电动汽车热泵空调系统脏堵排查

胡超常，吴金，赵文魁，刘树友，陈龙，陈立伟，任锡玉，刘小林

（江西江铃集团新能源汽车有限公司，南昌市，330000）

引言

我国已经成为世界上最大的新能源电动汽车制造和消费市场，对汽车品质的追求已成为广大消费者重要考虑的因素，新能源电动汽车也已经成为我国重要的战略新兴产业以及推动国民经济可持续发展的重要引擎。作为新能源汽车的重要组成部分，空调系统零部件质量显得尤为重要。

家用和商用热泵空调在市场上已经有20多年的产品投放使用历史［1］，其电能利用效率极高，1倍的电能消耗可以输出2～3倍的热能，COP显著提升。由于汽车使用工况极其复杂恶劣，且成本和技术难度一直困扰着热泵技术在汽车行业推广，但随着全球均在加强环保意识以及《巴黎气候协定》的签订，各国都在根据本国实际制定减少碳排放的规模，习主席要求2030年我国实现碳达峰，2060年实现碳中和，在此背景下，我国的能源结构迎来了巨变，国家开始鼓励新能源电动汽车关键零部件使用和推广热泵技术［2］。由此，热泵技术在电动汽车上的使用推广迎来了重要的发展机遇期。

直接式热泵空调也属于汽车热泵空调的一种，该系统主要由电动压缩机总成、空调控制器、空调面板、室外换热器带电子风扇总成、HVAC总成（包含室内冷凝器、蒸发器和空气PTC）、气液分离器总成、电子膨胀阀（带滤网）和若干空调管路组成。制冷时利用HVAC内蒸发器吸走车内热量，鼓风机将换热后的冷风通过风道直接吹至乘客舱。制热时利用压缩机排气经过空调箱内部冷凝器放热，鼓风机将换热后的热风经过风道吹至乘客舱，实现车内车外热量的搬运转移交换。

针对热泵空调，行业内有不少研究，赵宇［3］等详细阐述了不同电动汽车热泵空调系统的特点，对如何提升其性能及未来发展发表了一些看法，对一些研究者会很有帮助；汪琳琳［4］等详细对比研究了3种纯电动汽车热泵空调的优缺点及发展前景；李万勇［5］等对电动汽车热泵空调系统低温制热性能及优化做了很全面的研究，分析了不同制冷剂在-20 ℃～7 ℃环境下的性能及优化；刘雨声［6］等研究了R1234yf热泵技术及前景分析。钱程［7］等研究了一种纯电动汽车双热源热泵系统的性能；何俊［8］等对降低制冷系统压缩机排气温度的方法进行了研究。

本文基于工厂外部FEU发现两台车热泵空调系统工作异常，故障现象描述为：空调工作时异响，噪声大，且断断续续不制冷。特请工程师协助排查分析，排查后发现两台车辆均存在脏堵现象，脏堵位置发生在制冷电子膨胀阀滤网处，同时对该批次零部件物料进行排查发现同样存在脏堵情况，识别零部件批次号后发现该批次物料已部分装配车辆并下线，经综合评估决定，由研发部门牵头，紧急对该批次车辆空调系统进行紧急测试排查分析。

1 堵塞故障种类的锁定

我们都知道汽车空调系统堵塞故障主要分为脏堵和冰堵两种类型，对于电动汽车热泵空调也是如此，吕秋硕和朱亮亮［9］的汽车空调制冷系统堵塞故障分析与排除文献中详细阐明了堵塞故障的识别、分析及排除。通过对故障现象的反复识别分析，确定该批次车辆堵塞类型为脏堵，且脏堵位置发生在制冷电子膨胀阀滤网处。朱亮亮、丁亚东［10］等的汽车空调膨胀阀常见故障分析与排除中详细阐述了膨胀阀的常见故障及排除。下一步就需要对该批次车辆热泵空调系统进行逐一排查测试分析，通过对测试数据进行分析筛选出问题车辆及正常车辆，需要对问题车辆制定详细的返工处理方案，返工处理完后还需要再一次进行测试分析数据，以确保车辆可以正常交付。

2 热泵空调系统的结构原理

在测试分析该车型热泵系统前需要先对该车型的热泵空调系统原理有一定的了解，该车型热泵空调系统主要零部件包括一个电动压缩机、一个室内双换热器（冷凝器和蒸发器）、一个室外换热器带电子风扇总成、3个电子膨胀阀、一个SOV阀、一个气液分离器、一个chiller和若干空调管路等。其结构原理图如下图1所示。

图1 该车型热泵空调系统及整车热管理结构原理图

该系统由乘员舱热管理系统、机舱热管理系统和电池包热管理系统组成，冷媒侧主要工作模式包括以下6种模式，对应的每个阀的控制策略如下表1所示。

表1 各主要模式下电子膨胀阀和截止阀控制策略表

3 问题车辆的排查

在确认堵塞类型为脏堵后，就要制定详细的排查方法来识别该批次车辆并进一步锁定问题车辆的脏堵零部件，为找出脏堵零部件的源头就需要制定一套详细的排查方案。

制定排查流程图如下图2所示。

图2 该批次车辆排查流程图

4 制定测试方案

通过查询近一周天气情况，白天以天晴为主，光照较强，环境温度30 ℃以上，基本相差不大，故选定白天测试工况为制冷工况：选择在上午10点30分后阳光充足且温度接近时间段进行测试分析，试验工况为，温度设定为LO，风量为5档风，外循环，开AC。

夜晚气温较低，在15 ℃左右，白天和夜晚温差大，制热工况可以选择在夜晚6点30分以后测试。

制热工况：选择在早晚温度较低且阳光不是很充足的时间段进行测试分析，试验工况为，温度设定为HI，风量为5档风，外循环，开AC。

根据测试方案对可疑问题车辆进行空调性能测试，记录其运行时的冷媒高压、排气温度、压缩机转速和电子膨胀阀开度等数据并对比分析。

部分测试结果如下表2所示。

表2 测试数据记录表

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5 分析测试数据

记录测试数据并进行分析，对排气压力、排气温度、压缩机转速和电子膨胀阀开度等数据异常以及压缩机异响的车辆进行进一步分析，通过详细分析测试数据，得出初步结论：同测试工况条件下出现①排气温度超过80 ℃以上，②压缩机低转速冷媒高压力，③高转速异常高压力大电流等情况下均存在脏堵异常情况，为验证结论的准确性，特对异常车辆零部件进行拆解，拆解结果发现测试数据异常的车辆均存在脏堵情况，如下图3所示。

经实车拆解分析发现，发现脏堵发生较多的位置为电子膨胀阀的滤网处（如下图3）。从图3可以看出滤网处有许多杂质，用手指头伸进滤网处掏一下再拿出来，明显能看到手上有一层比较厚的黑色物质。

图3 电子膨胀阀滤网处脏堵图

下一步需要对滤网处杂质进行详细的电镜分析，以确定杂质的具体组成成分。

6 锁定问题零部件

将拆下来的脏堵电子膨胀阀送至检测机构进行专业的电镜分析，对电子膨胀阀滤网处杂质成分进行电镜分析，电镜结果显示最大颗粒尺寸为957.5μm，已经远远超出乘用车空调系统行业标准QC/T 945中零部件规定的清洁度要求；详细结果如下图4所示，电镜元素分析结果显示，杂质成分中元素K、元素Fe和元素C的成分占主要比重；比较复杂，详细结果如下图5所示。下一步需要搞清楚这些元素成分是如何进入空调系统零部件内的。

图4 电镜分析尺寸结果图

图5 电镜分析元素结果图

由电镜结果可以看出空调系统内确实存在较大颗粒的杂质，故需要对已封控的问题批次物料进行排查识别，同时根据其杂质元素成分安排人对零部件供应商生产现场进行紧急审查。对厂内库存物料排查过程中发现空调管路管口处存在很多铝屑及毛刺，如下图6所示。

图6 空调管路管口内部铝屑图

从以上电镜分析结果和现场物料抽查结果显示，出问题的嫌疑最大的零部件为空调管路，其次为两器、chiller、电动压缩机和气液分离器。故调查小组着手开始审查供应商制造生产现场，审查结果证实确实存在很多问题，具体见下表3所示。

表3 供应商现场排查

综合测试数据结合拆解零部件以及供应商现场检查情况来看，此次脏堵事件为零部件清洁度管控不严导致的严重脏堵问题。其中空调管路的脏堵尤为严重，其次为两器，下一步需对筛选出的问题车辆制定详细的返工方案，根据返工方案进行零部件的统一更换，更换后需要再次复测，复测无异常后可正常确保交付。

7 倒查技术文件要求

通过对供应商现场的排查发现零部件清洁度要求管控不严才导致此次脏堵事件的爆发，因此有必要倒查技术文件要求中各零部件对清洁度的具体要求。倒查结果见下表4所示。

表4 各零部件清洁度要求倒查

从表4的倒查结果可以看出，此次脏堵事件不是一次偶然发生的事件，而是一次必然会发生的事件，前因后果皆已经很明显，要避免此类事件再次发生，需要设计部门、生产部门、质量等部门的通力配合。

查到此，似乎还忘了一个环节，就是电子膨胀阀的滤网尺寸，滤网孔尺寸为0.05 mm×0.05 mm规格，而传统使用热力膨胀阀系统的滤网尺寸为0.1 mm×0.1 mm规格，使用电子膨胀阀系统滤网孔尺寸比传统热力膨胀阀滤网孔尺寸缩小一倍，而考虑到此热泵系统的电子膨胀阀为借用成熟已量产的进口件，暂时不考虑加大滤网孔尺寸，后续到台架上验证缩小滤网孔尺寸后的实验，当前只针对其他零部件的清洁度做提升计划。

8 总结

本文基于对一批已下线的问题车辆热泵空调系统进行脏堵排查，锁定出脏堵零部件，详细阐明了此次脏堵事件发生的根本原因，制定了详细的返工方案以确保车辆交付。针对使用电子膨胀阀系统的滤网尺寸标准，以及是否可以取消电子膨胀阀处滤网，将滤网加在别的零件处，还有待进一步实验研究。在新能源汽车市场不断高速发展的前提下，续航里程越来越受到关注，热泵对提升续航有很大帮助，未来热泵空调系统市场也会越来越大，因此，对于汽车热泵空调系统的清洁度显得尤为重要。