基于MAHAFPS2700平臺的改裝汽車電動空調(diào)壓縮機可行性研究

王立功

摘要：針對傳統(tǒng)的內(nèi)燃機輕型汽車在開啟空調(diào)制冷系統(tǒng)時車輛動力性能迅速降低、耗油量大幅度升高的問題，結(jié)合傳統(tǒng)汽車空調(diào)制冷系統(tǒng)及電源系統(tǒng)的特點，提出使用電動空調(diào)壓縮機代替皮帶驅(qū)動空調(diào)壓縮機的方案。并基于MAHA FPS2700平臺，試驗測試了發(fā)電機負載增加后對發(fā)動機輸出功率和油耗的變化情況，結(jié)果表明改裝電動壓縮機提高了整車動力性能、降低了油耗。

關(guān)鍵詞：電動空調(diào)壓縮機;MAHA FPS2700平臺;發(fā)動機輸出功率;油耗

0 ?引言

近年來，全球的能源結(jié)構(gòu)逐漸由傳統(tǒng)化學能源向新能源傾斜，特別是純電力驅(qū)動快速發(fā)展，各國力圖在新一輪能源戰(zhàn)中搶占制高點。不過需要注意的是，盡管有些國家在政府文件中提及了燃油車禁售問題，實際上所謂“禁售燃油車”大多是環(huán)保部門或某一黨派的提議、提案，基本都停留在規(guī)劃和愿景層面，并沒有落到實處[1]。

由此看來燃油車將會在很長時間內(nèi)存在，即使到了全面禁售燃油車的時間點，已經(jīng)售出的大量的在用車輛會在十幾年甚至更長的時間內(nèi)持續(xù)運行。

因此，針對燃油車輛的節(jié)能、降耗、減排再研究仍然很有必要。

1 ?研究背景

1.1 空調(diào)制冷系統(tǒng)介紹

傳統(tǒng)的汽車空調(diào)制冷系統(tǒng)是采用內(nèi)燃機驅(qū)動的空調(diào)壓縮機推動制冷劑循環(huán)進行工作[2]，與其他的空調(diào)系統(tǒng)（如家用空調(diào)）相比，汽車空調(diào)制冷系統(tǒng)有以下特點：

①車輛的制冷系統(tǒng)基本是在自然環(huán)境的路面上移動中工作，流動的空氣、陽光的照射及發(fā)動機和路面熱輻射等原因造成汽車空調(diào)熱負荷較大，并且熱負荷變化幅度也大[3]。

②由于汽車空調(diào)的壓縮機均由發(fā)動機通過皮帶驅(qū)動，而發(fā)動機的轉(zhuǎn)速可從600～6500rpm變化，空調(diào)系統(tǒng)中制冷劑流量變化幅度大，這樣對系統(tǒng)的流量控制、系統(tǒng)的設(shè)計帶來困難。

③空調(diào)制冷系統(tǒng)運行時消耗發(fā)動機功率，影響發(fā)動機功率輸出，增加了燃油消耗。

④空調(diào)壓縮機安裝于震動較大并且在一定范圍內(nèi)翻轉(zhuǎn)的發(fā)動機上，因此對壓縮機的強度、抗震性能及系統(tǒng)管路的撓度要求較高，并且制冷劑容易泄漏，影響整個系統(tǒng)的可靠性。

⑤要想開啟空調(diào)制冷系統(tǒng)必須啟動發(fā)動機。空調(diào)系統(tǒng)僅能在發(fā)動機工作的前提下才能運行，發(fā)動機處于停止的狀態(tài)，空調(diào)系統(tǒng)將無法工作[4]。

1.2 電源（發(fā)電機）系統(tǒng)現(xiàn)狀

傳統(tǒng)燃油汽車的發(fā)電機和空調(diào)壓縮機是由發(fā)動機通過皮帶驅(qū)動工作的，即發(fā)電機的轉(zhuǎn)速與發(fā)動機轉(zhuǎn)速是成正比的。因為車輛在運行的過程中發(fā)動機轉(zhuǎn)速變化幅度較大，發(fā)電機的發(fā)電量又必須保證發(fā)動機在怠速運轉(zhuǎn)時能滿足車輛最大用電量的需求，因此傳統(tǒng)燃油汽車發(fā)電機的（設(shè)計）功率儲備都較大。

但是車輛大部分時間是在以經(jīng)濟轉(zhuǎn)速運行。所以車輛在發(fā)動機中、高速運行時，可能因為沒有大量電能消耗的需求而造成發(fā)電機的發(fā)電量較低，即發(fā)電機在車輛運行過程中的利用率不高。

2 ?擬采取的改進措施及可能帶來的問題

2.1 空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能改進策略

基于傳統(tǒng)空調(diào)壓縮機的不足，本文將原車由發(fā)動機皮帶驅(qū)動的壓縮機改為電機驅(qū)動空調(diào)壓縮機——電動空調(diào)壓縮機。改進后的優(yōu)勢：

①電動空調(diào)壓縮機不再安裝于發(fā)動機之上，對壓縮機的強度、抗震性能及整套系統(tǒng)管路的撓度要求降低，可降低系統(tǒng)造價、減少系統(tǒng)故障率[5]。

②電動空調(diào)壓縮機轉(zhuǎn)速控制非常方便，壓縮機轉(zhuǎn)速不再受發(fā)動機轉(zhuǎn)速制約?？梢酝ㄟ^提高壓縮機轉(zhuǎn)速方法讓小排量的壓縮機滿足空調(diào)系統(tǒng)短時間內(nèi)對制冷量的要求。減小了壓縮機排量，降低系統(tǒng)造價。

③電動空調(diào)壓縮機擺脫了對發(fā)動機的依賴，在一定時間段內(nèi)可以實現(xiàn)開啟空調(diào)制冷系統(tǒng)而不用啟動發(fā)動機。

④電動空調(diào)壓縮機與發(fā)動機的沒有機械連接，可以緩解車輛開空調(diào)制冷時發(fā)動機動力不足的問題。

2.2 電源系統(tǒng)改進策略

針對傳統(tǒng)燃油汽車發(fā)電機利用率不高的問題，將原車額定電壓為12V的發(fā)電機改為功率相同的額定電壓48V發(fā)電機，并安裝一塊48V的適當容量的電池。通過提高發(fā)電機的利用率以滿足電動空調(diào)壓縮機用電需求。發(fā)電機連接電動空調(diào)壓縮機和48V電池，以維持電動空調(diào)壓縮機工作并給48V電池充電。DC/DC模塊把48V轉(zhuǎn)化為12V給原車12V電池充電并為其他低壓用電器提供電源。

另一方面電動空調(diào)壓縮機的使用也可能會帶來一系列問題。制冷系統(tǒng)改為電動空調(diào)壓縮機后在開啟空調(diào)制冷系統(tǒng)時勢必要增加發(fā)電機負載。本文主要針對以下兩點進行實驗驗證。

①發(fā)電機負荷的增加是否比原車設(shè)計開空調(diào)制冷消耗更大的發(fā)動機功率。

②發(fā)電機負載的增加是否比原車設(shè)計開空調(diào)制冷帶來更大的耗油量。

2.3 電動空調(diào)壓縮機電動機功率的確定

本研究以某一量產(chǎn)的純電動轎車為例，通過測試電動空調(diào)壓縮機的電流參數(shù)獲得功率。

測試前，將車輛放置于能夠自動調(diào)整溫度并能模擬陽光照射的環(huán)境（烤漆房）。將環(huán)境溫度設(shè)定為45℃，并且模擬陽光照射整個車身。啟動車輛，打開所有的車門及后備箱，待環(huán)境溫度穩(wěn)定4小時后進行測試。

測試時，關(guān)閉所有車輛門窗及后備箱，空調(diào)設(shè)置為外循環(huán)、溫度24℃，從開啟空調(diào)壓縮機的瞬間開始計時，并每間隔1分鐘測量壓縮機電流，直到環(huán)境溫度到達設(shè)定溫度。此時車輛制冷系統(tǒng)的制冷量與車輛的熱負荷保持動態(tài)平衡，電動空調(diào)壓縮機電流趨于穩(wěn)定。

P=UI（1）

式中：P為壓縮機功率;U為壓縮機電源電壓，320V;I為壓縮機電流。

壓縮機電源電壓為恒定值320V，電流隨時間而變化，通過式（1）可計算壓縮機消耗的功率，結(jié)果如表1所示。

數(shù)據(jù)表明：電動空調(diào)壓縮機在很長時間內(nèi)的功率消耗在400W左右，僅僅是在電動空調(diào)壓縮機開啟的很短時間內(nèi)功率接近800W。因為有蓄電池的存在，蓄電池可以在開啟電動空調(diào)壓縮機的初期與發(fā)電機一起給電動空調(diào)壓縮機供電或者單獨給壓縮機供電。又考慮到整車低壓12V電源是48V電源經(jīng)過DC-DC獲得的，在DC-DC轉(zhuǎn)變的過程中會產(chǎn)生能量消耗。

基于以上兩種原因，開啟電動空調(diào)壓縮機后發(fā)電機的負載增加量不會大于800W。我們按照發(fā)電機負載增加800W進行發(fā)電機負載增大時對車輛的功率和油耗影響進行測試和數(shù)據(jù)評價是可行的。

3 ?測試平臺及工況簡介

3.1 測試平臺簡介

FPS2700是德國馬哈（MAHA）公司制造的適用于軸重2700kg及以下的兩輪驅(qū)動（前輪驅(qū)動或者后輪驅(qū)動）輕型車輛檢測用底盤測功機，可以對發(fā)動機功率、牽引功率、底盤輸出功率等進行測試;可以在恒速、恒轉(zhuǎn)速、恒牽引力等模式下進行加載模擬;連續(xù)及離散功率測試;真實路況（風阻、滾動阻力、坡度等）模擬;與馬哈公司的尾氣及油耗設(shè)備配合可檢測尾氣及車輛油耗。本文中的發(fā)動機功率測試和各種不同工況的油耗測試均是在本設(shè)備上完成的。

3.2 測試工況IM240簡介

I/M（inspection and maintenance）制度是檢測在用輕型車排放控制系統(tǒng)工作是否正常的一整套程序。本試驗采用了I/M240工況進行油耗測試。I/M240測試工況是采用美國聯(lián)邦新車型式認定用測試規(guī)程FTP曲線0-333秒的兩個峰，經(jīng)修改為240秒，因為I/M240工況下的測試結(jié)果與FTP結(jié)果有很好的相關(guān)性，所以本工況被大量使用。

4 ?測試方案設(shè)計

4.1 車輛選擇

測試車輛選擇運行年限、運行公里數(shù)不同的汽油發(fā)動機車輛，因為全球發(fā)動機逐步小型化，所以選擇車輛的發(fā)動機排量在1.4～2.0L。

4.2 功率測試

在MAHA FPS2700平臺上測試車輛分別在同一個溫度、濕度環(huán)境下檢測，每臺車輛在關(guān)閉空調(diào)、開啟空調(diào)和關(guān)閉空調(diào)同時將發(fā)電機負載增加電動空調(diào)壓縮機的最大功率，前者數(shù)據(jù)分別與后兩者數(shù)據(jù)之差即為傳統(tǒng)空調(diào)壓縮機和電動空調(diào)壓縮機所消耗的功率。

4.3 油耗測試

在MAHA FPS2700平臺上測試車輛分別在同一個溫度、濕度環(huán)境下檢測每臺車輛在關(guān)閉空調(diào)、開啟空調(diào)和關(guān)閉空調(diào)同時將發(fā)電機負載增加電動空調(diào)壓縮機的最大功率時的I/M240工況下的耗油量。后兩者數(shù)據(jù)分別與前者數(shù)據(jù)之差即為傳統(tǒng)空調(diào)壓縮機和電動空調(diào)壓縮機工作時所帶來的油耗增加數(shù)據(jù)。

4.4 測試及數(shù)據(jù)評價

MAHA FPS2700實驗室內(nèi)設(shè)置自動溫控加熱裝置和新鮮空氣加熱注入裝置，以滿足開啟空調(diào)制冷系統(tǒng)所需要的溫度條件和發(fā)動機運行所需要的新鮮空氣。

每臺車輛可靠固定在MAHA FPS2700測功機上，并且在測功機上模擬每一臺車輛的道路負載系數(shù)，確保準確測量車輛在不同工況下的燃油消耗數(shù)量和發(fā)動機在不同狀態(tài)下發(fā)出的最大功率。然后連接油耗儀、OBD II數(shù)據(jù)線、潤滑油溫度傳感器、進氣溫度傳感器等附件;檢測、維修每臺車輛空調(diào)制冷系統(tǒng)，保證每臺車輛的空調(diào)制冷系統(tǒng)能工作正常;蓄電池兩端連接有開關(guān)控制的額定電壓12V、額定功率800W的純電阻性負載，用來模擬車輛加裝電動空調(diào)壓縮機時的電能消耗。文中僅提供起亞獅跑2.0的相關(guān)測試數(shù)據(jù)和曲線，測試結(jié)果如下：

①傳統(tǒng)空調(diào)壓縮機和發(fā)電機功率增加800W兩種情況下對車輛功率影響測試及結(jié)果。

在環(huán)境溫度40℃情況下分別測量空調(diào)開啟和空調(diào)關(guān)閉發(fā)電機負載增加800W三種狀態(tài)下車輛發(fā)動機的最大功率，獲得每臺車輛空調(diào)壓縮機消耗的功率、發(fā)電機負載增加800W消耗的功率。

圖中藍色曲線為輪邊功率，綠色為損耗功率，紫色為油耗率，紅色為修正后功率，橙色為發(fā)動機扭矩。圖1可知，空調(diào)開啟時功率損耗明顯加劇修正后功率為93.9kW;圖2，當空調(diào)關(guān)閉發(fā)電機負載增加800W時的修正后功率99.3kW，消耗的功率明顯小于傳統(tǒng)空調(diào)壓縮機功率。

計算每臺車輛空調(diào)壓縮機消耗的功率、發(fā)電機負載增加800W消耗的功率兩個功率占不開空調(diào)時發(fā)動機功率的百分數(shù)，如表2所示。

②傳統(tǒng)空調(diào)壓縮機和發(fā)電機負載增加800W兩種情況下對車輛油耗影響測試及結(jié)果。

在環(huán)境溫度40℃情況下分別測量空調(diào)開啟和空調(diào)關(guān)閉發(fā)電機負載增加800W三種狀態(tài)下每一臺車輛在I/M240工況下的燃油消耗數(shù)據(jù)。

紅色曲線為發(fā)動機總耗油量，橙色為瞬時百公里耗油量，綠色曲線為發(fā)動機轉(zhuǎn)速，藍色曲線為車輛速度。（圖3、圖4）

獲得每臺車輛開啟空調(diào)制冷系統(tǒng)和發(fā)電機負載增加800W所帶來的燃料消耗增加值，計算燃料消耗增加值占不開空調(diào)時車輛燃料消耗量的百分數(shù)，結(jié)果如表3所示。

③數(shù)據(jù)評價。

功率影響：車輛在運行過程中開啟空調(diào)制冷系統(tǒng)時傳統(tǒng)空調(diào)壓縮機所消耗的功率占車輛不開空調(diào)時發(fā)動機功率的7.16%，發(fā)電機功率增加800W所消耗的功率僅僅占車輛關(guān)閉空調(diào)時發(fā)動機功率的3.6%;加裝電動空調(diào)壓縮機后，車輛打開空調(diào)制冷系統(tǒng)時車輛的功率會比使用傳統(tǒng)空調(diào)壓縮機增加3.56%，即車輛開啟空調(diào)時動力下降得到了緩解。

油耗影響：空調(diào)制冷系統(tǒng)關(guān)閉與開啟空調(diào)制冷系統(tǒng)時相比，傳統(tǒng)空調(diào)壓縮機使車輛油耗增加30%，而發(fā)電機功率增加800W時車輛油耗僅僅增加12.6%。加裝電動空調(diào)壓縮機后車輛開空調(diào)制冷系統(tǒng)時車輛的燃料消耗會比使用傳統(tǒng)壓縮機要節(jié)省17.4%燃料。

因為車輛在運行過程中整車電壓接近14V，所以測試時實際發(fā)電機上增加的負載要大于900W，即實際加裝電動空調(diào)壓縮機后所消耗的功率不足3.6%，而燃料消耗增加不到12.6%，遠低于傳統(tǒng)空調(diào)消耗。

5 ?結(jié)論

本文分析了燃油汽車皮帶驅(qū)動壓縮機的空調(diào)制冷系統(tǒng)和電源系統(tǒng)的現(xiàn)狀及存在的問題，提出了用電動空調(diào)壓縮機代替皮帶驅(qū)動空調(diào)壓縮機的方案，借助FPS2700平臺設(shè)計了改進后對車輛功率和IM240工況油耗影響的相關(guān)測試試驗，測試結(jié)果表明開啟車輛空調(diào)制冷系統(tǒng)時采用電動空調(diào)壓縮機比采用皮帶驅(qū)動壓縮機車輛的動力增加3.56%，燃油消耗節(jié)省17.4%，改裝方案實際可行。

參考文獻：

[1]王偉.如何看待傳統(tǒng)內(nèi)燃機汽車的挑戰(zhàn)與前景[J].汽車縱橫，2018（12）.

[2]孔德玲，趙蘭萍，楊志剛.汽車空調(diào)的研究現(xiàn)狀及發(fā)展前景[J].節(jié)能，2008，5：10-11.

[3]秦太超，鄭賢德，林秀誠，等.車輛環(huán)境試驗室制冷系統(tǒng)方案分析[J].流體工程，1992（5）：53-57.

[4]張麗，成小紅.空調(diào)壓縮機轉(zhuǎn)速對汽車空調(diào)的影響[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2019（35）：47-48.

[5]劉建飛.汽車電動空調(diào)系統(tǒng)的研究與仿真[D].內(nèi)蒙古：內(nèi)蒙古工業(yè)大學，2014.