新能源汽车热泵空调控制系统设计实现

齐湘斌

摘 要：汽车空调系统作为改善驾驶员工作条件、提高工作效率、提高汽车安全性及为乘员营造健康舒适的乘车环境的重要手段，对燃油汽车和电动汽车而言，都是必不可少的。现阶段纯电动汽车对热泵型汽车空调系统需要既高效节能又满足其变负荷运行特性。

关键词：热泵空调系统;换热器;控制系统

1 测试系统

为了探究热泵型汽车空调循环系统中各个关键测点的运行状态，需要在压缩机、冷凝器、蒸发器、电子膨胀阀的进出口布置温度测点和压力测点。温度测试采用J型热电偶，其型号为TT-J-30-SL，量程为-200℃～260℃，精度为±0.1℃，采用安捷伦34972A数据采集仪进行采集。其中布置在压缩机进出口，换热器进出口的热电偶与铜管表面紧密接触，并用锡箔纸贴紧固定后外表面包裹绝热材料以减少环境温度对测量的影响，保证其测量精度。压力测试采用压力传感器，型号为昆SK-2031系列，量程0～4 Mpa，精度为0.5级别，数据显示采用数字信号巡检仪。制冷剂流量测试采用数显式涡轮流量计，型号为KROHNE涡轮流量计（VFM1091G），量程为0～900 kg/h，精度为0.5级。

由于本试验既有制冷工况又有热泵工况，因此《蒸发器和冷凝器进风口的空气状态比汽车空调制冷装置试验方法技术标准》要求更为宽泛。鉴于现阶段并没有关于热泵型汽车空调性能测试的国家标准，根据国家标准《房间空气调节器中的测试工况》制定了热泵型汽车空调系统稳态测试工况，如表所示。

2 实验结果分析

2.1 电子膨胀阀对系统性能影响

电子膨胀阀对系统的蒸发温度，压缩机排气温度以及系统性能都起着决定性的作用。在压缩机定速的情况下，压缩比和排氣温度随蒸发压力变化而变化。

在压缩机转速不变的情况下，通过加大电子膨胀阀的开度，蒸发压力由0.316 MPa增加到0.386 MPa，同时排气压力基本不变，因此压缩机压比随蒸发压力的增大而下降。随着蒸发压力的增大，压比越小，排气温度越低。当蒸发器过热度大时，过热度变化较大，适合过热度控制模式。当蒸发器出口处制冷剂进入两相区，过热度恒为零，过热度控制模式无法给出合适的信号调节电子膨胀阀开度，这种情况下可以采用压缩机的排气温度这一辅助信号来调节电子膨胀阀的开度。当排气温度急剧减小时，减小电子膨胀阀的开度，减少供液量，防止出现液击。

2.2 稳态工况测试结果

为了研究在室内温度稳定、室外温度变化工况下汽车空调系统性能特性和膨胀阀与变速压缩机协同控制策略，试验采用压缩机变转速和定转速两种运行方式进行稳态工况性能测试。根据工况变化范围确定一个适宜的压缩机转速，通过调整电子膨胀阀开度使空调系统获得最佳COP。在制冷工况：其中系统采用定速模式时，压缩机转速大致固定在680 rpm 左右，采用变转速模式时，压缩机转速由 620 rpm 到 710 rpm 范围内变化。在制热工况：其中系统采用定速模式时，压缩机转速大致固定在 1 100 rpm左右，采用变速模式时，压缩机转速由 750 rpm 到 1500 rpm 范围内变化。

（1）稳态制冷工况下系统性能分析。在系统获得最佳 COP 的情况下，随着室外干球温度不断上升，不同模式下膨胀阀开度的变化情况，当室外干球温度上升时，冷凝器的冷凝压力也随之上升，而室内温度分布场以及系统的蒸发压力和吸气压力均可以保持相对稳定。在变速模式下，当室外干球温度由 35℃上升到 43℃，压缩机转速由 623  rpm 增大到 711 rpm，电子膨胀阀开度则由 47.6%减小到 37.3%。在定转速模式下，当室外干球温度由 35℃上升到 43℃，压缩机转速保持 680 rpm 不变，电子膨胀阀开度则由 46.8%减小到 40%以保持稳定的蒸发温度。

（2）制热工况下系统性能。制热工况下，不同模式下制热量及 COP 关系随室外干球温度关系，在变速模式下，当室外干球温度由 15℃下降到 5℃，制热量及 COP 同时由于蒸发温度的下降而直线下降。在定速模式下，随着室外干球温度的下降，制热量下降趋势更快，但 COP 下降趋势比变速模式较为缓慢，当室外干球温度由 15℃下降到 5℃，采用变速模式，在室外干球温度较高时，可以通过降低压缩机的转速减少压缩机的耗功，最终获得较高的 COP;在室外干球温度较低时，通过提高压缩机的转速保证足够制冷剂流量，最终获得较高的制热量。采用定转速模式时，当室外干球温度由15℃下降到 5℃，制热量下降较快，与热负荷的需求趋势完全相反。因此，在制热工况下，特别是室外温度较低时，应采用变转速模式运行，但考虑到室外温度变化一般不会太大，检测和调节的频率不应太大，以保证系统的稳定性。

3 结论

汽车空调电子膨胀阀对系统的蒸发温度，压缩机排气温度以及系统性能都起着决定性的作用。在制冷工况下，随着室外冷凝温度的升高，采用变速模式能使微通道式热泵系统保持较高的 COP（2.88-2.61-2.54-2.28），而采用定速模式时，系统的制冷量（4 036 W-4 000 W-3 953 W-3 879 W）和系统的 COP（2.71-2.61-2.53-2.42）都保持着比较平稳的下降趋势;在制热工况下，随着室外蒸发温度的下降，变速模式在高温区能保持较高的 COP（2.94），同时在低温区能亦能保持较高的制热量（4 524 W）。

参考文献：

[1]张益壮，李风雷，李玉欣，新能源汽车空调电动压缩机控制技术研究[J].上海电气技术，2019，6（02）：14.