一种液冷气体冷却器及其冷却液流量控制方法

本发明属于采暖、通风、制冷及热泵，涉及跨临界二氧化碳二次回路热管理系统，特别涉及一种液冷气体冷却器及其冷却液流量控制方法。

背景技术：

1、新能源电动汽车的应用、普及，缓解了环境污染、化石能源短缺的问题；其中，由于缺少可回收的发动机余热，独立的热泵系统成为了新能源电动汽车不可缺少的一部分。

2、目前，电动汽车主要采用r134a热泵空调系统；其中，r134a的冬季制热性能低下，为了保障乘客的热舒适度，电动汽车通常还采用ptc辅助电加热为车厢提供额外的热量；另外，r134a的gwp值高达1430，对环境十分不友好，正面临着被全面淘汰的现状。二氧化碳作为纯天然制冷剂，凭借无毒无污染且价格低廉等特点，成为了新一代最为理想的替代制冷剂选择之一；另外，与ptc辅助电加热相比，二氧化碳热泵的制热性能优越，冬季可以节约大量的电池电量，间接的延长电动汽车的驾驶里程。

3、现有技术中，大部分汽车空调配置为直接膨胀系统；其中，制冷剂直接进入乘员舱进行换热，一旦发生泄漏，乘客有可能直接接触到制冷剂；对于跨临界二氧化碳系统来说，高工作压力会导致客舱内二氧化碳浓度过高的可能性。在此背景下，越来越多的科研人员开始研究间接系统，希望由此开发一套更加高效的新能源汽车热管理系统。

4、跨临界二氧化碳二次回路热管理系统是一种上述的间接系统，运行时二氧化碳制冷剂与冷却液进行换热，继而冷却液再和空气换热达到车舱或者零部件热管理的目的；其与直接系统不同，二氧化碳与冷却液的换热在液冷气体冷却器中进行，液冷气体冷却器一般为板换换热器，是由一定数量的金属板片叠装而成的一种高效换热器，各种板片之间形成薄矩形通道，制冷剂和冷却液分别由通道流过，通过板片进行热量交换，是液-液进行热交换的理想换热器。进一步解释性的，跨临界二氧化碳二次回路系统的可优化参数众多，其中冷却液流量的优化设计是有别于直接系统在二次回路中额外存在的，且冷却液流量对二次回路系统的性能影响较大，与最优排压一样存在最优值；其中，由于气体冷却器中存在较大的温度滑移，制热工况下系统需要冷却液小流量提供换热器进出口大温差，制冷工况下进出口温差较小，冷却液大流量有利于换热，两种工况下的差异较大，导致无法在同一个简单的液冷气体冷却器(liquid cooled gas cooler，lcgc)中实现不同工况下合适的压降和良好的换热。

5、综上所述，对于跨临界二氧化碳二次回路热管理系统来说，为了在各种工况下lcgc都在合理压降下提供优良的换热，确保系统在最优性能下运行，亟需一种新的有效的跨临界二氧化碳二次回路新能源汽车热管理系统的液冷气体冷却器。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种液冷气体冷却器及其冷却液流量控制方法，以解决上述存在的一个或多个技术问题。本发明提供的技术方案中，针对跨临界二氧化碳二次回路热管理系统在制热和制冷两种工况下的适宜冷却液流量巨大差异，在不同工况下换热器采用不同排布方式，解决了其所导致的无法在单一lcgc中同时实现合适的压降和良好的换热，以提升整体系统性能；另外，本发明为冷却液流量的调节提供了一种高效的控制方法，可简化调参过程。

2、为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

3、本发明提供的一种液冷气体冷却器，包括：n个板式换热器，各板式换热器具有相同数量的板片；其中，

4、所述液冷气体冷却器设置有冷却液进口、冷却液出口、制冷剂进口和制冷剂出口；

5、所述n个板式换热器中的第一个板式换热器的冷却液换热通道进口与所述冷却液进口相连通，第二个板式换热器至第n个板式换热器的冷却液换热通道进口分别经截止阀与所述冷却液进口相连通；

6、所述n个板式换热器中的第nl个板式换热器的冷却液换热通道出口分别经三通阀与所述冷却液出口、第nl+1个板式换热器的冷却液换热通道进口相连通，第n个板式换热器的冷却液换热通道出口与所述冷却液出口相连通，1≤nl＜n；

7、所述制冷剂进口依次经所述n个板式换热器中第n个板式换热器至第一个板式换热器的制冷剂换热通道与所述制冷剂出口相连通。

8、本发明的进一步改进在于，

9、制热模式下，将所有的三通阀与冷却液出口相连通并开启所有截止阀，制冷剂以并联形式依次流经各板式换热器。

10、本发明的进一步改进在于，

11、制冷模式下，将所有的三通阀与各板式换热器的冷却液换热通道进口相连通并关闭所有截止阀，制冷剂以串联形式依次流经各板式换热器。

12、本发明的进一步改进在于，板式换热器数量n的设计步骤包括：

13、获取预设板片总数量n板和板式换热器数量初始值n初始，并进行迭代就计算，获得所述板式换热器数量n；其中，

14、进行迭代计算时，对每一次迭代的n初始值，均需要在计算前判断n板是否可以被n初始整除，若不能被整除，则对n初始进行+1处理，直至可以被整除；对于每一个可以整除n板的n初始，根据换热器进口参数，计算lcgc的换热量、压降以及换热压降能效值；将每一个新的迭代计算所得的换热压降能效值与以往迭代中的最大值进行比较，将比较所得的较大值替换最大值；达到迭代终止条件后，最大的换热压降能效值对应的换热器数量为所述板式换热器数量n。

15、本发明的进一步改进在于，所述迭代终止条件为板式换热器的数量不小于n板/3。

16、本发明的进一步改进在于，所述对于每一个可以整除n板的n初始，根据换热器进口参数，计算lcgc的换热量、压降以及换热压降能效值的步骤中，

17、每次迭代计算时lcgc的进口参数保持不变，进口参数包括制冷剂进口温度、进口压力、进口焓值，制冷剂流量、冷却液流量以及冷却液进口温度；

18、lcgc的换热量计算表达式为，

19、qx＝mr*(hr,out-hr,in)＝mc*cp,c(tc,out-tc,in)；

20、

21、式中，mr是制冷剂流量；hr,in和hr,out分别是制冷剂进口和出口焓值；aj,i是各换热单元中换热系数，sj,i是换热器的换热面积，tr,j,i和tc,j,i分别是换热器中制冷剂和冷却液的温度。

22、本发明的进一步改进在于，所述对于每一个可以整除n板的n初始，根据换热器进口参数，计算lcgc的换热量、压降以及换热压降能效值的步骤中，

23、lcgc的压降δp计算表达式为，

24、

25、式中，σ为制冷剂的流动长度；ρ为制冷剂密度；ξ为制冷剂的动态黏度；pn、ρn、ξn、mn分别为额定压降、额定密度、额定动态黏度和额定流量；id取0，iv和im分别为粘度和质量流量有关的指数参数。

26、本发明的进一步改进在于，所述对于每一个可以整除n板的n初始，根据换热器进口参数，计算lcgc的换热量、压降以及换热压降能效值的步骤中，

27、lcgc的换热压降能效值r的计算表达式为，

28、

29、式中，w1、w2、d1、d2是常数；w是换热量qx和压降δp的权重系数；d为指数型常数。

30、本发明提供的一种液冷气体冷却器的冷却液流量控制方法，包括：

31、采用rbf神经网络pid控制器进行冷却液流量控制，rbf神经网络pid控制器输入值为目标冷却液流量，输出量为lcgc冷却液回路的水泵电机功率；其中，水泵电机功率和冷却液流量q的关系表达式为，

32、

33、式中，t为水泵电机功率，ηb为水泵轴效率，h为水泵扬程。

34、本发明的进一步改进在于，所述rbf神经网络pid控制器是将rbf神经网络嵌套在传统pid控制器中；其中，

35、rbf神经网络包含输入层、隐藏层和输出层三层结构；其中，隐藏层的神经元由激活函数构成，所述激活函数采用高斯函数；

36、rbf神经网络调节pid参数的过程使用梯度下降法来对隐藏层的权值、径向基向量以及高斯函数宽度进行迭代优化。

37、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

38、本发明提供的液冷气体冷却器中，采用板式换热器、三通阀和截止阀组合结构，通过三通阀和截止阀的调节，可实现串联和并联的切换；在不同工况下换热器采用不同排布方式，解决了其所导致的无法在单一lcgc中同时实现合适的压降和良好的换热，以提升整体系统性能。

39、本发明中，通过三通阀和截止阀的调节，可实现串联和并联的切换，可在制热模式优先采用小流量并联排布，在换热器进出口提供大温差，满足冬季制热需求；制冷模式优先采用大流量串联排布，一定程度降低压降，提升换热效果。进一步解释性的，本发明可在制热模式下获得冷却液小流量运行，制冷模式下大流量运行，能够解决跨临界二氧化碳二次回路热管理系统在制热和制冷两种工况下的适宜冷却液流量差异导致液冷气体冷却器中无法实现合适的压降和良好的换热问题，提升整体系统性能。

40、本发明中，根据相同板片不同排布下的lcgc换热量以及压降对比，通过迭代寻优找到换热与压降综合能效比最高的lcgc排布。

41、本发明中，在确定系统中的lcgc排布后，系统运行状态和环境工况改变后，最优冷却液流量会发生改变，对于不同的冷却液流量需求进行流量控制，使系统能够快速、高效地切换至需要的冷却液流量下运行。具体的，考虑到co2制冷剂独特的热物性，在不同的系统运行模式下，lcgc需采用不同的冷却液流量控制策略，即不同的换热架构形式。；当车辆运行状态或者环境工况变化导致最优冷却液流量变化时，通过将rbf神经网络嵌套至简单pid控制器中，提高系统的控制精度和稳定性，简化调参过程，实现冷却液流量的快速调节。