选择EXV对PHEV/BEV汽车空调系统性能和仿真方法进行优化

由于燃料消耗标准的提高，纯电动汽车(BEV)和插电式混合动力汽车(PHEV)在汽车行业变得越来越普遍。在此类应用中使用的电池需要热管理方法以延长使用寿命、提高效率和性能。在高温条件下保持电池冷却的一种常用方法是使用水制冷冷却器。已经存在的汽车空调系统被利用来支持使用这种冷却器。电池增加的热瞬态负载增加了制冷系统的复杂性。平衡乘员的热舒适度和电池的温度要求对整体系统容量提出了挑战。电池冷却负载的突然变化会显著降低蒸发器的散热量。在极端情况下，电池冷却负载会导致流向蒸发器的制冷剂完全流失。这主要是由于冷却器回路中的热力膨胀阀(TXV)突然打开。事实证明，使用电子膨胀阀(EXV)可以大大提高负载平衡能力。EXV能够开发复杂的控制策略来计量冷水机组的制冷剂流量。逐渐增加冷水机组冷却量，可减少其对蒸发器容量的突然影响。这是通过优化EXV开启率来实现的。开发仿真功能是为了模拟EXV在商用仿真软件中的使用。模拟方法与经验数据一致。该仿真模型对未来的系统开发和优化具有重要价值。

介绍

企业平均燃油经济性(CAFE)标准和法规年复一年地变得更加严格。因此，制造商正在转向BEV和PHEV车辆，以努力降低其车总油耗。BEV和PHEV架构通常都使用锂离子(Li-ion)电池来存储电能。为了防止不良情况，例如热失控或加速老化，采用了电池热管理系统(BTMS)。BTMS的正确操作和设计至关重要，因为温度会影响：电池的电化学系统、范围、充电速率、功率和能量输送、可靠性和寿命。在高温环境条件下，为了排出充放电过程中的热量，通常的做法是利用用于空调的汽车制冷系统。通常，利用车载制冷系统冷却电池的方法有3种：空气冷却、液体冷却和制冷剂冷却。空气冷却包括用额外的蒸发器将空调空气吹过电池组。液体冷却使用制冷剂到冷却板热交换器并将冷却的冷却剂输送到电池冷却板。最后，制冷剂冷却向电池冷却板提供制冷剂流，以直接冷却电池。无论选择何种方法，BTMS的冷却部分都会给移动空调系统增加额外的瞬态负载，影响性能和客舱舒适度。BTMS增加的容量要求会消耗压缩机功率，从而对车辆续航里程产生负面影响。由于增加了车辆的额外重量，它还会影响车辆的续航里程。因此，有必要优化系统以减少最大制冷剂系统负载，同时保持空调性能。在本文中，来自突然冷负荷的影响BTMS对空调系统进行了表征。液体冷却系统的一个例子将展示从传统的热力膨胀阀(TXV)到电子膨胀阀(EXV)的变化中受益。接下来，将介绍Amesim环境中EXV仿真模型的开发。开发的模型将与经验数据进行比较。最后，将讨论接下来的步骤。

系统响应阶跃输入

由于其卓越的性能和多功能性，选择了液冷BTMS进行研究。实验装置的示意图如图1所示。考虑了用于冷水机组的两种膨胀装置设置：带电磁截止阀的TXV和EXV。实验装置是在一个有条件的房间里建造的，在那里冷凝器和蒸发器接收温度和流量控制的空气。冷却器接收受控的冷却剂温度和流量。还控制压缩机每分钟转数(RPM)。实验首先用TXV和电磁截止阀构建，然后用EXV改装。在所有情况下，系统在制冷剂回路的冷却器部分被允许接收制冷剂流之前被加载并达到稳定状态。供应给冷却器的冷却剂的输送方式与车辆的流量和温度的水平数据是一致的。冷却剂以恒定的流量和温度供应。这仅与冷却液温度会随着时间下降的车辆的行为略有不同。

图1采用液冷BTMS的汽车制冷系统示意图

TXV的响应与电磁阀

该系统在高蒸发器负载条件下进行了测试，以测试系统的容量限制。这意味着气流量高，温度和湿度相对较高，因此未达到蒸发器出口目标温度。一旦系统达到稳定状态，冷却回路上的电磁阀设置为打开，允许冷却器回路冷却。在整个测试过程中，冷却器接收到恒定的冷却剂流量和温度。除时间外，所有实验数据都通过将变量除以最大测量值进行了无量纲化。对于制冷剂质量流量，这些值使用最大总制冷剂流量进行归一化。

数据分析：在前面讨论的负载条件下，可以在图2中看到螺线管在330秒时打开。进入冷却器的制冷剂质量流量(M)在达到较低的稳定值之前会出现初始峰值。因此，还可以看出，蒸发器制冷剂质量流量达到最小值，同时冷却器质量流量达到峰值。不确定蒸发器质量流量是否真的完全停止，或者是否低于所用科里奥利流量计的可测量。可以看到螺线管在640秒时再次关闭。一旦冷却器电磁阀关闭，蒸发器流量达到最大值，然后稳定到与阀门打开前相同的近似值。在冷却器质量流量峰值期间，蒸发器质量流量的突然下降导致蒸发器性能显着下降。

图2冷水机和蒸发器的无量纲制冷剂质量流量

图3无量纲蒸发器突发负荷引起的空气温度升高

蒸发器性能下降的证据可以在图3中看到。与此同时，螺线管打开后，蒸发器出风温度(T)上升到原来的两倍。蒸发器的排风温度恢复到低于最大值的30%。车辆中的这种行为可能会暂时中断客舱乘员的舒适度，并且是不可取的。

讨论：在汽车制冷系统中，TXV具有3个主要功能：

1.保持冷凝器出口到蒸发器出口所需的压力比。

2.调节流向蒸发器的制冷剂流量。

3.通过保持一定量的制冷剂过热度来保护压缩机免受入口处的液态制冷剂的影响。

在特定的实验设置中，使用了块式TXV，如图4所示。这种类型的TXV没有任何外部传感泡或毛细管。离开蒸发器的制冷剂通过TXV流回，感应包感应到。蒸发器出口压力(Pe)和内球压力(Pb)之间的力平衡决定了阀门的开度。球泡压力作用于膜片顶部，而蒸发器出口压力作用于膜片底部。如果净向下力大于预加载的向上弹簧力，阀门将打开，直到力相等。

图4传统H型热力膨胀阀(TXV)图

图5无量纲制冷剂温度

图6无量纲制冷剂压力

在实验中，当冷水机电磁阀突然打开时，冷水机TXV由于感应泡温度升高而突然打开，如图5所示。冷水机出口制冷剂温度达到最大值并保持比蒸发器更高的球温。蒸发器和冷却器出口制冷剂尺寸较小的压力(P)可以在图6中进行比较。由于并联流动回路的性质，当电磁阀打开时，压力是一致的。重要的是要注意；当电磁阀关闭时，由于制冷剂流量不足，冷水机组出口制冷剂量的测量不应该被认为是准确的。由于在相同运行压力下，与蒸发器出口相比，冷水机出口处的制冷剂温度升高，因此可以得出结论，冷水机在较高过热度下运行。这与在螺线管打开时冷却器接收的制冷剂流量比蒸发器多的发现一致。如果客舱冷却是优先事项，那么热力膨胀阀和负载情况的这种特定组合就变得不受欢迎。

EXV代替带电磁阀的TXV

先前的调查表明，用EXV代替传统的TXV可以显著节省能源。

这可以归因于两个主要因素：

1.它允许精确控制制冷剂允许降低热交换器出口处的制冷剂过热度

2.由于能够创建复杂的控制逻辑，运行更稳定。

最近，研究人员比较了与本文选择的非常相似的汽车制冷系统的性能。他们的研究结果表明，在冷却器回路中引入EVX代替TXV能够产生更稳定的运行，并将性能系数提高多达20%。用EXV替换TXV的好处很清楚，但系统对阶跃输入的响应尚未量化。BTMS上的突然负载可能并不总是源自制冷剂阀，而可能来自其他来源，例如冷却器回路冷却剂泵或电池。该系统是在与先前针对带电磁阀的TXV所涵盖的相同负载条件下进行测试的。使用步进电机驱动的EXV代替了带电磁阀的TXV。

数据分析：考虑了两种情况：以最大速率完全打开EXV，以优化速率完全打开EXV。结果将与带截止阀的TXV进行比较。在图7中可以看到通过冷却器的无量纲制冷剂质量流量的比较。从图中可以清楚地看出，EXV的最大开口大于TXV的最大开口。对于两种EXV情况，稳态冷却器制冷剂质量流量一致，但对于TXV，稳定为较低的值。重要的是要注意，与稳态相比，减缓EXV以最大速率打开会消除额外的制冷剂质量流量峰值。在图8中比较了蒸发器制冷剂质量流量。对于TXV和EXV以最大速率打开的情况，蒸发器似乎突然失去了所有制冷剂流量。EXV蒸发器质量流量的恢复时间比TXV系统长，这可能是由于EXV的容量增加所致。加速EXV打开消除了流向蒸发器的制冷剂的突然损失。制冷剂质量流量分布对蒸发器空气出口温度的影响如图9所示。事实证明，带电磁阀的TXV可提供最高的空气出口温度。考虑到较低的峰值空气温度，但较高的持续温度，EXV的最大打开速率必须比TXV慢。最后，当EXV逐渐打开时，蒸发器排气温度峰值与最大值相比降低了大约20%。进入机舱的空调空气是不受欢迎的。除非仔细考虑EXV控制，否则简单地用EXV替换TXV不会提供优化的结果。

图7无量纲制冷机制冷剂质量流量比较

图8无量纲蒸发器制冷剂质量流量比较

图9无量纲蒸发器出风温度比较

仿真模型发展为了更好地了解EXV可以在各种负载条件下为各种系统提供的好处，使用仿真工具变得有效。重要工作已经在TXV的模拟领域完成。在这项工作中使用的商用模拟软件中，SimcenterAmesim,TXVs模型很容易获得。据作者所知，SimcenterAmesim没有提供对EXV建模的直接解决方案。该仿真软件已用于在类似的汽车应用中仿真从TXV系统到EXV的切换。作者成功地模拟了用EXV替换TXV的好处，但没有考虑EXV和TXV的混合系统。关于在软件中模拟EXV所需的方法的详细信息仍未完全定义。子模型选择从两相流库中选择调制的两相流孔来模拟EXV。子模型的图形如图10所示。输入变量显示为红色，输出变量显示为绿色。子模型有3个端口。端口2和3是制冷剂流动端口。它们吸收制冷剂压力、密度和流体指数。它们输出焓流量和质量流量。端口1是一个通讯端口，它接收从0（完全关闭）到1（完全打开）的孔口打开信号。

图10选择用于模拟的电子膨胀阀(EXV)组件子模型

控制方程所选可变孔模型子模型的输入和输出变量之间的物理关系由方程1控制

m代表制冷剂质量流量。它的方向是根据从高压端口流向低压端口的流量计算的。计算的上游或入口压力为Pin。类似地，ρin是计算的入口或上游流体密度。Cq代表可变孔的流体流量系数。符号Ψ用于放电功能。可变孔的最大横截面积由Areamax表示。它使用从1到0变化的输入信号sig进行缩放。输入1表示完全打开，0表示完全关闭。最后，如果需要，可以使用压降增益kdp重新调整压降。

乍一看，方程式1似乎不是很直接。这是因为一般方程旨在允许解决了阻塞和非阻塞的流动条件。如果不考虑阻塞流，则可使用公式2计算不可压缩流的排放函数(Ψ)。在不可压缩公式中，η表示公式3给出的压力比。Pout表示计算的可变孔的下游或出口压力。最后，如果假设流动为湍流，则可以使用公式4计算流量系数，其中K是压降系数。

当等式2、3和4代入等式1，子模型输入和输出之间的关系变得更加清晰，如等式5所示。由ΔP表示的压降由等式6定义，并且只是入口压力减去出口压力。

EXV校准：EXV在保持上游过冷度、上游和下游压力恒定的情况下在不同的阶跃输入下进行了测试。阶跃输入(S)和制冷剂质量流量(M)之间的无量纲关系如图11所示。EXV特性曲线的形状取决于几个变量，最重要的是阀针和阀座几何形状。此信息通常无法从制造商处获得，并且通常需要额外的方程来建模。如果最大开口面积已知，压降增益设为1，并假设压降系数，公式1可改写为公式2求解sig。使用该等式，可以为每个无量纲步长输入值S导出对应的sig值，以确保正确的质量流量。在这项工作中使用的关系可以在表1中看到。

图11EXV质量流量与阶跃输入信号

表1 将输入信号校准为所需质量流量的无量纲步长

EXV校准验证然后使用一维线性插值查找表将阶跃输入信号转换为所需的校准信号。使用两种方法验证模型校准：

1.指定压力边界条件和输入信号并求解质量流量

2.指定高压侧压力、质量流量和输入信号并求解低压侧压力

用于验证质量流量和压降的EXV校准的系统草图的快照可分别在图12和图13中看到。在验证质量流量时，在EXV入口处指定了压力和过冷度。在EXV出口处还指定了低压侧压力，并使用了等焓膨胀的假设。在验证经过校准的EXV的压降时，还指定了EXV入口处的压力和过冷度。制冷剂质量流量和比焓在EXV出口指定。校准方法被证明是非常准确的。模拟与实测的比较在图14中可以看到无量纲质量流。所有19个数据点之间的差异被确定为不超过1×10-6。在图15中测量和模拟的无量纲压力比(PR)的比较可以看到类似的一致性。无量纲模拟压力比的值大于1，因为它被计算为大于测量的压力比。模拟和测量的无量纲压力比几乎完全一致，除了在零制冷剂质量流量条件下，它被过度预测了。无量

纲压力比的最大差被确定为1×10-3。对于给定的应用，这些数量级的误差被认为是可以接受的。

图12EXV质量流量校准验证示意图

图13EXV压降校准验证示意图

超级组件创建了一个EXVSuper组件以促进将EXV集成到当前可用的空调系统模型中。在Amesim环境中，超级组件是可以组合成单个组件的子模型的集合。生成的EXV超级组件如图16所示。EXV的这个超级组件使用与TXV现有可用子模型相同的封装和相似端口。按照设计，它可以让软件中的TXV替换为EXV变得简单。

图14测量和模拟的无量纲制冷剂质量流量比较

图15测量和模拟的无量纲制冷剂压力比比较

图16EXVSuper组件示意图

图17EXV超级组件内部示意图

图17显示了EXV超级组件内的草图。在supercomponent3子模型中可以找到：

1.连接到端口1的校准表(SIGFXA01)

2.可变节流孔(TPFMGR00)从端口2到5从冷凝器流向热交换器入口（冷却器入口）。

3.管道（TPFP001）从热交换器出口（冷水机出口）的端口4流向3。

初始瞬态仿真

TXV和EXV代替TXV，在先前测试的配置中进行了仿真。其目的是复制实验调查中发现的EXV与TXV相比的优势。该模型针对预先存在的瞬态驱动循环运行，其中获得的替代数据用于冷却器负载和车辆速度。在图18中可以看到无量纲车速(V)和冷却器负载的图。冷却器负载是冷却器冷却剂质量流量和入口温度的函数。模拟从冷却器最初打开开始。然后冷却器在1000秒标记之后关闭，直到2500秒标记重新打开。最后，冷却器在4700秒之前关闭。冷水机刚启动时，冷却液流量和温度达到最大值。重要的是要注意，与之前的制冷剂温度测量非常相似，当冷却剂不流动时，不应考虑冷却剂温度值。初始瞬态模拟结果图19中可以看到无量纲蒸发器出风温度的比较。当冷却器最初打开时，在下拉期间蒸发器出风温度几乎相同。当冷却器关闭时，EXV系统的温度略低于TXV系统。当冷却器重新打开时，可以在大约2500秒标记处看到对机舱冷却的模拟益处。系统蒸发器出风口的无量纲温度TXV飙升至大约0.40的值，而EXV系统最大值被发现低于0.34。蒸发器空气出口温度的降低被确定为大约15%。

图18 车速、冷却液质量流量和冷却液温度的瞬态轨迹

图19蒸发器空气出口温度与冷水机组TXV或EXV的瞬态迹

线比较

如图20所示，蒸发器空气出口温度的好处是以降低冷却器的瞬时散热量(Q)为代价的。发现峰值散热量减少了30%以上。这不被认为是一个问题，因为汽车应用中的电池通常是大且具有显着的质量；因此，电池温度不会立即响应冷却液温度。当冷水机关闭时，冷水机散热不会模拟为0。使用该策略是为了避免零流量条件以增加模拟收敛时间。

图20冷却器散热与冷却器或EXV的瞬态迹线比较

结论已开发出一种模拟方法，将EXV纳入当前可用的模拟模型中。初步模拟表明，当突然加载条件出现时，空调系统比TXV受益于EXV。开发的模型对于对各种负载原因开发复杂的控制策略以产生完全优化和稳定的汽车制冷剂系统非常有价值。模拟的未来发展将理想地确定提高BTMS系统效率的方法以及传统的汽车制冷系统。这样的系统将在机舱舒适度和电池的理想工作温度之间取得平衡。优化后的系统将为客户带来更高的客舱舒适度和更长的续航里程。

EXV超级组件的开发是为了简化仿真过程。校准方法学证明与可用的经验数据一致。当在瞬态仿真中使用经过充分验证的模型时，它显示出与实验研究类似的好处。实验数据表明，与TXV相比，使用EXV具有明显的优势。平稳增加阀门开度可避免客舱舒适度的突然变化。随着BEV和PHEV车辆变得越来越普遍，以提高车平均燃油经济性，混合TXV和EXV系统必然会出现。在这项

工作中传达的信息将理想地提供一种方法，通过BEV/PHEV汽车制冷系统模拟优化来实现更好的燃油经济性数字以符合CAFE标准。

文章来源：Martins, J. and Govindarajalu, M., “EXV to Optimize PHEV/BEV Automotive Air Conditioning System Performance and

Simulation Methodology,” SAE Technical Paper 2020-01-1393, 2020, doi:10.4271/2020-01-1393.