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某电动汽车热管理系统热泵空调控制策略研究
2021-11-23 21:24:12· 来源：AUTO行家
导读文章基于公司某款纯电动汽车，分析了热泵空调系统的工作原理及其在整车热管理系统中的作用、工作模式、控制系统架构，详细说明了以热泵空调为中心的车内制冷
导读
文章基于公司某款纯电动汽车，分析了热泵空调系统的工作原理及其在整车热管理系统中的作用、工作模式、控制系统架构，详细说明了以热泵空调为中心的车内制冷、电池制冷、车内和电池同时制冷、车内制热、远程遥控空调等主要工作过程及热泵空调控制策略。
作者：张欢欢
单位：安徽江淮汽车集团股份有限公司 新能源乘用车公司 新能源汽车研究院
关键词：电动汽车；热管理系统；热泵空调系统；控制策略
目前，多数纯电动车汽车均配置有整车热管理系统，主要功能包括车内热管理、电池热管理、电驱动和附件热管理等，通过热管理系统的控制，使车内、电池、电驱动及附件快速达成温度调节，保证在各种外界气候和条件下，均处于较为适宜的温度范围。其中，整车热管理系统设计时，电驱动和附件热管理冷却系统媒介是冷却液，结构基本独立；车内热管理和电池热管理则由空调系统耦合实现，冷却介质为R134a 冷媒。车内热管理主要包括车内制冷、车内制热、远程遥控空调。电池热管理与空调系统耦合度最强的是电池制冷，电池制热一般通过电池加热器独立实现，与空调系统基本不耦合。车内热管理和电池制冷均需要快速调节，其中车内制冷还对低噪、舒适性有较高的体验需求，电池制冷则对安全有较高要求。因此，研究电动车空调系统在热管理工作过程中的控制策略成为业内重要命题[1]。
01热泵空调系统工作原理
热泵空调系统制冷原理，如图1 所示。电动空调压缩机将高温低压的气态冷媒A，压缩为高温高压的液态冷媒B；通过车外换热器冷凝后，成为低温高压的液态冷媒C；再通过电子膨胀阀，成为低温低压的气态冷媒D；通过车内蒸发器，与车内气体热交换，车内空气温度降低，冷媒温度升高，成为高温低压的气态冷媒A，进入下一轮制冷循环[2-3]。如此往复，实现车内热量交换至车外，车内制冷的效果。
图 1 热泵空调系统制冷工作原理
热泵空调系统制热原理，如图2 所示。电动空调压缩机将高温低压的气态冷媒A，压缩为高温高压的液态冷媒B；通过车内换热器冷凝，与车内空气热交换，车内空气温度上升，冷媒温度下降，成为低温高压的液态冷媒C；再通过电子膨胀阀，成为低温低压的气态冷媒D；通过车外换热器，与车外气体热交换，车外空气温度降低，冷媒温度升高，成为高温低压的气态冷媒A，进入下一轮制冷循环[2-3]。如此往复，实现车外热量交换至车内，车内制热的效果。
图2 热泵空调系统制热工作原理
此类热泵空调系统，制冷过程，车外换热器起冷凝作用，车内蒸发器起蒸发作用，车内换热器不参与工作，仅起冷媒通道的作用。制热过程，车外换热器起蒸发作用，车内换热器起冷凝作用，车内蒸发器不参与工作，仅起冷媒通道的作用。
针对上述主被动集成安全系统各单项技术的功能测试在行业内已经有多项测试规程，但是主被动安全技术联合对乘员的碰撞保护性能测试尚处于空白。对于测试主被动集成安全系统对乘员保护的性能，首先需要搭建合理的测试工况，同时要实现AEB的制动效果，横跨T0前后的执行装置能够被精准触发，乘员损伤能被合理评价，最终才能形成完整可行的测试规程。因此，下文将从测试工况、AEB制动减速度分析及实现、执行系统的触发以及乘员的损伤评价工具等方面进行阐述。
02某电动汽车热泵空调系统工作模式分析
本文研究的某电动汽车，其整车热管理系统以上述热泵空调系统为核心。系统结构见图3 所示。
图3 本文研究的某电动车热泵空调系统结构
本文研究的某电动汽车，电池系统为液冷系统，其冷却液也需空调给予制冷。该车辆的热泵空调系统总体分为车外、车内和电池系统三个区域。主要有车内制冷、电池制冷、车内制热三种工作模式。与热泵系统控制相关的主要部件包括电动空调压缩机、电子膨胀阀、电磁阀、传感器、辅助PTC、电子水泵等。结合三种工作模式及图中相关部件作用，具体介绍系统工作过程如下：
车内制冷，如图4 所示。电动空调压缩机将高温低压的气态冷媒，压缩为高温高压的液态冷媒；经过制冷模式下仅起冷媒通道作用的车内换热器和常开的电磁阀2，至车外换热器冷凝，成为低温高压的液态冷媒；再通过常开的电子膨胀阀3 及制冷节流短管降压，成为低温低压的气态冷媒；通过车内蒸发器，与车内气体热交换，车内空气温度降低，冷媒温度升高，成为高温低压的冷媒，此时的冷媒因未完全蒸发至理想状态的纯气态，通常还残存有液态，因此接下来进入气液分离器，液态冷媒储存在气液分离器内，高温低压的气态冷媒进入压缩机，开启下一轮制冷循环。
图4 本文研究的某电动车热泵空调系统车内制冷过程
电池制冷，如图5 所示。电池制冷原理与车内制冷基本相似，低温高压的液态冷媒直接通过电池系统电子膨胀阀，成为低温低压气态为主的冷媒，通过电池换热器与电池系统热交换，电池系统温度下降，冷媒温度上升，再通过气液分离器后进入压缩机。
图5 本文研究的某电动车热泵空调系统电池制冷过程
图6 本文研究的某电动车热泵空调系统车内和电池同时制冷过程
车内和电池同时制冷，如图6，该模式是车内制冷模式和电池制冷模式的集成。车内制热，如图7。电动空调压缩机将高温低压的气态冷媒，压缩为高温高压的液态冷媒；经过车内换热器，与车内空气热交换，车内空气温度上升，冷媒温度降低，成为低温高压的液态冷媒；再通过制热节流短管降压，成为低温低压的气态冷媒；通过车外换热器，吸收车外空气热量，冷媒温度升高，成为高温低压的冷媒；接下来进入气液分离器，液态冷媒储存在气液分离器内，高温低压的气态冷媒进入压缩机，开启下一轮制热循环。如环境温度低于−10 ℃，还需要辅助PTC 加热。
图7 本文研究的某电动车热泵空调系统车内制热过程
03某电动汽车热泵空调系统控制策略
3.1 控制原理
以本公司开发的某纯电动车为例，无论是哪种整车热管理工作模式，其热泵空调系统的控制对象主要包括电动空调压缩机、电子膨胀阀、电磁阀1、电磁阀2、电磁阀3、辅助PTC 等，控制输入主要包括空调模式开关信号、电动空调压缩机转速信号、各类传感器信号及车速、整车控制器请求等，热泵控制器是实施控制功能的核心部件，如图8 所示。
图8 本文研究的热泵空调系统控制原理框图
除上述四种工作模式的控制外，热泵空调系统控制还涉及手机远程遥控空调控制。热泵系统控制不仅要实现上述工作模式的功能，还要从低噪、舒适、充电时或行驶时车内制冷与电池制冷性能平衡等维度，综合考虑控制策略。
3.2 车内制冷控制策略
（1）热泵控制器接收空调模式开关制冷需求信号后，向电动空调压缩机反馈制冷请求。
（2）电磁阀1 关闭，电磁阀2、电磁阀3 打开，电子膨胀阀开度为0，即处于关闭状态。
（3）根据TD 值计算电动空调压缩机转速。车速≤20km/h，电动空调压缩机最高转速为3 600 rpm，最低转速为1200 rpm，TD 值与电动空调压缩机转速对应关系见表1；车速＞20 km/h，电动空调压缩机最高转速为4 500 rpm，最低转速为1 200rpm，TD 值与电动空调压缩机转速对应关系见表2。
3.3 电池制冷控制策略
（1）电子膨胀阀初始状态为开，且开度最大为80%。
（2）电子膨胀阀开度根据电池换热器出口过热度，进行PID 调节。
（3）电动空调压缩机转速根据整车控制器输入的电池最高温度线性变化，见表3。
（4）当电池放电且车辆处于怠速状态时，如果电池最高温度≤39 ℃，电动空调压缩机转速由需求转速降至2 000rpm，处于节能低噪工作状态。
3.4 车内和电池同时制冷控制策略
热泵控制器依据电池最高温度计算电池制冷需求，依据空调模式开关输入的指令计算车内制冷需求，统筹两者，合理分配制冷量。热泵控制器接收空调模式开关的空调开启指令和电子膨胀阀开启指令，电磁阀3 打开，电子膨胀阀开度和电动空调压缩机转速按照热泵控制器指令实施。由于电动车存在行驶、慢充、快充三种独立的工况，三种工况都存在热泵空调工作的需求，因此车内制冷和电池制冷的控制策略需依据工况特点针对性设计。
3.4.1 行驶工况
综合考虑空调低噪需求和电池安全需求，实施降噪控制策略、电池制冷优先控制策略以及舒适性控制策略，三个策略之间相互关联。
（1）降噪控制策略
（2）电池制冷优先控制策略
（3）舒适性控制策略
电动空调压缩机转速和对应产生的制冷量关系见表6。
舒适性控制的原则是，当电池温度处于适宜范围时，则充分满足乘员舒适性需求，通过调节电子膨胀阀开度，将电动空调压缩机产生的制冷量，充分分配至乘员舱。因本文所述的热泵空调系统制冷量最大值为6 000 W，因此，表7 所示的舒适性控制策略适用于车内制冷量和电池制冷量之和小于6 000 W 的工况。一旦出现电池温度过高引起车内制冷和电池制冷需求之和大于6 000 W 时，则进入执行电池制冷优先控制策略。
3.4.2 快充工况
策略见表8，特别之处是快充时，电池温度一般上升速度较快。如电池最高温度＞39 ℃，即使车内需求制冷，也不响应，电动空调压缩机转速保持5 800 rpm 运行，电池膨胀阀开度全力保障电池制冷需求，抑制快充电流大导致的电池快速温升。
3.4.3 慢充工况
策略见表9。特别当电池温度处于26 ℃～32 ℃时，电子膨胀阀开度保持5%，起一定的抑制电池温升作用即可。
3.5 车内制热控制策略
热泵空调系统制热最佳的工作环境温度为−10 ℃～20℃，此温度范围之外如还需制热，热泵系统车内制热模式不工作，只由辅助PTC 单独实现制热功能。因此，车内制热控制策略见表10。
3.6 远程遥控空调控制策略
（1）手机远程遥控空调时，热泵控制器接收到制冷开启请求后，将会将车内温度目标设定为23 ℃，固定值，空调系统自动运行。
（2）手机远程遥控空调时，热泵控制器接收到制冷关闭请求后，请求关闭电动空调压缩机。
（3）手机远程遥控空调时，热泵控制器接收到制热开启请求后，如车外温度≤−10 ℃，则开启远程空调后前15 min为除霜模式，保证用户进入车辆后可立即行驶，15 min 之后改为吹脚模式；如车外温度>−10 ℃，设定温度为28 ℃，自动运行。
（4）手机远程遥控空调时，热泵控制器接收到制热关闭请求后，关闭 PTC 和电动空调压缩机。
04总结
本文分析了热泵空调系统的工作原理，基于公司某款纯电动汽车，分析了热泵空调系统在整车热管理系统中的作用、工作模式、控制系统架构，详细说明了以热泵空调为中心的车内制冷、电池制冷、车内和电池同时制冷、车内制热、远程遥控空调的工作过程及其控制策略，展示了当下整车热管理热泵空调系统核心控制策略设计方案，供业内参考。
【参考文献】
[1] 谢卓,陈江平,陈芝久.电动车热泵空调系统的设计分析[J].汽车工程,2006(8):763-765.
[2] 刘健豪,吴兵兵,张欢欢,等.电动汽车热泵空调系统设计及应用[J].安徽电子职业信息技术学院学报, 2016(4):7-10.
[3] 张欢欢.电动汽车热泵空调系统技术研究[J].安徽电子职业信息技术学院学报,2017(5):22-26.
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