輕型商用車電池液冷空調(diào)系統(tǒng)制冷劑充注量計(jì)算及試驗(yàn)

【摘 要】結(jié)合理論計(jì)算和試驗(yàn)，探究某插電式混合動(dòng)力輕型商用車電池液冷空調(diào)系統(tǒng)制冷劑最佳充注量，通過在乘員艙和電池雙制冷模式、乘員艙單制冷模式分別進(jìn)行冷媒加注量試驗(yàn)，分析充注量與空調(diào)系統(tǒng)內(nèi)吸、排氣壓力、過冷度、過熱度等性能參數(shù)的關(guān)系和變化趨勢。分析結(jié)果：乘員艙單冷模式下最佳充注量為525g，而在乘員艙和電池雙冷模式下為575g，與系統(tǒng)理論加注量計(jì)算結(jié)果誤差5%以內(nèi)。在此空調(diào)系統(tǒng)最佳充注量下，整車環(huán)境模擬試驗(yàn)各工況出風(fēng)口溫度可達(dá)12℃以下，乘員艙內(nèi)頭部平均溫度最低可達(dá)25℃。

【關(guān)鍵詞】過冷度；過熱度；最佳充注量

中圖分類號：U463.851 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-8639（ 2024 ）10-0075-03

Calculation and Test of Refrigerant Filling Amount of a Light

Commercial Vehicle Battery Liquid-cooled Air Conditioning System

WU Chunlai

（Anhui Jianghuai Automobile Co.，Ltd.，Hefei 230601，China）

【Abstract】Combined with theoretical calculation and test，explore the optimal recharge amount of refrigerant in the battery liquid-cooled air-conditioning system of a plug-in hybrid light commercial vehicle. Through the refrigerant filling test in the passenger cabin and battery dual refrigeration mode and the passenger cabin single refrigeration mode，the recharge amount and the internal suction，exhaust pressure，overcooling，overheating，etc. of the air conditioning system are analyzed. The relationship and change trend of performance parameters. Analysis results： The optimal charge amount in the single cold mode of the crew cabin is 525g，while that in the dual cold mode of the cabin and battery is 575g，with an error of less than 5% of the calculation results of the system theoretical filling amount. Under the optimal charging capacity of this air conditioning system，the air outlet temperature of each working condition of the vehicle environmental simulation test can reach less than 12℃，and the average head temperature in the cabin can reach a minimum of 25℃.

【Key words】overcooling；overheating；the best amount of charging

作者簡介

吳春來（1985—），男，工程師，從事汽車空調(diào)、熱管理設(shè)計(jì)開發(fā)工作。

1 前言

汽車產(chǎn)品的快速迭代和升級需求使得汽車空調(diào)技術(shù)也不斷改進(jìn)和完善。汽車空調(diào)已不再是單純用于乘員艙制冷、制暖等舒適性功能，還涉及到整車電池液冷、液熱等相關(guān)的熱管理功能。特別是隨著新能源車的發(fā)展，動(dòng)力電池超級快充的應(yīng)用，汽車空調(diào)通過LLC冷卻液作為冷卻介質(zhì)，來控制電池的溫度平衡，擔(dān)負(fù)起電池液冷的功能。

在空調(diào)制冷系統(tǒng)中，制冷劑在制冷系統(tǒng)中起著傳遞熱量的作用，通過制冷劑的循環(huán)流動(dòng)將熱量從駕駛艙內(nèi)或電芯帶走并通過冷凝器排放到室外。制冷劑的充注量是至關(guān)重要的因素，制冷劑充注量不足或過多都會(huì)對系統(tǒng)的性能產(chǎn)生負(fù)面影響。制冷劑充注量過多時(shí)會(huì)導(dǎo)致排氣壓力過高、散熱不良等，嚴(yán)重時(shí)會(huì)對系統(tǒng)部件造成破壞，增加壓縮機(jī)的運(yùn)行負(fù)擔(dān)，甚至增加壓縮機(jī)能耗；制冷劑充注量不足時(shí)，蒸發(fā)器內(nèi)的制冷劑液體僅流經(jīng)半程就全部蒸發(fā)為氣體，造成蒸發(fā)熱度過大，進(jìn)入壓縮機(jī)氣體溫度過高，進(jìn)而導(dǎo)致排氣溫度過高，導(dǎo)致空調(diào)制冷效果不良。合理的制冷劑充注量不僅可以確保系統(tǒng)的高效運(yùn)行，還能延長系統(tǒng)的使用壽命。通過合理調(diào)整制冷劑的充注量，可以降低壓縮機(jī)的能耗，減少磨損，從而延長系統(tǒng)的使用壽命。因此，合適的制冷劑充注量對空調(diào)系統(tǒng)性能、運(yùn)行效率及部件可靠性具有重要意義。

2 輕型商用車液冷空調(diào)系統(tǒng)

2.1 液冷空調(diào)系統(tǒng)原理

本文的研究對象是輕型商用車插電式混合動(dòng)力電池液冷空調(diào)系統(tǒng)。液冷系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

本熱管理系統(tǒng)主要包括劑側(cè)和水側(cè)兩個(gè)循環(huán)回路，劑側(cè)主要由渦旋式電動(dòng)壓縮機(jī)、室內(nèi)蒸發(fā)器、室外冷凝器、電磁閥、電池冷卻器等組成，通過2個(gè)電磁閥的通斷配合來切換單制冷和雙制冷。水側(cè)主要包括電池冷卻器、板式換熱器、WPTC、水泵和補(bǔ)液壺，由水泵產(chǎn)生水路循環(huán)。

2.1.1 制冷模式

1）乘員艙單獨(dú)制冷：空調(diào)控制器發(fā)出AC請求至VCU，控制開啟壓縮機(jī)和冷凝器風(fēng)扇，并打開乘員艙的電磁閥，關(guān)閉電池冷卻器電磁閥。

2）動(dòng)力電池單獨(dú)制冷：VCU根據(jù)電池制冷請求，開啟空調(diào)壓縮機(jī)、冷凝器，并關(guān)閉乘員艙的電磁閥，打開電池冷卻器電磁閥，開啟電池冷卻器水側(cè)水泵。

3）乘員艙和動(dòng)力電池同時(shí)制冷：VCU根據(jù)乘員艙AC請求和電池液冷需求，控制開啟空調(diào)壓縮機(jī)、冷凝器，同時(shí)打開乘員艙的電磁閥、電池冷卻器電磁閥，并開啟電池冷卻器水側(cè)水泵。

2.1.2 保護(hù)策略

1）蒸發(fā)溫度保護(hù)：當(dāng)蒸發(fā)器表面溫度傳感器溫度低于1.3℃時(shí)，VCU主動(dòng)關(guān)閉乘員艙側(cè)制冷需求，控制對應(yīng)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，同時(shí)關(guān)閉乘員艙側(cè)電磁閥。

2）電池最強(qiáng)制冷模式：判定電池?zé)崾Э貢r(shí)，即電芯溫度大于≥45℃且30s后溫度還在上升，強(qiáng)制進(jìn)入動(dòng)力電池單獨(dú)制冷模式，此時(shí)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速按最高運(yùn)行，并關(guān)閉乘員艙側(cè)電磁閥。

3）系統(tǒng)壓力保護(hù)：系統(tǒng)采用三元壓力開關(guān)，高于3.14MPa或者低于0.196MPa時(shí)，不允許壓縮機(jī)運(yùn)行。

4）液冷結(jié)霜保護(hù)：單電池進(jìn)水溫度低于20℃時(shí)，VCU主動(dòng)關(guān)閉電池冷卻需求，控制對應(yīng)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速并關(guān)閉電池冷卻器電磁閥。

2.2 液冷空調(diào)系統(tǒng)主要組成

本車型空調(diào)系統(tǒng)壓縮機(jī)選用汽車用渦旋式電動(dòng)壓縮機(jī)，具體參數(shù)詳見表1。

室內(nèi)蒸發(fā)器為單排12微通道換熱器，外形尺寸（長×寬×高）為301mm×195mm×38mm；室外冷凝器為單排12微通道換熱器，外形尺寸（長×寬×高）為539mm×363mm×16mm；電磁冷卻器選用單排四微通道換熱器，外形尺寸（長×寬×高）為91mm×62mm×49mm。駕駛艙和電池冷卻器2個(gè)膨脹閥均為熱力膨脹閥，電磁閥均為直流24V低邊驅(qū)動(dòng)常開型通斷閥，系統(tǒng)制冷劑類型為R134a制冷劑。

3 制冷劑充注量理論計(jì)算

空調(diào)系統(tǒng)制冷劑充注量的計(jì)算方法主要有兩種：質(zhì)量法和容積法。所謂質(zhì)量法是根據(jù)系統(tǒng)所需的制冷量、室內(nèi)外溫度和空氣濕度等參數(shù)計(jì)算制冷劑的充注量。容積法則是根據(jù)制冷系統(tǒng)的零部件容積和制冷劑的密度來計(jì)算充注量。本文主要采用容積法計(jì)算，即采用制冷劑充注量占系統(tǒng)各部件內(nèi)容積百分比的值估算總的制冷劑充注量。電池液冷空調(diào)系統(tǒng)的制冷劑充注量等于室內(nèi)蒸發(fā)器、室外冷凝器、儲液干燥器、電池冷卻器和高壓側(cè)、低壓側(cè)各管路等部件的充注量之和。各部件制冷劑充注量所占內(nèi)容積比例見表2，本車型液冷空調(diào)系統(tǒng)主要部件的內(nèi)容積測量見表3。

根據(jù)上述主要部件內(nèi)容積和制冷劑的占比參數(shù)，電池液冷空調(diào)系統(tǒng)制冷劑充注量理論計(jì)算如下：

Σm=m1+m2+m3+m4+m5+m6

=1.207×（371×22%+441×27%+32×22%+205×70%+

298×27%+333×14%）

=1.207×478.31

=577.3（g）

內(nèi)容積計(jì)算法只能得出本系統(tǒng)大概的制冷劑正常循環(huán)狀態(tài)系的充注量，系統(tǒng)制冷劑最佳充注量則需要根據(jù)系統(tǒng)最小冷媒循環(huán)量、最大冷媒循環(huán)量工況試驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證。

4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1 試驗(yàn)方法

電池液冷空調(diào)系統(tǒng)制冷劑充注量試驗(yàn)方法，較傳統(tǒng)燃油車空調(diào)系統(tǒng)單乘員艙制冷空調(diào)系統(tǒng)的制冷劑充注量試驗(yàn)方法不同，不同的試驗(yàn)工況對制冷劑最佳充注量至關(guān)重要，需要確定系統(tǒng)的最大運(yùn)行充注量和最小運(yùn)行充注量的工況。系統(tǒng)最大運(yùn)行充注量對應(yīng)乘員艙制冷加電池冷卻同時(shí)制冷的運(yùn)行模式，系統(tǒng)最小運(yùn)行充注量對應(yīng)乘員艙單獨(dú)制冷運(yùn)行模式，最終確定的充注量標(biāo)定試驗(yàn)工況見表4，制冷劑從250g起開始充注，分別為275g、300g、325g、350g、375g、400g、425g、450g、475g、500g、525g、550g、600g、625g、650g、675g、700g。試驗(yàn)前對系統(tǒng)進(jìn)行抽真空、保壓，分別在雙冷和單冷模式下監(jiān)測系統(tǒng)的吸排氣壓力、吸排氣溫度、儀表臺出風(fēng)口溫度、乘員艙頭部溫度、過冷過熱度等。

4.2 乘員艙單冷模式試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

圖2為乘員艙單冷模式下空調(diào)系統(tǒng)的吸排氣壓力、過冷度、過熱度、膨脹閥進(jìn)出口溫度隨充注量變化的曲線。在乘員艙單冷模式下，隨著制冷劑充注量的逐漸增加，壓縮機(jī)排氣壓力隨之正常上升，而壓縮機(jī)吸氣壓力基本保持在0.4MPa左右；在制冷劑充注量275～425g范圍時(shí)，排氣壓力緩慢上升；在充注量425～550g之間時(shí)，排氣壓力基本穩(wěn)定在1.75MPa左右；當(dāng)充注量超過550g后，排氣壓力開始急劇升高，產(chǎn)生突變效應(yīng)。

蒸發(fā)器出口過熱度和冷凝器出口過冷度也是空調(diào)系統(tǒng)制冷劑充注量是否合適的重要判斷指標(biāo)。當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)制冷劑很少時(shí)，冷媒循環(huán)量不足，冷凝器出口的過冷度很小，蒸發(fā)器出口的過熱度很大，直接影響到空調(diào)系統(tǒng)的制冷效果，系統(tǒng)部件因得不到合理的冷卻而對系統(tǒng)部件運(yùn)行壽命不利。隨著制冷劑充注量的不斷增加，冷媒循環(huán)量逐漸增大，冷凝器過冷度逐漸增加，蒸發(fā)器過熱度逐漸降低。

在乘員艙單冷模式下，充注量在425～525g范圍內(nèi)時(shí)，冷凝器過冷度和蒸發(fā)器過熱度曲線相對平穩(wěn)并且于充注量425g時(shí)相交，在此充注量范圍內(nèi)，系統(tǒng)內(nèi)制冷劑慢慢趨于飽和，冷凝器和蒸發(fā)器的有效換熱面積逐漸得到充分利用。排氣壓力和過冷度在525g之后有明顯抬升，蒸發(fā)器過熱度在5～10℃，冷凝器過冷度在5℃以上時(shí)比較理想；充注量在450～525g區(qū)間時(shí)，吸排氣壓力、過冷度、過熱度、膨脹閥進(jìn)出口溫度曲線基本都是平穩(wěn)的。因此，選取冷凝器過冷度和蒸發(fā)器過熱度相對穩(wěn)定的充注量范圍為系統(tǒng)在當(dāng)前工況下的最佳充注量，即乘員艙單冷模式下的最佳充注量為450～525g。

4.3 乘員艙和電池雙冷模式試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

乘員艙和電池雙冷模式時(shí)，制冷劑經(jīng)壓縮機(jī)壓縮至室外冷凝器，經(jīng)室外冷凝器冷凝后，制冷劑通過2個(gè)并聯(lián)的熱力膨脹閥分別進(jìn)入室內(nèi)蒸發(fā)器、電池冷卻器，制冷劑吸熱后給駕駛艙和電池產(chǎn)生制冷效果。圖3為乘員艙和電池雙制冷模式的加注量試驗(yàn)結(jié)果。隨著制冷劑充注量的逐漸增加，壓縮機(jī)吸氣壓力基本保持在0.4MPa左右，而排氣壓力隨著加注量的增加緩慢上升，在制冷劑充注量275～425g時(shí)，排氣壓力正常上升；在充注量425～575g之間時(shí)，基本穩(wěn)定在1.7MPa左右；當(dāng)充注量超過600g后，排氣壓力開始急劇升高。

在乘員艙和電池雙冷模式下，充注量在425～575g范圍內(nèi)時(shí)，過冷度和過熱度曲線相對平穩(wěn)并且于充注量425g相交；蒸發(fā)器出口過熱度在充注量400g之前下降較快；在400g之后蒸發(fā)器出口過熱度下降明顯變緩，蒸發(fā)器的有效換熱面積基本得到充分利用；排氣壓力和冷凝器過冷度在575g之后有明顯抬升。蒸發(fā)器過熱度在5～10℃，冷凝器過冷度在5℃以上時(shí)比較理想，在425～575g區(qū)間，所有曲線i9mQ1/69ujGYM4lCrl6jtA==基本上都處于平穩(wěn)狀態(tài)。因此，乘員艙和電池雙冷模式下的最佳充注量范圍為425～575g。

5 結(jié)論

本文研究了不同工況下某電池液冷車型空調(diào)系統(tǒng)的冷媒充注量試驗(yàn)，研究了不同制冷工況下的制冷劑充注量對吸排氣壓力、過冷度、過熱度等系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)的影響和變化趨勢，確定了系統(tǒng)正常工作所需的最小、最大制冷劑充注量，并得出該車型的量產(chǎn)冷媒充注量。

1）駕駛艙單冷模式下，通過判斷冷凝器出口過冷度和空調(diào)系統(tǒng)高壓壓力確定最優(yōu)的制冷劑加注量范圍為425～525g，范圍寬度為100g。

2）駕駛艙和電池雙冷模式下，通過判斷冷凝器出口過冷度和空調(diào)系統(tǒng)高壓壓力確定最優(yōu)的制冷劑加注量范圍425～575g，范圍寬度150g。

3）通過試驗(yàn)測試和理論計(jì)算相結(jié)合，同時(shí)考慮實(shí)際系統(tǒng)的年泄漏量等因素，最終選取該車型實(shí)際充注量為550g。在該充注量狀態(tài)下，所有曲線基本上都是平穩(wěn)狀態(tài)。

4）在雙冷模式下，系統(tǒng)的制冷劑充注量需求較單冷模式較多。

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（編輯 楊凱麟）