基于電動變頻空調的燃油車節(jié)油能力研究

王子洲，李敬恩，徐 揚，石秀勇，胡志遠

（1.同濟大學汽車學院，上海 201804；2.山東朗進科技股份有限公司，濟南 271100）

空調是汽車的最大耗能附件。車輛開空調行駛時，空調功率約占發(fā)動機輸出功率的10%～20%，能耗約占整車油耗的30%。截止2020年12月，全國汽車保有量達2.81億輛，燃油車占比達98%以上，年消耗汽油約1.27億噸。按美國再生能源研究室2004年對美國汽車空調油耗占全年燃油消耗量5.5%進行估算，我國汽車空調系統每年消耗成品汽油約1 000萬噸，采取措施降低汽車空調系統油耗是實現燃油車節(jié)能減排的有效方式之一，有利于降低燃油車的碳排放。

國內外學者對汽車空調系統進行了大量研究，現有的研究主要集中于車輛空調系統與油耗的關系與優(yōu)化方法。MAYDA等研究了燃油車行駛過程中空調系統對發(fā)動機的影響。ZHANG Da等研究了空調系統對整車油耗、排放的影響。PATRICK等通過構建整車模型研究了發(fā)動機與汽車油耗的關系。與燃油車普遍采用的機械式空調相比，電動變頻空調具有排量小、能耗低和質量輕等特點，將電動空調應用于燃油車上能有效降低其空調油耗。王立功等比較了使用皮帶輪空調和改用電動空調的燃油車的動力性和空調油耗，結果表明，使用電動壓縮機比皮帶輪壓縮機在同樣負載下能增加動力3.76%、節(jié)油17.4%。DAHLAN等使用12 V鉛酸電池為空調系統供電，試驗發(fā)現電動壓縮機在降低能耗的同時能實現更好的能量控制。電動變頻空調應用于燃油車實際循環(huán)的空調油耗改善潛力研究未見報道。

目前有關汽車發(fā)電機的研究著重于發(fā)電機本體轉速及效率的控制，對發(fā)電機與汽車實際行駛工況關聯進行控制的研究較少。蔡艷波等通過對智能發(fā)電機的控制實現整車的用電管理，提高車輛的燃油經濟性。徐春建立發(fā)電機電子自動調節(jié)器，控制發(fā)電機任意轉速下的發(fā)電量，降低車輛油耗和排放。

本文提出一種將電動變頻渦旋壓縮機應用于燃油車的方案，以配置變排量壓縮機的某燃油車為研究對象，建立使用變排空調系統和電動空調系統的整車仿真模型，仿真分析該車在WLTC、CLTC循環(huán)工況下的空調油耗，探索電動空調的節(jié)油潛力；同時采用選擇工況發(fā)電策略，提高發(fā)電過程的能量轉換效率，進一步降低空調油耗。

1 燃油車電動空調系統方案

本文研究的燃油車使用機械式變排空調，發(fā)動機通過皮帶輪直接為壓縮機供能，車輛主要參數見表1。

表1 整車主要參數

電動變頻空調系統結構如圖1所示。采用電動變頻空調系統后，壓縮機更換為電動變頻壓縮機布置于原車空調壓縮機位置并沿用原車空調系統蒸發(fā)器、冷凝器等部件。增加48 V鋰電池為電動壓縮機供能，保留原車12 V電池，為空調之外的其他電氣設備供電，在48 V電池與12 V電池間增加DC/DC轉換器，通過48 V電池為電動壓縮機供電和12 V電池充電。同時，在發(fā)動機與發(fā)電機間增加發(fā)電控制器，根據48 V電池荷電狀態(tài)（SOC）值和發(fā)動機轉速控制發(fā)電機勵磁線圈的電流，以控制發(fā)電機輸出的通斷。

圖1 電動變頻空調系統結構

2 建立仿真模型

通過GT-SUITE軟件分別建立使用兩種空調系統的整車模型，通過仿真研究原車空調和電動空調系統的油耗變化，分析電動空調系統的節(jié)油能力。

2.1 整車模型搭建

原車仿真模型由駕駛員模塊、車身模塊、發(fā)動機模塊和空調系統模塊構成，使用電動空調后在模型中增加電池模塊與發(fā)電機模塊，仿真模型結構如圖2所示。

圖2 仿真模型結構

該車原車采用機械斜盤式變排量壓縮機，排量范圍為5～140 cm/轉，通過試驗得到該壓縮機脈譜圖并建立模型。發(fā)動機與壓縮機通過皮帶輪機械連接，傳動比為1.18，壓縮機的轉速由發(fā)動機決定，由發(fā)動機供能。電動空調系統使用某公司先進電動變頻壓縮機，電動變頻壓縮機排量為25 cm，通過該壓縮機試驗數據在模型中建立電動壓縮機模塊。此時壓縮機與發(fā)動機解耦，轉速不再相關，由48 V電池供能。通過空調模塊模擬空調零部件的換熱、車廂換熱和壓縮機功耗。整車仿真模型如圖3所示。其中，發(fā)動機模塊為臺架試驗獲得的萬有特性數據建立的平均值模型，駕駛員模塊采用前向仿真方法建立，發(fā)電機模塊根據原車發(fā)電機效率MAP建立，電池模塊根據內阻模型建立，空調模塊由蒸發(fā)器、冷凝器、壓縮機、熱力膨脹閥和其他輔助部件（車廂模塊、鼓風機、空調管路、空調控制器等）組成。采用比例積分微分控制（Proportional-Integral-Derivative Control，PID）控制空調系統，以車內溫度和設定溫度偏差作為輸入。其余模塊均根據實車數據建立。

圖3 整車仿真模型

2.2 模型標定

本文采用NEDC循環(huán)試驗數據進行模型標定。NEDC循環(huán)車速瞬變性相對較少，工況相對簡單，試驗誤差也較小，因此，采用NEDC循環(huán)試驗數據對模型進行標定的準確性更高。

空調油耗測量試驗在帶有陽光模擬系統的整車試驗室中進行，為消除試驗誤差，試驗重復2次。試驗時，首先進行20 min速度為90 km/h的預運行熱車，接著打開陽光模擬系統，浸車保溫30 min，隨后開始NEDC工況開空調油耗試驗。以車廂內降溫曲線、發(fā)動機燃油消耗率和百公里油耗作為標定參數，對建立的模型進行標定。試驗環(huán)境參數見表2，試驗系統結構如圖4所示。

圖4 試驗系統結構

表2 試驗環(huán)境參數

NEDC循環(huán)下，打開空調時仿真和試驗油耗結果見表3。由表3可知，油耗和降溫時間的誤差均低于5%，滿足工程分析要求。

表3 整車模型仿真結果

NEDC循環(huán)下，打開空調時車廂內溫度變化曲線和燃油瞬態(tài)消耗率的仿真和試驗結果如圖5所示。車輛的降溫過程及瞬態(tài)燃油消耗率仿真和試驗結果基本一致，與試驗結果比較，仿真誤差均小于5%。當車廂溫度降至目標溫度后，由于控制策略的影響，車內溫度有一定的波動，此時空調處于低負荷狀態(tài)，波動對整車的油耗幾乎無影響。

圖5 模型與試驗對比

電動壓縮機模型根據某公司的電動渦旋式壓縮機構建，通過試驗獲得該壓縮機在GBT22068—2018《汽車空調用電動壓縮機總成》COP測試工況下的輸入功率、制冷功率等參數，測試結果如圖6所示。電動壓縮機模型在后續(xù)仿真部分進行驗證。

圖6 電動變頻壓縮機參數

3 仿真結果分析

3.1 電動空調系統與變排空調對比

3.1.1 油耗對比

對模型分別進行NEDC、WLTC、CLTC循環(huán)仿真，結果見表4。

由表4可知，NEDC循環(huán)下，變頻空調系統的空調油耗為0.397 L/100 km，按汽油熱值3.4×10J/L換算，約3.73 kWh/100 km，與李維偉的研究結果中3.49 kWh/100 km相似。仿真結果中空調系統總能耗為0.138 kWh，NEDC循環(huán)總里程為11 022 m，空調系統實際能耗按熱值換算后為0.411 kWh，總效率為33.6%，可理解為發(fā)動機平均效率38%，發(fā)電過程總平均效率為88%，與建模參數基本相符，因此，電動空調系統模型可靠。

表4 不同空調系統仿真結果

在WLTC循環(huán)下，該車使用機械變排空調百公里油耗為6.551 L/100 km，相對不開空調時增加0.95 L/100 km（即為空調系統油耗），增加16.96%；使用電動變頻空調百公里油耗為5.835 L/100 km，相對不開空調時增加0.234 L/100 km，僅增加了4.01%。CLTC循環(huán)中，使用機械變排空調百公里油耗為7.286 L/100 km，相對不開空調時升高1.343 L/100 km，升高16.96%；使用電動變頻空調時百公里油耗為6.261 L/100 km，相對不開空調時升高0.318 L/100 km，僅升高5.08%。行駛過程中，電動空調系統油耗在兩個循環(huán)下相對機械空調系統油耗分別降低75.4%與76.3%，按照我國汽車空調系統年耗油1 000萬噸計算，每年可節(jié)省燃料汽油約750萬噸。

使用變排及變頻空調時壓縮機轉速及功率如圖7所示。由圖7可知，采用電動變頻壓縮機后，電動變頻壓縮機與發(fā)動機解耦，轉速不再和發(fā)動機轉速相關，直接由電池供電，在降溫初期即可運行在高轉速、高功率工況；變排壓縮機通過皮帶輪與發(fā)動機機械連接，壓縮機轉速隨發(fā)動機轉速變化而變化。為避免發(fā)動機低轉速并承擔較大負荷時熄火，變排空調在降溫初始階段無法處于高功率工況。在時間占比約89%的維持溫度階段，電動壓縮機平均功率約360W，機械變排壓縮機平均功率超過1100W，大于電動壓縮機。以上原因導致電動空調系統的油耗降低。

圖7 壓縮機工況對比

循環(huán)過程中發(fā)動機的功率如圖8所示。由圖可知，采用電動空調系統后，發(fā)動機不再直接為空調系統供能，而是通過發(fā)電機為鋰電池系統充電，進而由電池為空調供能，循環(huán)過程中發(fā)動機輸出功率普遍小于變排空調系統，整車油耗降低。

圖8 發(fā)動機功率對比

3.1.2 制冷效果對比

圖9為車廂內的溫度變化情況，由圖可知，電動變頻空調在同功率下能效比（COP）高于機械變排空調，降溫初始階段電動變頻空調能以較低功率達到與變排空調相同的制冷效果。這是因為，機械變排壓縮機的轉速由發(fā)動機決定，并隨著轉速變化調整斜盤角度以調節(jié)壓縮活塞行程，從而使壓縮機的制冷能力與車內制冷需求匹配。在實車測試中，機械變排壓縮機空調部分時間段制冷功率大于制冷需求，使維持溫度階段的車內溫度進一步降低。電動空調因壓縮機能根據控制策略自由調整轉速，可較好地將車內溫度維持在目標值。

圖9 車廂內溫度對比

3.2 選擇工況發(fā)電策略

3.2.1 策略擬定

在汽車行駛過程中，由于工況的實時變化，發(fā)動機瞬時燃油經濟性隨之變化。使用NEDC、WLTC、CLTC三種循環(huán)工況下的發(fā)動機工況模擬車輛實際行駛工況，等間隔提取500組瞬時發(fā)動機工況數據如圖10所示。由圖可知，NEDC、WLTC、CLTC三種循環(huán)工況下，發(fā)動機主要運行在1 350～2 000 r/min轉速、20～100 Nm轉矩工況。此時，發(fā)電機由發(fā)動機提供的機械能發(fā)電，當發(fā)動機在燃油經濟性差的工況下發(fā)電可以視作發(fā)動機進行低效率發(fā)電，能量轉換效率相對較低，產生相同的電量需要更多的油耗。選擇工況發(fā)電是保證產生足夠電量的前提下，選出部分發(fā)動機燃油經濟性較差的區(qū)間停止發(fā)電機工作，從而變相提高發(fā)電機發(fā)電效率以達到節(jié)油的目的。該車在發(fā)動機低轉速（850～1350 r/min）工況下的燃油經濟性普遍較差，因此，選擇通過轉速進行區(qū)間篩選，使發(fā)電機在發(fā)動機低轉速區(qū)間時停止發(fā)電。

圖10 發(fā)動機工況分布

選擇工況發(fā)電策略控制邏輯如圖11所示。鋰電池的最佳工作SOC區(qū)間為0.3～0.7，過充和過放均不利于鋰電池使用壽命，在策略中加入鋰電池SOC作為參數。當SOC達到0.7時停止發(fā)電，48 V鋰電池作為供電源；當SOC低于0.3時，發(fā)電機在設定轉速區(qū)間工作，直到電池SOC回到0.7后發(fā)電機停止工作?？紤]到實際運行過程中存在發(fā)動機長期處于設定發(fā)電轉速區(qū)間外工況，為防止鋰電池電量過低或用盡，設置電池SOC降低為0.2時強制發(fā)電，即此時發(fā)電機在發(fā)動機全轉速區(qū)間發(fā)電，SOC回到0.3時重新執(zhí)行選擇工況發(fā)電策略。

圖11 選擇工況發(fā)電控制邏輯

3.2.2 應用選擇工況發(fā)電策略仿真

對使用電動空調后的整車進行全工況發(fā)電和采用選擇工況發(fā)電策略兩種方案在WLTC、CLTC循環(huán)下進行仿真分析。圖12為采用選擇工況發(fā)電策略發(fā)電機的功率及轉速。由于各個循環(huán)中都存在發(fā)動機轉速位于850～1350 r/min的工況區(qū)間，因此，采用選擇工況發(fā)電策略后發(fā)電機會間歇性停止工作。由于發(fā)電機工作時間相對較短，所以使用選擇工況發(fā)電策略后發(fā)電機能耗降低，整車油耗進一步降低。

圖12 發(fā)電機工況對比

圖13為兩種發(fā)電策略下電池SOC值的變化，其中a為采取選擇工況發(fā)電策略，b為全工況發(fā)電。發(fā)電機工況不同導致循環(huán)過程中發(fā)電機工作時間不同、發(fā)電量不同，電池SOC的變化不同。設定循環(huán)開始時SOC均為0.3，循環(huán)結束時，WLTC循環(huán)兩種方案的SOC分別為0.404和0.681，CLTC循環(huán)兩種方案SOC分別為0.511和0.687，差值分別為40.7%和25.6%，低轉速區(qū)間段越多差值越大。兩者均相對于循環(huán)開始時的0.3有所增加，因此，采取選擇工況發(fā)電策略的條件下仍能產生足夠電量。

圖13 電池SOC對比

圖15為采取不同策略的油耗仿真結果。采用選擇工況發(fā)電策略后，發(fā)電機在循環(huán)過程中總發(fā)電量比全工況發(fā)電略有減少，并且減少了發(fā)動機的低效率區(qū)間的發(fā)電，油耗減少。仿真結果表明：對WLTC循環(huán)，采用選擇工況發(fā)電策略后百公里油耗為5.825 L/100 km，空調系統油耗為0.224 L/100 km，相對全工況發(fā)電減少4.3%，相對原車變排空調減少76.4%；對CLTC循環(huán)，采用選擇工況發(fā)電策略后百公里油耗為6.261 L/100 km，空調系統油耗為0.297 L/100 km，相對全工況發(fā)電減少6.6%，相對原車變排空調減少77.9%，采用選擇工況發(fā)電策略后，電動空調系統油耗進一步降低。

圖14 油耗對比

4 結論

提出了在燃油車上采用48 V鋰電池系統、電動變頻空調系統，并將空調系統由發(fā)動機供能轉變?yōu)殡姵毓┠艿姆桨福瑢υ摲桨傅挠秃倪M行了仿真分析。結果表明，與原車變排空調系統相比，電動變頻空調系統的WLTC循環(huán)空調系統油耗可降低75.4%，CLTC循環(huán)下空調系統油耗降低76.3%。同時在該方案的基礎上提出了選擇工況發(fā)電策略，采用選擇發(fā)電策略后，電動空調系統WLTC、CLTC循環(huán)的空調油耗進一步降低4.3%和6.6%。對燃油車使用電動空調系統和選擇工況發(fā)電策略具有較好的節(jié)油潛力。此外，相對于目前市場上大量定排量空調系統，該方案的節(jié)能效果將更加顯著。