純電動工程機械車載空調系統優化分析

【摘" 要】隨著雙碳目標的提出，具有高能耗、高排放雙重特點的工程機械面對節能減排的巨大壓力，正向著電動化方向快速發展。文章對純電動工程機械車載空調系統進行試驗研究，在雙蒸模式下出現冷凝器出口過冷度不足的現象。通過對冷媒充注量和系統結構進行分析，提出系統架構優化方案，并進行試驗驗證。試驗結果表明，優化后的空調系統冷凝器出口過冷度和系統制冷能力得到顯著提高，為空調系統架構和管路的初期設計提供借鑒。

【關鍵詞】工程機械；空調系統；過冷度；冷媒充注量

中圖分類號：U463.851" " 文獻標識碼：A" " 文章編號：1003-8639（ 2024 ）02-0016-04

Optimization Analysis of Automotive Air Conditioning System for Pure Electric Engineering Machinery*

WANG Wei，YI Hucheng，XU Xiang，ZHANG Yilun

（CATARC（Tianjin）Automotive Engineering Research Institute Co.，Ltd.，Tianjin 300300，China）

【Abstract】With the proposal of carbon peaking and carbon neutrality goals，the engineering machinery with the dual characteristics of high energy consumption and high emission is facing the great pressure of energy conservation and emission reduction，and is developing rapidly in the direction of electrification. The vehicle air conditioning system of pure electric construction machinery is tested and studied in this paper. Under the double-evaporator mode，the outlet supercooling degree of condenser is insufficient. After the refrigerant charge quantity and system structure are analyzed，the optimization scheme of system architecture is proposed and verified by experiment. The test results show that the outlet supercooling degree of the condenser and the cooling capacity of the system are significantly improved after optimization. This paper provides a reference for the initial design of air conditioning system architecture and pipeline.

【Key words】engineering machinery；air conditioning system；supercooling degree；refrigerant charge quantity

為應對全球氣候變化形勢越來越嚴峻的問題，中國積極踐行《巴黎協定》，明確提出碳中和目標：力爭2030年前實現碳達峰，2060年前實現碳中和^[1]。隨著中國雙碳目標的提出，推進重點行業領域減污降碳成為各工業領域的關鍵任務之一。燃油驅動的重卡和工程機械具有能耗高、排放高的雙高特點，尤其對于工程機械，在2020年時，就有1200萬臺保有量，并且呈現逐年遞增的趨勢，但新能源的使用滲透率不到1%，對石油的消耗非常大。同時，整個工程機械排放標準又非常低，其NOx、碳氫化合物排放分別占非道路移動源排放總量的30%和45%^[2]。因此，工程機械一直是低碳的重要目標。

為加快促進工程機械向著節能減排的目標發展，從2022年12月起，非道路移動機械排放標準由國Ⅲ升級到國Ⅳ。排放標準切換后，將會導致工程機械的研發成本、管理成本和整車部件成本增加，進而導致整車價格上漲。同時，伴隨著燃油價格的不斷升高，其使用成本也在逐漸提高。這意味著對工程機械節能減排的要求和降本的壓力越來越高。另一方面，隨著汽車行業向“電動化、國際化、智能化”方向發展，純電動汽車爆發式增長，在2022年，純電動汽車占汽車總銷量的比例高達18.37%，至2035年，新能源汽車與節能汽車銷量各占50%，新能源汽車領域純電動車銷量占比95%以上，將為雙碳目標的實現做出巨大貢獻^[3]。電動化在汽車領域的成功應用為工程機械的電動化提供了借鑒。在國家政策和市場驅動的雙重推動下，節能、環保、高效成為工程機械行業的主要發展方向，伴隨“三電”技術的日趨成熟和燃油成本的增加，使得電動化工程機械產品的研發和采購成本不斷降低，在終端市場的競爭力逐漸增強，工程機械的電動化成為了不可逆轉的趨勢。

和電動汽車一樣，工程機械的電動化不可避免地會面臨電池冷卻的難題。目前電池包冷卻多是液冷方式，冷媒通過Chiller與冷卻液換熱，冷卻液再通過水冷板對電池包散熱。與電動汽車相比，工程機械的電池包容量和質量更大，同時對于不同類型的工程機械，各種作業工況也導致電池包的工作負荷更加多樣，這對電池冷卻系統的設計提出了更高的要求。本文對某純電動工程機械車載空調系統進行性能試驗，針對空調系統的制冷能力不足的問題在結構設計上進行優化，然后對優化效果進行驗證。

1" 試驗原理及設備

1.1" 試驗設備

空調系統性能試驗在汽車空調焓差試驗室內開展，其測試原理如圖1所示。試驗室關鍵設備參數如表1所示。A室用以模擬室外環境，B室模擬乘員艙內環境。參照空調系統在整車上的實際位置，在焓差室內搭建各系統零部件，壓縮機、冷凝器、Chiller及其截止閥、熱力膨脹閥布置在A室，蒸發器及其截止閥、熱力膨脹閥布置在B室。在空調系統各零部件的進、出口位置布置溫度和壓力傳感器，用于檢測各部件的溫度、壓力狀態參數，在冷凝器出口和蒸發器閥前布置流量傳感器，可獲取各回路的冷媒流量。通過上述測點布置，可獲取空調系統各部件的狀態參數和系統換熱量。冷凝器的進風溫度和濕度由A室控制，風量由A室內的風洞風機控制，冷凝器的出風溫度和濕度由風洞內傳感器測量，根據進出風狀態參數和風量可計算出風側換熱量。蒸發器風側的試驗原理與冷凝器相同。Chiller冷卻液溫度和流量由冷卻液循環系統控制，通過測量冷卻液進出口溫度和流量可得出冷卻液側換熱量。

1.2" 試驗原理

空調系統各關鍵部件的主要結構參數如表2所示。空調系統采用電動渦旋壓縮機，其轉速由CANoe控制。冷凝器和蒸發器為微通道換熱器，Chiller為板式換熱器。系統冷媒為R134a，充注量按照整車充注量加注750g。通過截止閥的開關控制冷媒的流向，可將系統運行工況分為單制冷、單Chiller和雙蒸3種工況。

1.3" 試驗工況及試驗過程

為探究空調系統制冷模式下的最大制冷能力，并結合參考QC/T 657—2000《汽車空調制冷裝置實驗方法》和工程機械的實際應用場景，制定的制冷試驗工況如表3所示。按照試驗工況設定各試驗設備和空調部件運行參數，試驗開始后，當各出風口溫度、出水溫度和冷媒測點溫度連續5min變化±0.5℃，認為系統進入穩定狀態，開始記錄各測點數據，繼續30min后結束試驗，并輸出試驗數據。

2" 試驗結果及分析

2.1" 冷凝器出口過冷度分析

制冷劑在冷凝器出口需要有一定的過冷度。出口過冷度可保證膨脹閥進口都是液態，防止膨脹閥進口為兩相態時導致閥芯振動，并產生噪聲，保證膨脹閥工作穩定。合理增加過冷度，單位制冷量和性能系數均能得到提高。冷凝器出口過冷度可以考評制冷劑充注量，合適的充注量會使冷凝器出口具有一定的過冷度。圖2為各工況下冷凝器出口過冷度，可看出只有工況2和工況3，即單Chiller工況過冷度較大，其他工況的過冷度都在2℃以內，沒有形成有效過冷。在單Chiller工況下，過冷度在10℃以上，表明750g的冷媒充注量在該工況下是足夠的。但在單制冷和雙蒸工況下，當前的冷媒充注量是不足的，不能發揮整個空調系統的最大制冷能力。

2.2" 充注量試驗結果分析

基于上述過冷度分析表明，原整車空調系統充注量750g并不是系統發揮最優性能時合適的充注量，需對空調系統進行加注量試驗。對于雙蒸空調系統，一般情況下單Chiller模式需求的冷媒充注量最小，雙蒸模式需求的充注量最大，因此本文分別對單Chiller模式和雙蒸模式進行充注量試驗。單Chiller和雙蒸模式分別選擇工況3和工況5進行充注量試驗，壓縮機轉速均為6000r/min，可發揮空調的最大制冷性能，對冷媒的充注量也需求最大，即為單Chiller和雙蒸模式下的最佳充注量。

在單Chiller和雙蒸模式下，冷凝器出口壓力和出口過冷度隨冷媒充注量的變化過程如圖3和圖4所示。對于單Chiller模式，可看出充注量的平臺區在575～725g區間。對于雙蒸模式，充注量的平臺區在1000～1150g區間。從圖中可看出，當充注量未到達平臺區時，冷凝器出口壓力和出口過冷度隨著充注量增加而逐漸增大。進入平臺區后，繼續充注冷媒，出口壓力和過冷度基本保持不變。隨著充注量繼續增加，離開平臺區后，出口壓力和過冷度隨著冷媒加注而快速升高。當冷媒充注量低于平臺區時，由于膨脹閥前過冷度較小，導致制冷量較低，不能充分發揮空調的制冷能力，甚至可能出現膨脹閥工作不穩定。當充注量高于平臺區時，可以發揮出系統的最大制冷量，但極易造成冷凝器壓力過高，系統出現高壓報警，不利于系統正常運行。當冷媒充注量在該區間內時，既能發揮空調系統的最大制冷能力，又不會出現系統高壓過高的情況。對比單Chiller和雙蒸模式的充注量平臺區可看出，2個平臺區的冷媒充注量沒有重合的區間。這表明單Chiller模式平臺區的充注量對于雙蒸模式運行時，冷媒充注量是不夠的，膨脹閥前沒有有效過冷，整個系統的制冷量較低。雙蒸模式平臺區的充注量對于單Chiller模式運行時，冷媒充注量過多，導致壓縮機排氣壓力過高，系統不能正常運行。為了降低排氣壓力，只能降低壓縮機轉速，這會導致系統冷媒流量降低，進而降低系統的制冷能力。由此可看出，原冷媒充注量為780g，是由單Chiller模式決定的。為了保證系統穩定運行和對電池包的冷卻效果，實現Chiller的最大制冷能力，只能給系統充注適合單Chiller模式運行的冷媒量，但是這也犧牲了雙蒸系統的制冷能力。

2.3" 空調系統架構分析

單Chiller模式與雙蒸模式平臺區的冷媒充注量相差較大，導致雙蒸模式下不能發揮系統最大性能，需對兩種運行模式平臺區相差較大的原因進行分析。空調系統的冷媒充注量一般是由空調系統內各部件的容積和系統架構決定的。由表2空調系統主要結構參數可看出，各關鍵部件并沒有特殊的結構尺寸，沒有過大或過小的容積，需對系統架構布置的合理性進行探究。圖5為空調系統各管路中長度超過20mm的管路尺寸示意圖。該工程機械車輛的乘員艙與電池包的距離較遠，可看出蒸發器截止閥到蒸發器熱力膨脹閥距離為5235mm，遠大于三通管到截止閥3的890mm和三通管到截止閥6的96mm。在單Chiller模式做充注量試驗時，截止閥6是關閉的，截止閥6與膨脹閥7之間的管路內是氣態冷媒，管內的冷媒量很少。在雙蒸模式做充注量試驗時，截止閥6打開，截止閥6與膨脹閥7之間的管路充滿液態冷媒，管內冷媒量相比單Chiller模式時顯著增加，所以雙蒸模式合適的冷媒充注量要遠大于單Chiller模式的冷媒充注量。

3" 空調系統架構優化及效果驗證

3.1" 空調系統架構優化

由以上分析可知，由于截止閥6與膨脹閥7之間管路尺寸較長，導致單Chiller模式的充注量遠低于雙蒸模式的充注量，進而導致雙蒸模式運行時，冷凝器出口沒有出現有效過冷，影響系統制冷性能的發揮。因此，需要縮短截止閥6與膨脹閥7之間管路的長度，增大三通管和截止閥6管路間的距離，將截止閥6后移至膨脹閥7旁邊即可。截止閥6后移，對雙蒸模式的冷媒充注量沒有影響。對單Chiller模式冷媒充注量試驗，三通管和截止閥6之間較長的管路可容納大量的液態冷媒，因此其平臺區的冷媒充注量將顯著增大。這樣即能保證單Chiller模式下，多余的冷媒存儲在三通管和截止閥6之間的管路，系統能夠穩定工作，不影響Chiller的制冷能力，又能顯著提高系統雙蒸模式運行時整個系統的制冷能力。

3.2" 優化效果驗證

對空調系統的架構進行優化，將蒸發器截止閥6后移至膨脹閥7旁邊，三通到蒸發器總的管路長度不變。為驗證系統架構優化后的效果，對優化前后的空調系統進行制冷性能試驗，試驗工況設定值如表4所示，優化前冷媒充注量為750g，優化后充注量為1050g。通過冷凝器出口過冷度和各換熱器的換熱量對比來分析優化效果。

優化前后的冷凝器出口過冷度對比如圖6所示。可看出優化前，過冷度均低于2℃，沒有形成有效過冷。系統結構優化后，冷媒充注量增加到1050g，過冷度顯著提高到8℃以上，膨脹閥前為液態，保障空調系統正常穩定運行。

優化前后各換熱器的換熱量對比如圖7和圖8所示。優化后的各換熱器的換熱量均有不同程度的提高，換熱量的增長率均超過4%。冷凝器和Chiller換熱量增長率最為顯著，在4000r/min和6000r/min轉速下，增長率都超過9%。這表明對系統架構優化后，空調系統的性能得到明顯提升。

4" 結論

本文對工程機械車載空調系統進行了試驗研究，針對試驗中出現冷凝器出口過冷度過低的現象進行了原因分析，并對空調系統架構進行了優化，結論如下。

1）原空調系統架構中蒸發器截止閥與蒸發器熱力膨脹閥距離過大，因此在單Chiller模式下的充注量較低，導致空調系統該充注量下運行雙蒸模式時冷凝器出口過冷度過低，不能有效發揮出空調系統的制冷能力。

2）經過對系統架構優化，將蒸發器截止閥后移至蒸發器膨脹閥附近，顯著提高了冷凝器出口過冷度和系統的制冷能力。

3）對于蒸發器和Chiller管路距離較遠的空調系統，在初期設計階段需考慮空調管路及各關鍵部件的布置情況，避免出現單蒸模式和雙蒸模式運行時，所需冷媒充注量差距較大的情況。

參考文獻：

[1] 中國政府網. 力爭2030年前實現碳達峰，2060年前實現碳中和——打贏低碳轉型硬仗[EB/OL].（2021-04-02）[2023-08-21]. https：//www.gov.cn/xinwen/2021-04/02/content_5597403.htm？govamp;wd=amp;eqid=fa485be2001bd 00400000002645f9575.

[2] 生態環境部. 生態環境部發布《中國移動源環境管理年報（2022年）》[EB/OL].（2022-12-07）[2023-08-21]. https：//www.mee.gov.cn/ywgz/dqhjbh/ydyhjgl/202212/t20 221207_1007157.shtml.

[3] 中國汽車工程學會. 節能與新能源汽車技術路線圖2.0[M]. 北京：機械工業出版社，2021.

（編輯" 凌" 波）

收稿日期：2023-08-21

*基金項目：國家重點研發計劃資助項目（2022YFE0208000）。

作者簡介

王偉，男，碩士，汽車熱管理工程師。