新能源汽車與燃油汽車空調(diào)壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)分析

黃志添

（佛山市鴻運(yùn)交通技工學(xué)校，廣東 佛山528000）

隨著環(huán)境問題和能源問題日益突出，各國人們開始把目光從傳統(tǒng)的燃油汽車轉(zhuǎn)向新能源汽車，中國作為能源消費(fèi)大國，發(fā)展新能源汽車產(chǎn)業(yè)是低碳經(jīng)濟(jì)時(shí)代必然的選擇。壓縮機(jī)是汽車空調(diào)制冷系統(tǒng)的心臟，其作用是壓縮制冷劑，向制冷系統(tǒng)輸出源源不斷的動(dòng)力。新能源汽車空調(diào)系統(tǒng)與傳統(tǒng)燃油汽車空調(diào)系統(tǒng)由于動(dòng)力源不同，導(dǎo)致壓縮機(jī)技術(shù)、機(jī)構(gòu)組成和控制系統(tǒng)有所區(qū)別。本文介紹新能源汽車空調(diào)與傳統(tǒng)燃油汽車的結(jié)構(gòu)區(qū)別，與讀者一起探索汽車空調(diào)壓縮機(jī)的組成及工作原理。

1 汽車空調(diào)系統(tǒng)的工作原理

新能源汽車和傳統(tǒng)燃油汽車的空調(diào)系統(tǒng)工作原理相同。利用制冷制（雪種）的物理變化，通過壓縮、放熱、節(jié)流、吸熱4個(gè)環(huán)節(jié)不斷循環(huán)，從而達(dá)到降低車廂溫度的目的，如圖1所示。

1）壓縮過程：通過空調(diào)壓縮機(jī)將制冷劑壓縮成高溫高壓的氣體。

2）放熱過程：高溫高壓的氣體通過冷凝器時(shí)，熱量通過冷凝器上的鋁管和鋁片釋放到大氣中，為了更好地散熱，都會(huì)在冷凝器后面增加散熱風(fēng)扇，提高散熱效率，經(jīng)過散熱后，高溫高壓的氣體會(huì)變?yōu)榈蜏馗邏旱囊后w。

3）節(jié)流過程：液體通過儲(chǔ)液干燥罐進(jìn)行過濾，將制冷劑中的水分和金屬粉末吸附下來，流出純凈的液體制冷劑；高壓液體制冷劑進(jìn)入膨脹閥，管路變大，壓力減少，溫度降低，制冷劑以霧狀進(jìn)入蒸發(fā)器。

圖1 制冷系統(tǒng)工作原理

4）吸熱過程：在蒸發(fā)器中的制冷劑繼續(xù)由液體轉(zhuǎn)化為氣體，在轉(zhuǎn)化的過程中，需要吸收大量的熱，從而將蒸發(fā)器周圍的空氣降溫，變成冷空氣，鼓風(fēng)機(jī)將冷空氣吹進(jìn)駕駛室。

空調(diào)系統(tǒng)4個(gè)環(huán)節(jié)周而復(fù)始地進(jìn)行，從而達(dá)到降低車廂內(nèi)溫度，讓車內(nèi)的人員在大熱天也能感受到清涼的快樂。

2 汽車空調(diào)系統(tǒng)的基本組成

汽車空調(diào)系統(tǒng)由壓縮機(jī)、冷凝器、儲(chǔ)液干燥罐、壓力開關(guān)、膨脹閥、蒸發(fā)器、系統(tǒng)維修接口等組成，如圖2所示。各部件的作用如下。

1）壓縮機(jī)：將低溫低壓的制冷劑氣體壓縮成高溫高壓的氣體。

圖2 汽車空調(diào)系統(tǒng)

2）冷凝器：將高溫高壓的制冷劑氣體散熱后變成高壓液態(tài)的制冷劑。

3）儲(chǔ)液干燥罐：過濾水分和雜質(zhì)。

4）壓力開關(guān)：當(dāng)系統(tǒng)壓力正常時(shí)，壓力開關(guān)導(dǎo)通，壓縮機(jī)正常工作；系統(tǒng)壓力導(dǎo)常時(shí)，斷開壓縮機(jī)電路，保護(hù)壓縮機(jī)。

5）膨脹閥：節(jié)流、降壓、自動(dòng)調(diào)節(jié)流量。高壓液體制冷劑經(jīng)節(jié)流變?yōu)闅庖夯旌象w流進(jìn)蒸發(fā)器。

6）蒸發(fā)器：熱交換器，膨脹閥噴出的霧狀制冷劑在蒸發(fā)器內(nèi)蒸發(fā)，吸收蒸發(fā)器空氣中的熱量，使蒸發(fā)器周圍的空氣降溫，達(dá)到制冷的目的。

7）檢修接口：用于連接壓力表，方便對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行加壓、抽真空、加制冷劑等操作。高壓接口安裝在高壓管上，多為細(xì)管，連接著壓縮機(jī)、冷凝器和儲(chǔ)液干燥罐。低壓接口安裝在低壓管上，多為粗管，連接著蒸發(fā)器和壓縮機(jī)。

新能源汽車與純?nèi)加推囎畲蟮膮^(qū)別在于采用不同驅(qū)動(dòng)類型的壓縮機(jī)，新能源汽車采用電動(dòng)壓縮機(jī)，而純?nèi)加推噭t采用發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)的機(jī)械式壓縮機(jī)，其它部件區(qū)別不大。

3 新能源汽車壓縮機(jī)組成

新能源汽車空調(diào)系統(tǒng)主要采用電力驅(qū)動(dòng)，為了提高性能，將電動(dòng)機(jī)、變頻器與壓縮機(jī)組裝成一體，形成全封閉結(jié)構(gòu)。

圖3 比亞迪電動(dòng)壓縮機(jī)（工作電壓653V）

1）新能源汽車電動(dòng)壓縮機(jī)如圖3所示。由渦旋式壓縮機(jī)、三相永磁同步電機(jī)、高壓電源線、變頻器、通信接口、制冷劑輸出口、制冷劑輸入口、殼體等部件組成。不同車型，壓縮機(jī)的工作電壓不同，在直流電壓200～700V之間，一般在壓縮機(jī)的銘牌上有標(biāo)示工作電壓、使用制冷劑的型號(hào)等重要信息。

新能源汽車電動(dòng)壓縮機(jī)工作原理：動(dòng)力電池向壓縮機(jī)變頻器供電，變頻器將直流電轉(zhuǎn)化為交流電，向三相永磁同步電機(jī)輸出交流電，三相永磁同步電機(jī)帶動(dòng)渦旋式壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，將低壓氣體制冷劑壓縮成高壓氣體。

2）渦旋式壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)如圖4所示。由一個(gè)靜渦盤和一個(gè)動(dòng)渦盤組成，兩個(gè)函數(shù)方程型線的動(dòng)、靜渦盤相互咬合而成相互嚙合，相互錯(cuò)開180°安裝。

圖4 渦旋式壓縮機(jī)

渦旋式壓縮機(jī)工作原理如圖5所示。靜渦盤固定在外殼不動(dòng)，電機(jī)偏心軸驅(qū)動(dòng)動(dòng)渦盤。動(dòng)渦盤不作旋轉(zhuǎn)，而是作小范圍形位移，靜渦盤與動(dòng)渦盤之間的相對(duì)位置不斷變化，壓縮制冷劑，形成高壓，從壓縮機(jī)輸出口排出。

圖5 渦旋式壓縮機(jī)工作原理

3）三相永磁同步電機(jī)如圖6所示。由定子、轉(zhuǎn)子和端蓋等部件組成。定子由硅鋼片和漆包銅線組成，采用三相繞組結(jié)構(gòu)，與普通感應(yīng)電機(jī)基本相同；轉(zhuǎn)子由硅鋼片和絕緣擋板疊片壓制而成，并在轉(zhuǎn)子安裝永磁鐵，整個(gè)轉(zhuǎn)子帶有強(qiáng)磁特性。

三相永磁同步電機(jī)工作原理如圖7所示：三相交流高壓電輸入電機(jī)定子，定子產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，轉(zhuǎn)子中的永久磁鐵受到旋轉(zhuǎn)磁場的吸引產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，從而拖動(dòng)永磁轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。通過改變交流電流的頻率，可以改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速，同步電機(jī)轉(zhuǎn)速公式：

式中：n——電機(jī)轉(zhuǎn)速；fs——供電頻率；pn——轉(zhuǎn)子磁極對(duì)數(shù)。通過改變?nèi)嘟涣髌渲卸噍斎腠樞?，可以改變電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向。

圖6 三相永磁同步電機(jī)

圖7 三相永磁同步電機(jī)工作原理

三相永磁同步電機(jī)特點(diǎn)：利用磁場產(chǎn)生動(dòng)力，沒有電刷，沒有換向火花，減少了機(jī)械運(yùn)動(dòng)帶來的磨損，因而相對(duì)于直流電機(jī)壓縮機(jī)和機(jī)械壓縮機(jī)更耐用。相對(duì)于傳統(tǒng)壓縮機(jī)，具有尺寸小、質(zhì)量輕、轉(zhuǎn)矩大、無電刷、高速性能好、結(jié)構(gòu)牢固等優(yōu)點(diǎn)。

圖8 變頻器

4）變頻器如圖8所示。新能源汽車的動(dòng)力電池提供高壓直流電，而三相永磁同步電機(jī)為交流電機(jī)，要將直流電DC轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟夾C，這個(gè)工作需要變頻器完成。電動(dòng)空調(diào)變頻器承受高電壓、大電流、高頻變化，起重要作用的電子元件名叫絕緣柵雙極型晶體管（IGBT場效應(yīng)管）。電動(dòng)空調(diào)變頻器需要使用6個(gè)IGBT場效應(yīng)管。IGBT場效應(yīng)管是由BJT（雙極型三極管）和MOS（絕緣柵型場效應(yīng)管）組成的復(fù)合全控型電壓驅(qū)動(dòng)式功率半導(dǎo)體器件，IGBT場效應(yīng)管具有驅(qū)動(dòng)電流較大和低導(dǎo)通壓降兩方面的優(yōu)點(diǎn)，驅(qū)動(dòng)功率小而飽和壓降低。非常適合應(yīng)用于直流電壓為600V及以上的變流系統(tǒng)如交流電機(jī)。

變頻器工作原理如圖9所示。變頻器通信接口連接著空調(diào)控制單元，變頻器根據(jù)空調(diào)控制單元的控制信號(hào)，高頻控制IGBT管導(dǎo)通或截止，不斷改變電路，將直流電改變?yōu)榻涣麟?，輸入三相繞組電子，產(chǎn)生變化的磁場，拖動(dòng)永磁轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。通過改變輸出電流的頻率和大小，從而改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩（圖10），從而實(shí)現(xiàn)變頻控制。

圖9 變頻器工作原理圖

4 傳統(tǒng)燃油汽車壓縮機(jī)組成

傳統(tǒng)燃油汽車一般使用機(jī)械式壓縮機(jī)，壓縮機(jī)由發(fā)動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力。壓縮機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)用皮帶相連，發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，如圖11所示。此類壓縮機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單、生產(chǎn)和維修成本低、制冷量大等優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是需要發(fā)動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力，降低了發(fā)動(dòng)機(jī)的功率。

1）傳統(tǒng)燃油汽車擺盤式壓縮機(jī)的組成如圖12所示：由吸盤、皮帶輪、電磁離合器、前端蓋、驅(qū)動(dòng)軸、軸承、擺盤、楔形傳動(dòng)板、活塞、缸體、閥體、閥片、調(diào)節(jié)閥、后端蓋、固定螺栓等部件組成。

2）動(dòng)力傳動(dòng)：壓縮機(jī)皮帶輪通過皮帶與發(fā)動(dòng)機(jī)相連。發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)壓縮機(jī)皮帶輪旋轉(zhuǎn)。①當(dāng)空調(diào)系統(tǒng)不工作時(shí)，電磁離合器不通電，吸盤與皮帶輪分開，此時(shí)壓縮機(jī)的皮帶輪空轉(zhuǎn)，不消耗發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力。②當(dāng)空調(diào)系統(tǒng)工作時(shí)，電磁離合器通電產(chǎn)生強(qiáng)磁場，吸盤在磁場力的吸引下，緊緊地壓著皮帶輪，皮帶輪帶動(dòng)吸盤旋轉(zhuǎn)，吸盤與壓縮機(jī)的驅(qū)動(dòng)軸花鍵連接，從而帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)軸旋轉(zhuǎn)，空調(diào)制冷系統(tǒng)工作。

電磁離合器如圖13所示。由硅鋼片和漆包銅線繞制而成，通電時(shí)產(chǎn)生強(qiáng)磁場。電磁離合器的正極連著壓縮機(jī)繼電器，壓縮機(jī)繼電器受空調(diào)系統(tǒng)控制單元控制；壓縮機(jī)負(fù)極通過殼體搭鐵。

3）壓縮制冷制過程：吸盤帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)軸轉(zhuǎn)運(yùn)，通過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)?，F(xiàn)代轎車主要使用軸向活塞壓縮機(jī)，有擺盤式和斜盤式兩種壓縮機(jī)。①擺盤式壓縮機(jī)如圖14所示。驅(qū)動(dòng)軸帶動(dòng)楔形傳動(dòng)板旋轉(zhuǎn)，楔形傳動(dòng)板擠壓搖板，搖板不作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，而是作“翹翹板”式的來回?fù)u動(dòng)。搖板通過萬向節(jié)和連桿帶動(dòng)活塞作往復(fù)運(yùn)動(dòng)。②斜盤式壓縮機(jī)如圖15所示。驅(qū)動(dòng)軸帶動(dòng)斜盤旋轉(zhuǎn)，斜盤推動(dòng)活

圖10 變頻器輸出的頻率決定電機(jī)的轉(zhuǎn)速

圖11 傳統(tǒng)燃油汽車壓縮機(jī)塞作往復(fù)運(yùn)動(dòng)。

圖12 擺盤式壓縮機(jī)部件

4）閥體如圖16所示。由閥門、閥片、限位板等部件組成，進(jìn)氣閥只能進(jìn)不能出，排氣閥只能出不能進(jìn)。5小結(jié)1）動(dòng)力的區(qū)別：新能源汽車壓縮機(jī)采用電力驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)壓縮機(jī)，傳統(tǒng)燃油汽車壓縮機(jī)采用由發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的機(jī)械壓縮機(jī)。

圖13 壓縮機(jī)電磁離合器

圖14 擺盤式壓縮機(jī)

圖15 斜盤式壓縮機(jī)

圖16 閥體

2）外觀的區(qū)別：新能源汽車壓縮機(jī)沒有皮帶輪，有兩根橙色的電源線，有一束線束連著空調(diào)控制單元；傳統(tǒng)燃油汽車壓縮機(jī)帶著皮帶輪，在皮帶輪后側(cè)有一根電源線接到壓縮機(jī)繼電器，繼電器受空調(diào)控制單元控制。

3）性能的區(qū)別：新能源汽車壓縮機(jī)電力驅(qū)動(dòng)，由空調(diào)變頻器控制輸出功率，更容易實(shí)現(xiàn)變頻控制，性能穩(wěn)定，生產(chǎn)和維修成本高；傳統(tǒng)燃油汽車壓縮機(jī)為機(jī)械式壓縮機(jī)，結(jié)構(gòu)簡易，生產(chǎn)和維修成本低，制冷量不容易控制。

隨著汽車技術(shù)不斷發(fā)展，需要我們不斷學(xué)習(xí)、不斷總結(jié)、不斷思考，才能更好地掌握新技術(shù)，指導(dǎo)生產(chǎn)工作。