電磁閥+熱力膨脹閥空調系統框圖

2 試驗方法及方案對比分析

本文對電池冷卻支路的熱力膨脹閥+電磁閥方案和獨立電子膨脹閥方案進行對比分析。

2.1 試驗方法

1) 環境溫度≥38 ℃ ,空氣濕度50%RH。

2) 整車電量>95%SOC,車輛OK擋,關緊門窗。

3) 開啟AC,最大制冷、最大風量、吹面模式、內循環。

4) 車速(80±5)km/h,時間60 min。

5) 記錄室外環境溫度,駕駛室頭部溫度,主駕左側吹面溫度。

2.2 電磁閥+熱力膨脹閥控制流量方案

該方案在板式換熱器支路和蒸發器支路都采用了電磁閥+熱力膨脹閥控制制冷劑流量[7],系統框架如圖2所示。當僅有駕駛室制冷請求時,給電磁閥SW2通電以阻斷板式換熱器支路的制冷劑流動;當僅有電池冷卻需求時,需給電磁閥SW1通電以阻斷蒸發器支路的制冷劑流動;當電池制冷和駕駛室制冷都有需求時無需調節,兩支路的電磁閥均不通電,冷媒同時流入駕駛室側和電池側支路。控制方案的具體策略見表1。

表1 電磁閥+熱力膨脹閥控制流量方案策略

2.3 獨立電子膨脹閥控制流量方案

該方案的空調系統在電池冷卻支路中板式換熱器制冷劑入口管路處采用電子膨脹閥作為節流裝置,并且在板式換熱器制冷劑出口管路上增加了溫度壓力傳感器(即圖3中P/T),根據制冷的溫度和壓力關系控制電子膨脹閥的開度[8]。這樣就可以通過電池冷卻液溫度與目標溫度的差值變化來調節電子膨脹閥的開度,優化制冷劑在兩個支路中的分配,具體系統框圖如圖3所示。

圖3 電子膨脹閥空調系統框圖

該方案與前述電磁閥+熱力膨脹閥控制流量方案的最大差異體現在電池冷卻和駕駛室冷卻雙需求的工況下,電子膨脹閥的開度控制由最小向最大調整,具體策略不同點見表2。

表2 電子膨脹閥控制流量方案策略不同點

3 試驗結果分析

3.1 電磁閥+熱力膨脹閥控制流量方案試驗

根據電磁閥+熱力膨脹閥方案進行試驗驗證[9-10],此次路試數據溫度變化如圖4和圖5所示。

圖4 電池參數溫度變化圖

圖5 駕駛室各參數溫度變化圖

根據電池參數溫度變化(圖4)可知,在800 s時,電池電芯溫度>35 ℃,電池冷卻需求響應,同時電池冷卻液溫度迅速下降至25 ℃以下。整車放電功率基本保持在75 kW左右,電池冷卻液溫度保持在25 ℃以下,整個測試過程,電池電芯溫度逐步降低,電池冷卻效果明顯。

根據駕駛室各參數溫度變化(圖5)可知,在600 s時,駕駛室內各溫度開始波動,出風口溫度和主副駕頭部溫度整體都呈下降趨勢,在1 800～2 200 s之間溫度波動最為劇烈,易造成不好的駕乘體驗。2 200 s后駕駛室內溫度開始穩定下降,在2 300 s后駕駛室內溫度趨于穩定,出風口溫度維持在13～17 ℃之間,駕駛室頭部溫度逐步降低,從B點之后室內溫度維持在25～27 ℃之間,駕駛室降溫效果良好。

試驗結果顯示,整車的平均放電功率為70～80 kW,駕駛室內出風口溫度始終維持在13～17 ℃之間,降溫效果明顯。電池冷卻液溫度維持在25 ℃以下時,在電池冷卻功能開啟后,電池電芯溫度逐步降低,并最終低于行駛電池報警溫度。

此次試驗結果基本滿足測試標準,達到了制冷要求,但存在駕駛室溫度波動明顯,易造成不良駕駛體驗的問題。

3.2 電子膨脹閥控制流量方案試驗

在同型號車輛上根據獨立電子膨脹閥[11-13]系統的方案來進行試驗驗證,此次路試數據如圖6所示。

圖6 駕駛室各參數溫度變化圖

根據圖6中的數據進行分析：前段車速80 km/h,時間約1 800 s,后段車速85 km/h,時間約500 s,BMS前段、后段時間開啟電池冷卻需求,中間一段時間無冷卻請求,80 km/h過程中,電池電芯溫度維持在33～34 ℃,當車輛速度提高至85 km/h后,電池電芯溫度上升至35～36 ℃,升溫2 ℃。

未開啟電池冷卻時,駕駛室內出風口溫度為10～11 ℃,電池冷卻液溫度為32 ℃,電池電芯溫度為33～34 ℃;開啟電池冷卻時,電池冷卻液溫度由32 ℃降至23 ℃,駕駛室內出風口溫度有略微升高,但隨后趨于平穩。

試驗結果顯示,車輛在高速環道上以(80±5) km/h的車速行駛,平均放電功率在65～75 kW之間,駕駛出風口溫度始終維持在13～17 ℃,降溫效果顯著,電池冷卻液溫度維持在25 ℃以下,在電池冷卻功能開啟后,電池電芯溫度逐步降低,并最終低于行駛電池報警溫度。

此次試驗基本符合空調熱電子膨脹閥的方案設計要求,在滿足電池冷卻需求情況下,駕駛室溫度穩定下降,波動較小,滿足測試標準。

3.3 試驗總結分析

根據上述兩種方案的試驗數據,我們可以得出車輛在85 km/h速度正常行駛時各關鍵溫度對比(見表3),以及整個試驗過程中兩種方案中電池冷卻液溫度、電芯溫度、出風溫度和駕駛室頭部溫度的對比曲線圖(如圖7～圖10所示),以此來顯示溫度的波動對比。

表3 試驗結果部分數據 ℃

圖7 平均電池冷卻液溫度曲線

圖8 平均電池電芯溫度曲線

圖9 平均出風溫度曲線

圖10 駕駛室頭部溫度曲線

根據上述兩種制冷方案的試驗驗證,制冷效果主要是看駕駛室與電池的制冷劑分配是否兩端均衡,溫度波動起伏的頻率與大小是否合理。

分別參考兩次試驗數據,兩種系統各有優勢。分析數據對比可知,車輛在正常高速行駛時各關鍵溫度都能滿足測試要求,但電子膨脹閥方案的駕駛室溫度和電芯溫度更低。

熱力膨脹閥+電磁閥方案的電池冷卻液溫度在短時間內迅速降低并一直持續下降,而電子膨脹閥方案的電池冷卻液溫度比熱力膨脹閥方案的電池冷卻液溫度略高,并恒定地維持在一個波動區間。熱力膨脹閥方案前期電池電芯溫度一直居高不下,后期溫度才降下來,電子膨脹閥方案的電池電芯溫度一直維持在一個波動區間,保持恒定溫度,最后兩者的電池電芯降溫效果基本一致。

從駕駛室的溫度波動曲線來看,電磁閥+熱力膨脹閥方案的出風口溫度和駕駛室波動幅度比電子膨脹閥方案要大。波動幅度越大則體現為溫度的高低變化越大,這可能會影響駕乘人員的舒適度及駕乘心情。電子膨脹閥方案的溫度曲線波動幅度小,曲線趨于平穩,駕駛室維持在一個恒定的溫度中。綜合對比可知,在空調系統的制冷劑總量恒定的情況下,電磁閥+熱力膨脹閥方案成本低且降溫迅速。電子膨脹閥方案的制冷劑分配更加均衡合理,溫度波動的幅度與頻率小,能營造出適合駕乘人員的舒適環境。

4 結束語

本文以解決比亞迪純電動輕型汽車空調系統制冷效果差的問題為研究對象,通過改變其制冷劑流量的分配,解決夏季制冷效果差的問題。通過試驗分析可以得出：節流裝置的選擇直接影響到空調系統的制冷性能,精確控制制冷劑流量可以達到合理分配制冷劑流量的目的,從而實現駕駛室與電池組的穩定降溫,對解決車輛行駛過程中出現的一些空調制冷問題提供參考。