電動汽車空調(diào)制冷系統(tǒng)的理論研究

張 杰， 陳文強(qiáng)， 潘之杰， 丁 勇， 趙福全

（吉利汽車研究院， 浙江 杭州 311228）

隨著大氣污染、 氣候變暖以及能源成本高漲等問題日益嚴(yán)重， 世界各國對汽車的節(jié)能和排放問題越來越重視。 傳統(tǒng)的燃油汽車在消耗大量石油的同時， 對環(huán)境也造成了嚴(yán)重的污染。 在日益注重環(huán)保、 節(jié)能的今天， 電動汽車由于具有無任何排放物、 不污染環(huán)境、 噪聲低及不消耗石油資源等特點受到了全世界廣泛的關(guān)注， 國內(nèi)外各大汽車企業(yè)也相繼投入了大量的人力、 物力進(jìn)行電動汽車的開發(fā)和研制[1]。 目前已經(jīng)成功開發(fā)了大量純電動和混合動力等各種形式的電動車。 隨著電動汽車技術(shù)的不斷發(fā)展， 電動汽車產(chǎn)業(yè)化的趨勢也越來越明顯。 作為人類新一代的環(huán)保交通工具， 不僅給車內(nèi)人員提供了舒適的駕駛和乘坐環(huán)境， 也對電動汽車的進(jìn)一步研究和開發(fā)提出了新的課題與挑戰(zhàn)。

汽車空調(diào)的功能就是在各種季節(jié)、 各種不同環(huán)境下使車廂內(nèi)的溫度、 濕度以及空氣流動性保持在人體感覺舒適的狀態(tài)， 從而為車內(nèi)人員提供舒適的駕駛和乘坐環(huán)境。 所以為開拓電動汽車市場、 開發(fā)節(jié)能高效的電動空調(diào)系統(tǒng)也是必不可少的， 而電動壓縮機(jī)又是電動空調(diào)系統(tǒng)必不可少的組成部分。

空調(diào)系統(tǒng)的良好性能依賴于各個零部件在實際工作時的良好配合， 每個零部件的品質(zhì)好壞將直接影響到整個汽車空調(diào)系統(tǒng)的性能。 因此， 只有在空調(diào)系統(tǒng)各零部件合理的匹配基礎(chǔ)上， 才能使整個空調(diào)系統(tǒng)表現(xiàn)出良好的性能。 本文主要對電動汽車空調(diào)制冷循環(huán)系統(tǒng)以及電動壓縮機(jī)在電動汽車上的合理匹配及控制策略進(jìn)行理論討論。

1 電動汽車空調(diào)制冷系統(tǒng)的組成及控制原理

1.1 電動汽車空調(diào)制冷系統(tǒng)的組成

電動汽車空調(diào)制冷系統(tǒng)主要由： 電動壓縮機(jī)、電動壓縮機(jī)控制器、 冷凝器、 管路系統(tǒng) （液體管、壓縮機(jī)排氣管、 壓縮機(jī)吸氣管）、 室內(nèi)溫度傳感器、室外溫度傳感器、 陽光傳感器、 空調(diào)主機(jī) （蒸發(fā)器、 加熱器、 溫度風(fēng)門執(zhí)行器、 模式風(fēng)門執(zhí)行器、內(nèi)外循環(huán)風(fēng)門、 鼓風(fēng)器、 蒸發(fā)器溫度傳感器）、 膨脹閥、 空調(diào)控制器等零部件構(gòu)成， 如圖1所示。

1.2 電動汽車空調(diào)制冷系統(tǒng)控制原理

電動空調(diào)制冷系統(tǒng)控制原理基本等同于傳統(tǒng)汽車空調(diào)制冷系統(tǒng)控制原理。 傳統(tǒng)汽車空調(diào)制冷系統(tǒng)控制原理是通過各溫度傳感器 （室內(nèi)、 室外溫度傳感器、 陽光傳感器、 蒸發(fā)器溫度傳感器） 輸入給空調(diào)控制器， 由空調(diào)控制器芯片進(jìn)行處理計算后， 通過控制模式風(fēng)門、 冷暖風(fēng)門、 內(nèi)外循環(huán)風(fēng)門、 鼓風(fēng)機(jī)調(diào)速模塊， 以調(diào)節(jié)車內(nèi)溫度滿足車內(nèi)人員的舒適性要求。

電動空調(diào)制冷系統(tǒng)原理為： 用戶按操作程序啟動汽車空調(diào)系統(tǒng)之后， 整車控制器發(fā)出指令通過壓縮機(jī)控制器來驅(qū)動電動壓縮機(jī)， 驅(qū)使制冷劑在空調(diào)系統(tǒng)中循環(huán)流動。 壓縮機(jī)將氣態(tài)制冷劑壓縮成高溫高壓的制冷劑氣體， 并通過壓縮機(jī)排氣管輸送到冷凝器， 制冷劑在冷凝器內(nèi)進(jìn)行散熱、 降溫、 冷凝后成為中溫高壓的液態(tài)制冷劑， 中溫高壓的液態(tài)制冷劑通過液體管到達(dá)膨脹閥釋放成為低溫低壓的液態(tài)冷劑， 低溫低壓液態(tài)制冷劑立即進(jìn)入蒸發(fā)器內(nèi)， 在蒸發(fā)器內(nèi)吸收流經(jīng)蒸發(fā)器的空氣熱量， 使周邊空氣溫度降低， 鼓風(fēng)機(jī)將蒸發(fā)器周邊空氣吹出產(chǎn)生制冷效果。

以上可以看出電動空調(diào)制冷原理與傳統(tǒng)空調(diào)制冷原理的差別在于壓縮機(jī)的驅(qū)動方式不同， 傳統(tǒng)空調(diào)制冷系統(tǒng)中壓縮機(jī)是通過發(fā)動機(jī)皮帶帶動壓縮機(jī)進(jìn)行工作， 無法對壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行有效調(diào)節(jié)。 但電動空調(diào)制冷系統(tǒng)中壓縮機(jī)是通過壓縮機(jī)控制器來驅(qū)動的， 可以將室內(nèi)溫度傳感器與室外溫度傳感器測得的實際溫度之差通過電動壓縮機(jī)控制器來控制壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速， 使車內(nèi)溫度環(huán)境達(dá)到舒適的效果，因而電動空調(diào)制冷系統(tǒng)能在最少能耗的情況下達(dá)到人體舒適性的要求。

壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速是根據(jù)預(yù)設(shè)的合理最冷蒸發(fā)溫度來確定初始壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速的， 根據(jù)蒸發(fā)溫度傳感器、 室內(nèi)溫度傳感器、 室外溫度傳感器與陽光傳感器所提供的反饋信號， 調(diào)整壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速。 對壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)由壓縮機(jī)控制器以PWM方式等比例傳送給壓縮機(jī)電機(jī)控制器， 達(dá)到最終調(diào)節(jié)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。電動壓縮機(jī)控制原理圖見圖2。

電動壓縮機(jī)控制器主要是由控制電路、 功率驅(qū)動電路、 檢測電路以及硬件保護(hù)電路組成， 主控制器將客戶要求通過通信接口傳遞給驅(qū)動電路來控制壓縮機(jī)運轉(zhuǎn)。 當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時， 控制器內(nèi)部可以通過檢測電路以及保護(hù)電路來保證電機(jī)不會損壞，同時對用戶發(fā)出警報信息。 電動空調(diào)制冷系統(tǒng)具體的電氣原理為： 為防止瞬間電流過大損壞壓縮機(jī)控制器， 在鑰匙開關(guān)接通A/C檔時高壓電源先進(jìn)行預(yù)充， ON檔時按下空調(diào)控制器， A/C開關(guān)接通電動壓縮機(jī)， 根據(jù)用戶調(diào)節(jié)空調(diào)控制器的溫度調(diào)節(jié)按鈕來輸入給壓縮機(jī)控制器PWM信號， 由壓縮機(jī)控制器進(jìn)行壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速的控制。

2 電動汽車空調(diào)制冷系統(tǒng)中電動壓縮機(jī)的選擇

2.1 電動壓縮機(jī)在電動汽車上的合理匹配

壓縮機(jī)是汽車空調(diào)制冷系統(tǒng)的心臟， 它的作用是壓縮從蒸發(fā)器輸出的高溫、 低壓的氣態(tài)冷媒， 輸送給冷凝器高溫、 高壓的氣態(tài)冷媒， 壓縮機(jī)性能的好壞直接影響到整個空調(diào)系統(tǒng)的制冷性能、 噪聲大小和可靠性。

電動壓縮機(jī)作為電動汽車上能耗較大的零部件， 其性能的好壞直接影響到電動車的續(xù)航里程，故電動壓縮機(jī)必須要做到效率高、 結(jié)構(gòu)緊湊、 質(zhì)量輕、 噪聲低、 成本適中， 鑒于其為高電壓電機(jī)直接驅(qū)動， 壓縮機(jī)的高轉(zhuǎn)速性要求也較高。

2.2 壓縮機(jī)驅(qū)動方式的選擇

電動壓縮機(jī)根據(jù)驅(qū)動能源的不同大體上可以分為兩種： 一是由發(fā)動機(jī)和電機(jī)混合驅(qū)動的電動壓縮機(jī)， 稱為混合驅(qū)動壓縮機(jī)； 二是只用電力驅(qū)動的電動壓縮機(jī)， 稱為全電動壓縮機(jī)。 全電動壓縮機(jī)根據(jù)驅(qū)動方式的不同， 又分為非獨立電動壓縮機(jī)和獨立式電動壓縮機(jī)。 非獨立電動壓縮機(jī)是指壓縮機(jī)直接由主驅(qū)動電機(jī)通過皮帶驅(qū)動的壓縮機(jī)； 獨立式電動壓縮機(jī)是指利用壓縮機(jī)控制器直接從電池組取電來驅(qū)動的壓縮機(jī)[2]。 以上電動壓縮機(jī)的對比情況見表1。

表1 電動壓縮機(jī)驅(qū)動方式的性能比較

由表1可看出， 獨立式電動壓縮機(jī)明顯優(yōu)于其他兩種驅(qū)動方式的壓縮機(jī)， 故確定電動空調(diào)制冷系統(tǒng)所用壓縮機(jī)為獨立式電動壓縮機(jī)。

2.3 壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速模式的分析

以上壓縮機(jī)驅(qū)動方式選用的是獨立式電動壓縮機(jī)， 故我們下面只對獨立式電動壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速模式進(jìn)行分析， 其轉(zhuǎn)速模式總體上來說可以分為定速模式與變速模式兩種。 下面對這兩種模式分別進(jìn)行說明。

1） 定速模式是指電動壓縮機(jī)在運行時以恒定的轉(zhuǎn)速工作。 當(dāng)室內(nèi)溫度達(dá)到設(shè)定溫度時， 壓縮機(jī)自動切斷； 當(dāng)室內(nèi)溫度高于設(shè)定溫度時， 壓縮機(jī)自動開啟。 如此反復(fù)， 雖然制冷系統(tǒng)能夠高效率地工作，但壓縮機(jī)驅(qū)動電機(jī)的持續(xù)工作會消耗大量的電能，并且壓縮機(jī)的反復(fù)啟動會縮短壓縮機(jī)的使用壽命。

2） 變速模式是指電動壓縮機(jī)控制器根據(jù)控制系統(tǒng)的信號和汽車實際行駛工況來調(diào)節(jié)電動壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速。 啟動電動壓縮機(jī)時， 電動壓縮機(jī)以最低轉(zhuǎn)速運行； 當(dāng)整車啟動時， 壓縮機(jī)以最高轉(zhuǎn)速運行；當(dāng)室內(nèi)溫度達(dá)到設(shè)定溫度時， 壓縮機(jī)轉(zhuǎn)為低速運轉(zhuǎn)， 以最低的能耗保持車內(nèi)環(huán)境溫度的恒定。

總之， 定速模式存在能耗大、 減短壓縮機(jī)使用壽命的缺點， 變速模式不但可以根據(jù)整車的實際工況調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速來達(dá)到控制要求， 而且避免了固定轉(zhuǎn)速帶來的能源浪費， 故壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速模式確定為變速模式。

2.4 壓縮機(jī)形式及壓縮機(jī)驅(qū)動電機(jī)的選擇

德國漢諾威大學(xué)曾對往復(fù)式、 活塞式、 斜盤式、 螺桿式以及渦旋式等8種車用空調(diào)壓縮機(jī)進(jìn)行過性能比較[3]， 結(jié)果表明渦旋式壓縮機(jī)在4000 r/min以上轉(zhuǎn)速時的性能明顯高出其他壓縮機(jī)的性能， 其低噪聲、 低潤滑、 高效以及高可靠性成為渦旋式壓縮機(jī)獨有的優(yōu)勢。 性能比較見圖3。

目前應(yīng)用于電動空調(diào)制冷系統(tǒng)的驅(qū)動電機(jī)分為有刷直流電機(jī)和無刷直流電機(jī)兩種[4]。 無刷直流電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單、 調(diào)速性能優(yōu)越、 效率高、 維修方便等特點； 有刷直流電機(jī)在運行時可能會產(chǎn)生火花、 碳粉， 容易造成電機(jī)的損壞， 甚至可能會發(fā)生高電流外泄的危險。 故驅(qū)動電機(jī)應(yīng)選用無刷直流電機(jī)。

選擇好壓縮機(jī)驅(qū)動模式、 壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速模式、 壓縮機(jī)形式及壓縮機(jī)驅(qū)動電機(jī)后， 還需根據(jù)整車?yán)碚摕嶝?fù)荷確定使用多大功率的壓縮機(jī)。 這樣電動空調(diào)制冷系統(tǒng)壓縮機(jī)就可以確定了。

3 結(jié)論

電動汽車作為汽車行業(yè)節(jié)能環(huán)保的新標(biāo)志， 已經(jīng)越來越受到各大汽車制造商及消費者的關(guān)注。 與此同時， 適用于電動汽車的空調(diào)制冷系統(tǒng)研究也取得了一系列研究成果。

通過本文對電動汽車空調(diào)制冷系統(tǒng)的基本組成、 控制原理及電動壓縮機(jī)的選擇方式進(jìn)行的分析研究， 可以根據(jù)整車級別定義及整車熱負(fù)荷進(jìn)行電動空調(diào)制冷零部件的合理選擇， 設(shè)計出適用于產(chǎn)業(yè)化的電動汽車空調(diào)制冷系統(tǒng)， 為電動汽車的設(shè)計開發(fā)提供一定的借鑒參考。

［1］ 謝 卓， 陳江平， 陳芝久. 電動車空調(diào)系統(tǒng)及其控制方法的研究［D］. 上海市制冷學(xué)會2005年學(xué)術(shù)年會論文， 2005.

［2］ 高建平， 何洪文， 申彥杰. 電動汽車空調(diào)壓縮機(jī)匹配研究［J］. 拖拉機(jī)與農(nóng)用運輸車， 2007, （4）： 62-64.

［3］ 陳觀生， 史保新， 馬國遠(yuǎn). 電動汽車空調(diào)壓縮機(jī)的試驗研究［J］. 廣東工業(yè)大學(xué)學(xué)報， 2000, （2）： 13-16.

［4］ 夏 亮， 徐國卿， 康勁松， 等. 電動汽車空調(diào)用無刷直流電動機(jī)無傳感器控制［J］. 微特電機(jī), 2007, （8）： 46-48.