新能源汽车空调系统的核心部件——电动压缩机与电子膨胀阀 （EXV） 的控制是整车热管理控制的 核心。本文以一种市场普遍应用的新能源汽车热管理架构为例，针对单电池包制冷、乘员舱与电池包同时制冷两种工 况，结合环境舱台架试验数据，研究电动压缩机与 EXV 的匹配控制策略，并通过实车路试数据对控制策略进行验证。

随着近几年新能源汽车的快速发展和电气化程度的快 速上升， 电动压缩机与电子膨胀阀 （EXV） 开始普遍应用 于车用制冷系统中。与传统燃油车空调相比， 新能源汽车空 调的电气原理与控制逻辑有了很大的改变， 也更具有难度。

新能源汽车普遍采用电动涡旋式压缩机， 其具有体积 小、 质量轻、 结构简单、 运行可靠等特点， 电动压缩机使 用直流电源作为动力源， 支持矢量变频调速， 可与外部网 络节点进行CAN/LIN总线通信， 且具有故障诊断与保护功 能。同时， 当冷却液液冷电池逐渐成为市场主流后， EXV 被普遍应用于电池冷却侧， 电子膨胀阀作为主动控制元件， 对控制系统也提出了新的要求。

电动压缩机与EXV的匹配控制策略关系到整车的节能、 安全、 噪声、 舒适性等指标， 所以， 研究一套高效可行的 热管理控制策略是当前开发新能源汽车所必需的课题。

本文研究的热管理架构 （制冷部分） 如图1所示， 目前大多新能源汽车普 遍采用此架构 。本系统制冷剂采用 R134a， 电动压缩机理论排量45CC。①蒸发器换热性能 ：4700W （HVAC总成全冷/吹面/内循环模 式 、 风 量最大挡 、蒸发器入口干球温度26.7℃、 相对湿度50.7%、 湿 球 温 度 19.5℃、 膨胀阀入口制冷剂压力1.53MPaG、 膨胀阀入口温 度51.7℃、 蒸发器出口制冷剂压力0.193MPaG、 出口过热度 7.2℃、 鼓 风 机 端 电 压DC27V、 带 风 道 ） ；②Chiller换 热 性 能：3500W （冷却液成分为水50%+乙二醇50%、 进水温度 30℃、 水流速8L/m）；③冷凝器性能：7000W （入口侧空气 干 球 温 度 35℃ 、 迎 面 风 速 4.5m/s、 入 口 冷 媒 蒸 汽 压 力 1.47MPaG、 入口冷媒蒸汽过热度25℃、 出口冷媒液体过冷 度5℃）。

图1中， S1为压力传感器， S2为电池包进水 （即Chiller 出水） 温度传感器， S3为电池包出水 （即Chiller进水） 温 度传感器。除了以上传感器信号， 热管理控制器还通过硬 线采集蒸发器、 车内、 车外、 阳光等传感器信号， 通过总 线接收网关转发的电池包最低温度、 最高温度、 平均温度、 目标温度等信号。

目前出于成本考虑， Chiller制冷剂出口侧无压力温度 传感器， 即PT传感器， 所以压缩机与EXV需要在实车台架 上模拟各种工况进行匹配验证， 此验证数据同样可应用于 带PT传感器的热管理系统。

电动压缩机转速与EXV开度的匹配至关重要， 压缩机 转速过高或过低， 会导致制冷量偏高或偏低， EXV开度过 大或过小， 会导致Chiller出口过热度过低或过高， 而压缩 机与EXV匹配不合理， 还会导致系统不稳定、 不节能， 甚 至有压缩机液击的风险。

EXV内部为步进电机驱动， 出于成本考虑大多不带位置反馈功能， 又考虑到步进电机失步问题， 每次上电需进 行 初 始 化 ， 初始化完成后即响应 热管理控制器的请求位置指令。其初始化程序为 ：关方向走 530 脉冲 ， 即 500 步 （总 行 程500脉 冲 ） ， 最终停留在100脉冲位置 ， 此过程 约需要 7s。其流量曲线如图2所示。

虽然， 现EXV支持无级调节， 调节精度可达1步， 但是考虑到不可避免的失步现象， 过于频繁的调节会导致EXV 偏离绝对位置， 从而影响制冷系统的控制准确性。一种解 决办法是对EXV进行定时初始化， 使其找回一个绝对位置， 这种方法弊端是EXV初始化过程中压缩机需做降速或停机 处理， 等待EXV初始化完成方能恢复正常工作， 此过程会 影响系统制冷的连续性。另一种解决办法是EXV进行分段 控制， 避免频繁调节， 不同于前乘员舱温度控制， 电池包 冷却液温度的波动 （如5℃范围内波动）， 并不会造成电池 温度的波动。所以本系统采取EXV分段控制的方法。

单电池包制冷时， 截止阀是关闭状态， 制冷剂仅通过 EXV与Chiller支路。此工况下控制压缩机转速≤3000r/min。

高负荷下测试：进水温度35℃、 冷凝器进风温度38℃、 水流量按实车状态12L/min， 两种压缩机转速下， 改变EXV 的开度， 观察换Chiller水侧热量与Chiller制冷剂出口过热度 的变化。试验曲线如图3所示。

由此数据可见， 压缩机一定转速下， EXV的开度逐渐 加大过程中， 首先换热量有明显增加， 过热度也有明显的 降低， 此阶段系统效率不断提高。然后当换热量增加到一 定程度， 再加大阀的开度， 换热量趋于平稳， 但过热度仍 有明显变化。最后当过热度＜5℃以后， 过热度变化变缓， 此阶段系统效率在降低。选取压缩机与EXV的最佳匹配点 为过热度在 （5℃， 10℃） 之间。当压缩机转速由2000r/min 提升至3000r/min后， 可能受到了Chiller本体换热性能的限 值， 换热量并没有明显增加， 由此可见， 不能盲目增加压 缩机转速与EXV开度来提高换热量。

中负荷下测试：进水温度25℃、 冷凝器进风温度30℃， 换热量与过热度变化规律同高负荷。试验曲线如图4所示。

综上， 单电池包制冷时， 根据电池内部温度、 电池包 进出水温度 （或Chiller进出水温度）、 车辆状态 （行驶或充 电）、 环境温度、 循环水泵流量来确定Chiller的热负荷， 可 分高、 中、 低负荷3个区间， 对EXV开度与压缩机转速进行 分段控制。需保证每种负荷区间内的两个极端条件均能满 足制冷需求与控制安全性。同时还要考虑到两种负荷切换 时设置合理的回滞区间， 以提高控制的稳定性。

乘员舱与电池包同时制冷时， 截止阀是打开状态， 制 冷剂同时通过蒸发器支路与Chiller支路。此工况下控制压 缩机转速≤6500r/min。

乘员舱与电池同时制冷时， 压缩机转速自3000升 至 6500过程中， Chiller换热量基本不变， 而蒸发器温度有明显 下降， 由此可见， 当Chiller换热量增加到一定程度后， 再提高压缩机转速， 所增加的换热量几乎都体现在前乘员舱侧。

其次， 研究前乘员舱热负荷变化时， 对Chiller侧换热量 的影响。现以改变前乘员舱进风量来改变其热负荷， 分别 在压缩机转速恒定为3000r/min与5000r/min下的测试 曲 线 ， 如图6所示。可见， 当进风风量自200m3 /h增加至450m3 /h过 程中， Chiller侧换热量基本保持不变， 但Chiller制冷剂出口 过热度有小幅降低， 且压缩机转速越高， 蒸发器温度越低， 而Chiller水侧换热量基本一致。

综上， 在双蒸制冷工况下， EXV的开度应根据Chiller的 热负荷确定 （同单乘员舱制冷工况）， 而压缩机转速调节可以 根据前乘员舱蒸发器温度或出风口温度作为负反馈来调节。

实车动力电池电量为89kWh， 在环境温度30℃、 1C速 率快充时 （充电电流约160A）， 用CANoe采集报文并生成的热管理参数曲线如图7所示。此过程无前乘员舱制冷请求， 仅考察单电池冷制工况 。由曲线可见电池 包进水温度在 10min后稳定， 稳定在约18℃ （BMS发送的目标电池进水温度为25℃， 且要求电池进水温度＜15℃时强制关闭制冷 ） ， 满足电池制冷需求。

由于EXV是通过LIN总线与热管理控制器通信的， 没有生成LIN报文曲线， 但可由压缩机转速得知， 当压缩机2000 转 速 时 ， EXV开度为200步 ， 当压缩机降至1500转速时 ， EXV开度为130步， 整个制冷过程EXV仅动作了几次即趋于稳定， 且无波动现象。

车辆行驶过程中， 前乘员舱与电池包同时制冷时， 用 CANoe采集报文并生成的热管理参数曲线如图8所示。由曲 线可见约6min电池进水温度由39℃降至25℃以下， 且逐渐 稳定在20℃， 满足电池包制冷需求。同时， 前乘员舱温度 也逐渐稳定在设定目标温度25℃。

本文以一个市场普遍应用的新能源汽车热管理架构为例， 通过分析单电池包制冷、 乘员舱与电池包同时制冷两 个工况的台架试验数据， 给出电动压缩机与EXV的匹配控 制策略， 并通过路试数据验证此策略。

免责声明：文章来源于网络，仅供学习交流分享，版权归原作者所有，如果侵权请联系我们予以删除