汽车空调变排量系统稳定性的试验研究

韩晓波，钱锐

（泛亚汽车技术中心有限公司，上海 201201）

汽车空调变排量系统稳定性的试验研究

韩晓波*，钱锐

（泛亚汽车技术中心有限公司，上海 201201）

为提高汽车空调系统的控制精确度和稳定性，针对变排量压缩机系统的振荡现象进行了台架和整车试验研究。通过分析实际现象和对比各种措施，分别得出了内控变排和外控变排系统的调节方法，并试着推广到双蒸发器系统。结果还表明，根据振荡发生的工况和热力膨胀阀类型的不同，调节的方法和产生的效果也有所不同。

汽车空调；稳定性；变排量系统

0 引言

随着环保理念的深入人心和外控压缩机的广泛应用，汽车空调的控制越来越高效节能。精确控制的前提是被控对象的稳定性。但是制冷系统的振荡是客观存在的。

国内外学者做了大量的制冷系统稳定性研究，中科院田长青博士总结为蒸发器完全蒸干点随机振荡现象的研究[1]、蒸发器和热力膨胀阀控制回路稳定性研究[2-3]和定容量制冷系统稳定性研究三大类。这些研究阐明了：(1) 不考虑外界影响，蒸发器单体本身存在液体波导致的振荡；(2) 蒸发器和膨胀阀组成的回路，由于蒸干点和膨胀阀特性线可能有重叠，以及回路传递函数的固有特性，某些工况下会产生振荡；(3) 定排量系统的动态模型在一定情况下会产生振荡，各参数间存在耦合关系。

也有很多学者对变排量压缩机进行了细致的理论研究[4-5]，其中文献[6]在对外控变排量系统进行振荡研究时提出了基于膨胀阀特性线和R134a物性线交叉点的理论。认为在中低负荷时，根据吸气压力相对于交叉点的大小关系，可以使系统分别处于稳定，阻尼振荡和不稳定三种不同状态。产生的原因主要还是膨胀阀和蒸发器的相互作用。

本文拟通过对变排量系统的试验研究，着重于不同工况下振荡发生原因的分析和相应措施的应用，以提高系统实际工作中的稳定性，满足精确控制的目的。

1 振荡的发生

汽车空调的运行工况是多变的，当处于不同的环境温度、车速和热负荷组合时，总会不同程度地出现类似振荡的现象。可以这样认为，当某个系统中存在不止一个变量时，要使其在宽幅扰动区间内都保持稳定状态是很困难的。

换个角度考虑，变量之一的热力膨胀阀本身是个被动调节元件。它对于系统的感应和反馈，往往受到制冷剂相态，压力和气相头时间常数等等的影响。相对于其它空调来说，汽车空调系统并不具备足够大的热力学惯性，传统膨胀阀难以做出足够快和精确的动作。这在国内外很多案例分析中已经受到质疑并形成共识，由此也逐渐引出了电子膨胀阀的研究。

所以，以下的探讨将把重点放在如何减轻振荡现象，而不拘泥于消除该现象。

2 振荡的试验研究

2.1 内控压缩机系统

内控压缩机控制阀的动作特性和压缩机吸排气压力等等因素相关，工程上简化成直线，如图 1所示。当工况位于斜线上方时处于大排量状态，下方是小排量状态，特性线附近是过渡段（稳定程度因控制阀内部结构而异）。图2和3的试验对象为整车，工况分别是大排量状态A和部分排量状态B。

B点工况的选择区间：变排量系统使用交叉充注的膨胀阀，当处于很小负荷即负过热度时有类似毛细管的特性，比平行充注更容易稳定。所以低负荷工况选取的点应在控制阀特性曲线周围，并保证膨胀阀此时过热度大于零。

图1 内控压缩机控制阀特性曲线

图2是A点的振荡现象。试验在风洞中进行，热负荷和车辆工况稳定。过热度和压力等波动的幅度均匀而且频繁，周期在 60秒左右，无法自行收敛。根据当时的制冷剂压力和温度判断，压缩机处于大排量，而膨胀阀正处于开阀曲线附近，它和蒸发器的耦合作用主导了振荡现象的发生。

图2 内控系统大排量时的振荡现象

图3是B点的振荡现象。试验室和车辆工况稳定，但过热度和压力同样出现了频繁的波动，波幅不是很均匀，周期在 40秒左右，无法自行收敛。波幅的不均匀可能有两种原因：(1) 压缩机控制阀的流量调节和膨胀阀相互作用的原因；(2) 由于过热度较低，膨胀阀出口制冷剂相态的变化会引起感温速度的变化。可见在部分排量时，由于增加了压缩机的作用，使得振荡现象更加复杂。

图3 内控系统部分排量时的振荡现象

反复的试验优化证明，实际工作中常常可以采取以下措施来应对：

1）对于大排量时出现的振荡，膨胀阀和蒸发器的相互作用是主导，一般调节开阀曲线来避开常用的和明显影响舒适性的区域，如图4所示优化后振荡明显减小。需要注意的是：a) 新的设定值在低负荷下要充分验证，往往和高负荷时的能力形成相互制约，需要平衡；b) 开阀曲线无论怎样调整，总是客观存在的，它的动作区间在其它环境中还是会和蒸发器相互影响，需要进行验证；c) 要验证文献[7]中提出的“吸气压力高于交叉点0.02 MPa时会产生振荡”的理论，类似的案例还是比较多的。

2）对于部分排量时出现的振荡，不仅需要调节膨胀阀曲线，还要考虑压缩机控制阀曲线的影响，目的也是要避开常用和明显影响舒适性的区域。同样，调节过程需要考虑第1点中的三个注意点，还要增加对系统抗结霜能力的验证，这比舒适性更重要。

图4 调节开阀曲线后的振荡现象

2.2 外控压缩机系统

外控压缩机的发明对于汽车空调控制来说是革命性的，它的主动控制方式允许标定工程师用能耗最低的方式来满足客户的制冷需求。不同于内控系统，外控系统大部分的时间工作在部分排量状态，并根据环境、车速和热负荷等的变化随时改变排量。

试验证明，排量为最大时，外控系统的表现和内控一致；处于部分排量时，压缩机控制阀的作用往往会主导制冷系统。当控制目标（如送风温度）的偏差值超过一定量时，PID控制器就会工作，排量就会改变直到被控物理量逐渐收敛。当然，不同程序的控制算法和目标不同，但共同点都是主动控制，它的能力超越了热力膨胀阀，成为了系统的主宰。

不过膨胀阀的被动调节在系统中始终存在，每当压缩机排量变化时，或者蒸发器干度变化时，它也会按照自己的规律动作。各种影响的叠加往往会拉长PID收敛的过程，当某个因素的调节精度无法满足被控物理量的精度时，就会产生振荡现象，如图5所示，振荡周期在130 s左右，无法自行收敛。通过对特定工况下压缩机输出排量的调整和PID控制参数的优化，获得了不错的效果，如图6所示。

图5 外控系统的振荡现象

图6 调节压缩机排量和PID参数后的振荡现象

反复的试验优化证明，实际工作中以下措施是有效的：

1）当处于大排量阶段，可以参照内控进行调节和验证。

2）部分排量是客户最常用的工况，考虑不同的气候特点，标定过程会很漫长。它要求工程师对影响系统稳定的各个因素都比较熟悉，了解它们在各阶段的调节精度，按照当时的舒适性需求，对被控目标、压缩机排量，PID系数，风量等进行合理的设置，同时考虑使膨胀阀曲线偏离密集振荡区域，尽量避免对客户的影响。

2.3 双蒸发器系统

较大的多功能车型会使用到双蒸发器系统，它们共用一个压缩机和冷凝器。两个蒸发器分管不同的乘客舱区域，能力存在较大的差异，热力膨胀阀也常常因为可靠性的需要而采用不同的充注方式，所以各自时间常数、反应速率是不同的，这些都导致实际试验中发生振荡的现象更普遍。

对系统研究来说，增加一个振荡的耦合体的话，调节难度会更大，较为有效的方法是把目标放在解决主要振荡因素上。如图7所示，在台架试验中发现前后系统的振荡频率是同步的，但后面的振幅明显比前面大，所以更多的精力应放在后蒸发器上的膨胀阀曲线调节上。如图8所示，优化后，前后蒸发器的振荡现象明显减轻，且系统能力不变。整车风洞试验数据也验证了同样的趋势。

对比各种优化结果，对多数双蒸发器系统来说，调整压缩机参数的作用较小，而调节膨胀阀的效果更明显。

图7 双蒸发器调节前的振荡现象

图8 双蒸发器调节后的振荡现象

3 结论

以上针对变排量汽车空调系统的振荡现象的试验和探讨，侧重于实际应用，小结如下，进一步的理论研究将会继续进行：

1）振荡发生在大排量时，主导因素是蒸发器和膨胀阀的耦合体，此时调节膨胀阀开阀曲线可以使不稳定区域离开客户常用的区域，效果明显。

2）振荡发生在部分排量时，除了上述的耦合体外，还加入了压缩机的影响，尤其对外控系统来说是最常用的工况，此时膨胀阀和压缩机控制阀曲线都需要调整，使得客户常用区域处于稳定区间。

3）双蒸发器系统，更多的不稳定因素使得振荡现象发生的更频繁，方法同上述两条，但调节的目标要侧重于振幅较大的部分，往往能收到事半功倍的效果。

4）试验研究是在稳态工况下进行的，在实际行驶中，送风温度的波动不仅仅是由系统振荡导致的，更多的是随着车速、日照和热负荷的变化而产生的；总体来说，波动幅度控制在0.5度以内基本不会对客户舒适性产生不利影响。

5）汽车空调系统的热力学惯性相对较小，而传统热力膨胀阀的动作取决于制冷剂压力、温度、相态变化和气相头时间常数等，难以满足速度和精度的要求，对于解决振荡现象来说，电子膨胀阀可能更适合。

6）就热力膨胀阀本身的耐久性能考虑，行业中常用的标准还是比较严格的，如果振荡现象不是持续发生，波动不是太大，还是可以满足整车正常使用要求的。

[1]田长青, 窦春鹏, 杨新江, 等. 制冷系统的稳定性[J].流体机械, 2002, 30(4): 44-47, 40.

[2]陈芝久, 蒋文强. 制冷蒸发器与热力膨胀阀调节回路的稳定性分析[J]. 上海交通大学学报, 1990, 24(2): 58-66.

[3]由玉文, 吴爱国, 张志刚, 等. 基于最小稳定过热度的制冷系统变负荷优化控制[J]. 低温与超导, 2011, 39(11): 1-6, 63.

[4]陈芝久, 袁晓梅. 汽车空调压缩机变排量控制阀的研究现状[J]. 上海交通大学学报, 2001, 35(8): 1264-1267.

[5]赵宇, 祁照岗, 陈江平, 等. 汽车空调压缩机排量控制方法的实验研究[J]. 上海交通大学学报, 2008, 42(8): 1274-1276, 1281.

[6]HAMERY B, LIU J M, RIVIERE C. Instabilities occurring in an automotive a/c loop equipped with an externally controlled compressor and a thermal expansion valve[J]. SAE Technical Paper Series, 2001(1): 17-17.

Experimental Investigation on Instability of Variable Displacement System for Automotive Air Conditioning

HAN Xiao-bo*, QIAN Rui
(Pan Asia Technical Automotive Center Co., Ltd, Shanghai 201201, China)

To improve the control precision and stability of automotive air conditioning, the surges of variable displacement compressor systems have been tested by bench and vehicle. Based on actual phenomenon analysis and measures comparison, the regulative solutions for internal and external controlled variable displacement compressor systems have been obtained separately, and this method has been extended to dual evaporator system. Moreover, the solutions and effects were different for various thermostatic expansion valves and working conditions.

Automotive air conditioning; Stability; Variable AC system

10.3969/j.issn.2095-4468.2014.02.107

*韩晓波（1975-），男，工程师，工程硕士。研究方向：汽车空调和发动机冷却。联系地址：上海市龙东大道3999号，邮编：201201。联系电话：021-50165038。E-mail：xiaobo_han@patac.com.cn。