CN113879067B - 集成电池冷却器汽车空调系统的冷媒流量分配控制方法 - Google Patents

集成电池冷却器汽车空调系统的冷媒流量分配控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供集成电池冷却器汽车空调系统的冷媒流量分配控制方法，涉及汽车空调领域；冷媒流量分配控制方法包括如下步骤：S1、根据电池冷却回路的进水温度、目标出水温度和冷却水流量计算电池冷却流路中的第一需求冷媒流量；同时，根据阳光强度和环境温度计算空调蒸发器流路中的第二需求冷媒流量；S2、根据第二需求冷媒流量计算热力膨胀阀自适应控制后的流路流阻；根据压力平衡原理可知，流路流阻等于电池冷却流路在第一需求冷媒流量下的流阻；S3、根据流路流阻计算电子膨胀阀需要控制的电子膨胀阀步数，并根据电子膨胀阀步数调节电子膨胀阀的开度；本发明能够实现对电池冷却流路和空调蒸发器流路中冷媒流量的精确分配，提高驾驶室舒适性。

Description

集成电池冷却器汽车空调系统的冷媒流量分配控制方法
技术领域
本发明涉及汽车空调领域，尤其涉及集成电池冷却器汽车空调系统的冷媒流量分配控制方法。
背景技术
目前电动汽车电池包的冷却一般采用水冷冷却的方法，由空调系统在空调箱蒸发器流路上并联一路电池冷却器(其本质为板式蒸发器)流路，来为电池冷却水路提供冷量。一般空调箱蒸发器流路使用电磁截止式常开热力膨胀阀，电池冷却器流路采用常闭式电子膨胀阀，其他电动压缩机、冷凝器等关键零部件两个流路共用。该技术方案的重点在于两路同时工作时，各路冷媒流量的控制，既要保证压缩机总流量最小，又要保证各分路流量满足降温需求的同时，不产生因某路冷媒蒸发不充分导致压缩机吸气带液发生液击等问题。
但目前市场上大多数车型对于两路冷媒流量的分配控制还以水温或者蒸发器温度为目标进行自整定PID控制为主，由于空调箱蒸发器一路使用的热力膨胀阀是机械式自适应调节，空调系统完全通过主动调节电池冷却器流路的电子膨胀阀开度来实现两路流量的分配，而一般车型由于不能准确预测驾驶室的冷媒流量需求，一般采取电池冷却优先的控制策略，即实际水温与目标水温差值大时，初始电子膨胀阀开度都标定的偏大(目标过热度偏小)，使电池冷却流路的流量分配时刻处于偏大的状态，等电池冷却回路水温下降到某一预设阈值时，再调小电子膨胀阀开度，使流量减少。当压缩机转速还有余量时，可以通过提高压缩机转速来提高总流量，使驾驶室舒适性得到一定保证，但此时系统波动性比较大(各路需求稳定的情况下)，由于PID调节需要一定时间找到合适区间，期间调节频繁。但当压缩机转速已经达到最高转速，此时势必造成驾驶室舒适性下降。
发明内容
本发明旨在提出集成电池冷却器汽车空调系统的冷媒流量分配控制方法，能够有效地实现电池冷却流路和空调蒸发器流路中冷媒流量的精确分配。
本发明提供集成电池冷却器汽车空调系统的冷媒流量分配控制方法，包括如下步骤：
S1、根据电池冷却回路的进水温度、目标出水温度和冷却水流量计算电池冷却流路中的第一需求冷媒流量；同时，根据阳光强度和环境温度计算空调蒸发器流路中的第二需求冷媒流量；
S2、根据所述第二需求冷媒流量计算热力膨胀阀自适应控制后的流路流阻；根据压力平衡原理可知，所述流路流阻等于所述电池冷却流路在所述第一需求冷媒流量下的流阻；
S3、根据所述流路流阻计算电子膨胀阀需要控制的电子膨胀阀步数，并根据所述电子膨胀阀步数调节所述电子膨胀阀的开度。
进一步地，步骤S1中，所述第一需求冷媒流量和所述第二需求冷媒流量的计算方法如下：
N总＝N电+N蒸 公式(1)
Figure BDA0003281116590000021
N蒸＝0.675×(0.0007×(T+0.028I)4-0.1084×(T+0.028I)3+5.4658×(T+0.028I)2-13.035(T+0.028I)-674.85) 公式(3)
qv电＝ηv×45×N电 公式(4)
qv蒸＝ηv×45×N蒸 公式(5)
其中，N总为压缩机计算转速，单位为rpm；N电为电池冷却需求转速，单位为rpm；N蒸为空调蒸发器需求转速，单位为rpm；c水为冷却水比热容，单位为J/(kg·℃)；ρ水为冷却水密度kg/L；qv水为冷却水流量，单位为L/min；T为车外环境温度，单位为℃；T进为电池冷却回路进水温度，单位为℃；T出为电池冷却回路目标出水温度，单位为℃；I为阳光强度，单位为w/m2；qv电为电池冷却流路中的所述第一需求冷媒流量，单位为mL/min；qv蒸为空调蒸发器流路中的所述第二需求冷媒流量，单位为mL/min；ηv为压缩机总转速下的容积效率。
进一步地，步骤S2中，所述流路流阻的计算方法如下：
M蒸＝(ΔP/1.3)0.5×(-0.0245×ΔT蒸 2+10.468×ΔT蒸+49.709) 公式(6)
M蒸＝60×ρ蒸×qv蒸 公式(7)
其中，M蒸为空调蒸发器流路中冷媒的质量流量，单位为kg/h；ΔP为所述流路流阻，单位为MPa；ΔT蒸为热力膨胀阀过热度，单位为℃；ρ蒸为空调蒸发器流路中压缩机吸气口冷媒密度，单位kg/mL；qv蒸为空调蒸发器流路中的所述第二需求冷媒流量，单位为mL/min。
进一步地，步骤S3中，所述电子膨胀阀步数的计算方法如下：
M电＝(ΔP/0.67)0.5×(-0.0003×B电 2+0.4074×B电-1.974) 公式(8)
M电＝60×ρ电×qv电 公式(9)
其中，M电为电池冷却流路中冷媒的质量流量，单位为kg/h；B电为电子膨胀阀步数；ρ电为电池冷却流路中压缩机吸气口冷媒密度，单位kg/mL。
进一步地，在步骤S3之后，还包括：
S4、当工况变化后，重新计算当前工况下的压缩机转速，并根据当前工况下的压缩机转速控制压缩机运行；同时，计算当前工况下的电子膨胀阀步数及所述电池冷却流路与空调蒸发器流路中当前工况下冷媒分配比例与实际冷媒分配比例的比值，并判断所述比值的大小；当所述比值小于0.95或者大于1.05时，按照当前工况下的所述电子膨胀阀步数调节所述电子膨胀阀的开度。
本发明的实施例提供的技术方案带来的有益效果是：本发明实施例中集成电池冷却器汽车空调系统的冷媒流量分配控制方法，包括如下步骤：S1、根据电池冷却回路的进水温度、目标出水温度和冷却水流量计算电池冷却流路中的第一需求冷媒流量；同时，根据阳光强度和环境温度计算空调蒸发器流路中的第二需求冷媒流量；S2、根据所述第二需求冷媒流量计算热力膨胀阀自适应控制后的流路流阻；根据压力平衡原理可知，所述流路流阻等于所述电池冷却流路在所述第一需求冷媒流量下的流阻；S3、根据所述流路流阻计算电子膨胀阀需要控制的电子膨胀阀步数，并根据所述电子膨胀阀步数调节所述电子膨胀阀的开度；本发明通过计算电池冷却流路和空调蒸发器流路中的第一需求冷媒流量和第二需求冷媒流量，并计算所述第二需求冷媒流量下的流路流阻，从而确定所述电子膨胀阀步数，并根据所述电子膨胀阀步数调节所述电子膨胀阀的开度，实现对电池冷却流路和空调蒸发器流路中冷媒流量的精确分配，使得空调系统的控制更加快速和稳定，避免冷量的浪费，提高驾驶室舒适性。
附图说明
图1为本发明某一实施例中集成电池冷却器汽车空调系统的冷媒流量分配控制方法的流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。
请参考图1，本发明的实施例提供了集成电池冷却器汽车空调系统的冷媒流量分配控制方法，包括如下步骤：
S1、空调控制器根据电池冷却回路的进水温度、目标出水温度和冷却水流量计算电池冷却流路中的第一需求冷媒流量；同时，空调控制器根据阳光强度和环境温度计算空调蒸发器流路中的第二需求冷媒流量；
S2、空调控制器根据所述第二需求冷媒流量计算热力膨胀阀自适应控制后的流路流阻；根据压力平衡原理可知，所述流路流阻等于所述电池冷却流路在所述第一需求冷媒流量下的流阻；
S3、空调控制器根据所述流路流阻计算电子膨胀阀需要控制的电子膨胀阀步数，并根据所述电子膨胀阀步数调节所述电子膨胀阀的开度。
具体地，步骤S1中，所述第一需求冷媒流量和所述第二需求冷媒流量的计算方法如下：
N总＝N电+N蒸 公式(1)
Figure BDA0003281116590000051
N蒸＝0.675×(0.0007×(T+0.028I)4-0.1084×(T+0.028I)3+5.4658×(T+0.028I)2-13.035(T+0.028I)-674.85) 公式(3)
qv电＝ηv×45×N电 公式(4)
qv蒸＝ηv×45×N蒸 公式(5)
其中，N总为压缩机计算转速，单位为rpm；N电为电池冷却需求转速，单位为rpm；N蒸为空调蒸发器需求转速，单位为rpm；c水为冷却水比热容，单位为J/(kg·℃)；ρ水为冷却水密度kg/L；qv水为冷却水流量，单位为L/min；T为车外环境温度，单位为℃；T进为电池冷却回路进水温度，单位为℃；T出为电池冷却回路目标出水温度，单位为℃；I为阳光强度，单位为w/m2；qv电为电池冷却流路中的所述第一需求冷媒流量，单位为mL/min；qv蒸为空调蒸发器流路中的所述第二需求冷媒流量，单位为mL/min；ηv为压缩机总转速下的容积效率。
首先通过公式(2)和公式(3)分别计算所述电池冷却需求转速和所述空调蒸发器需求转速，再根据公式(1)即可得到所述压缩机计算转速；最后根据公式(4)和公式(5)分别计算所述电池冷却流路中的所述第一需求冷媒流量和所述空调蒸发器流路中的所述第二需求冷媒流量。
具体地，步骤S2中，所述流路流阻的计算方法如下：
M蒸＝(ΔP/1.3)0.5×(-0.0245×ΔT蒸 2+10.468×ΔT蒸+49.709) 公式(6)
M蒸＝60×ρ蒸×qv蒸 公式(7)
其中，M蒸为空调蒸发器流路中冷媒的质量流量，单位为kg/h；ΔP为所述流路流阻，单位为MPa；ΔT蒸为热力膨胀阀过热度，单位为℃；ρ蒸为空调蒸发器流路中压缩机吸气口冷媒密度，单位kg/mL；qv蒸为空调蒸发器流路中的所述第二需求冷媒流量，单位为mL/min。
由上述公式(6)和公式(7)可以得到所述流路流阻，再将所述流路流阻代入下述公式(8)中。
需要说明的是，在本实施例中，所述电池冷却流路和所述空调蒸发器流路的管路管径及长度一致，且管路与换热器在不同流量下的流阻差值小于100Pa，在流路总流阻中占比不超过10％，对冷媒流量的影响不足5％，故对其进行了简化处理，各冷媒流路中只考虑膨胀阀节流带来的流阻。
具体地，步骤S3中，所述电子膨胀阀步数的计算方法如下：
M电＝(ΔP/0.67)0.5×(-0.0003×B电 2+0.4074×B电-1.974) 公式(8)
M电＝60×ρ电×qv电 公式(9)
其中，M电为电池冷却流路中冷媒的质量流量，单位为kg/h；B电为电子膨胀阀步数；ρ电为电池冷却流路中压缩机吸气口冷媒密度，单位kg/mL。
根据上述公式(8)和公式(9)得到所述电子膨胀阀步数，空调控制器根据所述电子膨胀阀步数调节所述电子膨胀阀的开度。
进一步地，在步骤S3之后，还包括：
S4、当工况变化后，重新计算当前工况下的压缩机转速，并根据当前工况下的压缩机转速控制压缩机运行；同时，计算当前工况下的电子膨胀阀步数及所述电池冷却流路与空调蒸发器流路中当前工况下冷媒分配比例与实际冷媒分配比例的比值，并判断所述比值的大小；当所述比值小于0.95或者大于1.05时，按照当前工况下的所述电子膨胀阀步数调节所述电子膨胀阀的开度。
在此步骤中，当所述电池冷却流路与空调蒸发器流路中当前工况下冷媒分配比例与实际冷媒分配比例的比值在0.95～1.05之间时，不对电子膨胀阀进行调节。
本实施例通过计算电池冷却流路和空调蒸发器流路中的第一需求冷媒流量和第二需求冷媒流量，并计算所述第二需求冷媒流量下的流路流阻，从而确定所述电子膨胀阀步数，并根据所述电子膨胀阀步数调节所述电子膨胀阀的开度，实现对电池冷却流路和空调蒸发器流路中冷媒流量的精确分配，使得空调系统的控制更加快速和稳定，避免冷量的浪费，提高驾驶室舒适性；由于压缩机提供的总流量，是满足各冷媒流路总需求的最小流量，同时按照各冷媒流路的热负荷进行了定量分配，各冷媒流路也是仅提供了满足热负荷需求的最小流量，从根本上解决了冷媒蒸发不充分，过热度不足的问题，以及因压缩机转速过大，电子膨胀阀开度过小，造成低压压力小，二次侧结霜的问题。
以上未涉及之处，适用于现有技术。
在本文中，所涉及的前、后、上、下等方位词是以附图中零部件位于图中以及零部件相互之间的位置来定义的，只是为了表达技术方案的清楚及方便。应当理解，所述方位词的使用不应限制本申请请求保护的范围。
在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.集成电池冷却器汽车空调系统的冷媒流量分配控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、根据电池冷却回路的进水温度、目标出水温度和冷却水流量计算电池冷却流路中的第一需求冷媒流量；同时，根据阳光强度和环境温度计算空调蒸发器流路中的第二需求冷媒流量；
S2、根据所述第二需求冷媒流量计算热力膨胀阀自适应控制后的流路流阻；根据压力平衡原理可知，所述流路流阻等于所述电池冷却流路在所述第一需求冷媒流量下的流阻；
S3、根据所述流路流阻计算电子膨胀阀需要控制的电子膨胀阀步数，并根据所述电子膨胀阀步数调节所述电子膨胀阀的开度。
2.根据权利要求1所述的集成电池冷却器汽车空调系统的冷媒流量分配控制方法，其特征在于，步骤S1中，所述第一需求冷媒流量和所述第二需求冷媒流量的计算方法如下：
N总＝N电+N蒸公式(1)
Figure FDA0004085041260000011
N蒸＝0.675
×(0.0007×(T+0.028I)4-0.1084×(T+0.028I)3
+5.4658×(T+0.028I)2-13.035(T+0.028I)-674.85)公式(3)
qv电＝ηv×45×N电公式(4)
qv蒸＝ηv×45×N蒸公式(5)
其中，N总为压缩机计算转速，单位为rpm；N电为电池冷却需求转速，单位为rpm；N蒸为空调蒸发器需求转速，单位为rpm；c水为冷却水比热容，单位为J/(㎏·℃)；ρ水为冷却水密度kg/L；qv水为冷却水流量，单位为L/min；T为车外环境温度，单位为℃；T进为电池冷却回路进水温度，单位为℃；T出为电池冷却回路目标出水温度，单位为℃；I为阳光强度，单位为w/m2；qv电为电池冷却流路中的所述第一需求冷媒流量，单位为mL/min；qv蒸为空调蒸发器流路中的所述第二需求冷媒流量，单位为mL/min；ηv为压缩机总转速下的容积效率。
3.根据权利要求2所述的集成电池冷却器汽车空调系统的冷媒流量分配控制方法，其特征在于，步骤S2中，所述流路流阻的计算方法如下：
M蒸＝(ΔP/1.3)0.5×(-0.0245×ΔT蒸 2+10.468×ΔT蒸+49.709)
公式(6)
M蒸＝60×ρ蒸×qv蒸公式(7)
其中，M蒸为空调蒸发器流路中冷媒的质量流量，单位为kg/h；ΔP为所述流路流阻，单位为MPa；ΔT蒸为热力膨胀阀过热度，单位为℃；ρ蒸为空调蒸发器流路中压缩机吸气口冷媒密度，单位kg/mL；qv蒸为空调蒸发器流路中的所述第二需求冷媒流量，单位为mL/min。
4.根据权利要求3所述的集成电池冷却器汽车空调系统的冷媒流量分配控制方法，其特征在于，步骤S3中，所述电子膨胀阀步数的计算方法如下：
M电＝(ΔP/0.67)0.5×(-0.0003×B电 2+0.4074×B电-1.974)
公式(8)
M电＝60×ρ电×qv电公式(9)
其中，M电为电池冷却流路中冷媒的质量流量，单位为kg/h；B电为电子膨胀阀步数；ρ电为电池冷却流路中压缩机吸气口冷媒密度，单位kg/mL。
5.根据权利要求1所述的集成电池冷却器汽车空调系统的冷媒流量分配控制方法，其特征在于，在步骤S3之后，还包括：
S4、当工况变化后，重新计算当前工况下的压缩机转速，并根据当前工况下的压缩机转速控制压缩机运行；同时，计算当前工况下的电子膨胀阀步数及所述电池冷却流路与空调蒸发器流路中当前工况下冷媒分配比例与实际冷媒分配比例的比值，并判断所述比值的大小；当所述比值小于0.95或者大于1.05时，按照当前工况下的所述电子膨胀阀步数调节所述电子膨胀阀的开度。
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Denomination of invention: Control method for refrigerant flow distribution in integrated battery cooler automotive air conditioning systems

Granted publication date: 20230616

Pledgee: Jinan Luneng Kaiyuan Group Co.,Ltd.

Pledgor: Grove Hydrogen Energy Technology Group Co.,Ltd.

Registration number: Y2024980009137

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