汽车膨胀阀的工作原理(电子膨胀阀控制与诊断)

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一、电子膨胀阀简述

汽车热管理系统经常会使用到的重要节流元件之一为电子膨胀阀，尤其是在热泵空调系统中为必不可少的重要电子部件。电子膨胀阀控制原理大部分是基于蒸发器出口过热度进行控制，通过调节电子膨胀阀的开度实现最佳的目标过热度，保证蒸发器处于高效可靠的工作区域，过热度示意见图1。一般情况下，电子膨胀阀开度越大，流过的制冷剂流量越大，压差也增大，蒸发器换热能力也增强；电子膨胀阀开度越小，蒸发器进出口温差会增大，过热度也随着加大。通过控制算法来实现系统过热度尽量达到目标过热度，进而使整个系统更稳定和更好的节能。

图1 过热度示意

二、电子膨胀阀过热度计算方法

2.1 压力温度式计算方法

压力温度式计算方法指通过采集安装于蒸发器出口处的压力温度PT传感器，分别可以采集到蒸发器出口温度T1和蒸发器出口压力P1。过热度等于（T1-Tp1），如图2所示，其中Tp1为P1对应的制冷剂饱和温度，也就是蒸发温度，这种计算方法计算得到的过热度为系统的真实过热度。但是有些热管理系统设计之初考虑整车成本压力，可能不会选择压力传感器或者压力温度PT传感器，而是选择了另外第二种控制方法，即双温度式控制方法。

图2 压力温度式传感器布置示意

2.1 双温度式计算方法

双温度式控制方法指通过采集安装于蒸发器进口、出口处的温度传感器数值来计算过热度。过热度等于（T1-T2），如图3所示。由于制冷剂在流过蒸发器的时候存在一定的流阻,会产生一定的压降，会出现蒸发器入口温度T2并不完全等于蒸发温度，因此通过双温度式控制方法可以相对的在一定程度上反映过热度，但不是系统的真实过热度，蒸发器流阻越大，此计算的过热度与真实过热度偏差也越大。

图3 双温度式传感器布置示意

2.3两种计算方法比较

根据已有参考文献知道，虽然两种控制方法采用的参数略有不同，但针对同一系统而言，双温度式计算方法与压力温度式计算方法测的过热度趋势是一致的，两者差值也基本保持一个稳定区间之内，如下图4，为额定制冷条件下取得的不同电子膨胀阀开度下两种过热度计算方法的计算结果(数据来源：《空调系统中电子膨胀阀的控制及应用》)。

图4 两种计算方法比较

综上可知，为了降低成本，取消压力传感器，而采用蒸发器入口温度传感器替代是工程上可行的方案。

三、过热度控制算法

过热度控制框图如图5所示。过热度控制算法大部分是以蒸发器出口过热度为控制目标，一般以目标过热度与实际过热度的差值作为输入。具体算法有PID、PI、模糊控制、PID与模糊联合控制等算法，当然实际工程上使用较多的为PID或PI算法。

图5 过热度控制框图

图6为PID与模糊联合控制算法的示意框图，可以通过该图也可以清晰地了解PID、PI、模糊控制的基本控制原理。

图6 PID与模糊联合控制算法的示意

关于PID算法有位置式和增量式，具体如下公式所示。

四、电子膨胀阀故障诊断

电子膨胀阀控制回路主要包括三个重要部件，分别为控制单元ECU控制器、被控对象电子膨胀阀、采集传感器（示意图采用PT），如图7所示。

图7 电子膨胀阀控制回路示意

电子膨胀阀故障诊断处理主要包括如下几个部分：

蒸发器温度传感器故障，关闭压缩机。

电子膨胀阀故障，关闭压缩机。

PT传感器故障，若蒸发器温度传感器有效情况下，电子膨胀阀执行50%开度，可以根据实际情况来确定该故障情况下的开度步数。

文|漫漫自由路 首发WX公号<热管理文摘精选>