車用電動空調(diào)壓縮機控制器效率提升研究

【摘" 要】車用電動空調(diào)壓縮機的應(yīng)用隨著市場上混動車輛和新能源汽車的發(fā)展變得越來越廣泛，與傳統(tǒng)驅(qū)動壓縮機相比，電動空調(diào)壓縮機有著無可替代的位置。從電動空調(diào)壓縮機的工作原理入手，通過優(yōu)化控制器的軟硬件以及調(diào)整控制器算法策略來提高電動空調(diào)壓縮機的效率，并通過試驗驗證，對比分析驗證結(jié)果，最終找出最優(yōu)方法。

【關(guān)鍵詞】電動空調(diào)壓縮機；控制器；效率

中圖分類號：U463.851" " 文獻標(biāo)識碼：A" " 文章編號：1003-8639（ 2023 ）11-0095-03

The Study of Efficiency Improving for Electric Air Conditioning Compressor

WANG Xiaoli1，CAO Liang2，LI Xiaojuan1，YAO Junwei1，TANG Zongchun1，WEI Qingshan1，SUN Xiao1

（1.Zhejiang Geely Powertrain Co.，Ltd.，Ningbo Geely Luoyou Engine Parts Co.，Ltd.；

2.Ningbo Gongniu Electric Appliances Co.，Ltd.，Ningbo 315800，China）

【Abstract】The application of electric air conditioning compressors for vehicles has become increasingly widespread with the development of hybrid vehicles and new energy vehicles in the market. Compared to traditional drive compressors，electric air conditioning compressors have an irreplaceable position. The article starts with the working principle of the electric air conditioning compressor，improves the efficiency of the electric air conditioning compressor by optimizing the software and hardware of the controller and adjusting the algorithm strategy of the controller. Through experimental verification and comparative analysis of the verification results，the optimal method is ultimately found.

【Key words】electric air conditioning compressor；controller；efficiency

隨著混動車輛及新能源汽車的蓬勃發(fā)展，車用電動空調(diào)壓縮機的應(yīng)用也越來越廣泛，與傳統(tǒng)的發(fā)動機皮帶驅(qū)動壓縮機相比較，電機驅(qū)動的車用電動空調(diào)壓縮機雖然在成本上處于劣勢地位，但由于純電車或新能源車輛無動力總成可以驅(qū)動傳統(tǒng)壓縮機，車用電動空調(diào)壓縮機則絕對處于無可替代的位置。

1" 電動空調(diào)壓縮機工作原理

電動空調(diào)壓縮機控制系統(tǒng)接收到車輛控制單元的指令后，將直流高壓電轉(zhuǎn)換為交流三相電驅(qū)動電機系統(tǒng)運行，同時檢測其運行狀態(tài)，通過吸氣（將蒸發(fā)器低壓側(cè)溫度約為0℃、氣壓約為0.15MPa的低溫低壓氣態(tài)制冷劑吸入壓縮機）、壓縮（壓縮機通過動靜渦旋盤的旋轉(zhuǎn)將低溫低壓氣態(tài)制冷劑壓縮成高溫約70～80℃、高壓約1.5MPa的氣態(tài)制冷劑）、輸送（高溫高壓制冷劑被輸送到冷凝器冷凝降溫），為空調(diào)系統(tǒng)提供動力，其簡單工作原理如圖1所示。

2" 電動空調(diào)壓縮機效率測試

以某款電動空調(diào)壓縮機為例，分別針對4種不同工況進行控制器效率測試，測試數(shù)據(jù)如圖2所示。依據(jù)圖2，通過對壓縮機與競品壓縮機在相同工況下的測試數(shù)據(jù)進行比較后，發(fā)現(xiàn)在COP值相近的情況下，各典型測試工況在高轉(zhuǎn)速區(qū)域輸入功率均高于競品機型，因此在高轉(zhuǎn)速負荷區(qū)域驅(qū)動能力有減弱現(xiàn)象。

圖3為控制器高轉(zhuǎn)速效率測試結(jié)果。依據(jù)測功機實測結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，高轉(zhuǎn)速區(qū)間的效率明顯下降，且波動情況比較明顯。為提升高負荷區(qū)域的驅(qū)動能力，可以從電機、控制器等部件效率提升方面進行一系列優(yōu)化，希望通過效率提升來降低功率損耗，從而使空壓機高負荷區(qū)間段達到最優(yōu)的驅(qū)動能力。

3" 控制器設(shè)計優(yōu)化

本文主要對空調(diào)壓縮機控制器效率的優(yōu)化進行研究。為提高整機驅(qū)動能力，可從控制器的角度入手，需要進一步提升電壓利用率和觀測器估算位置的準(zhǔn)確性，因此分別從控制器硬件優(yōu)化和軟件優(yōu)化兩方面進行嘗試。

3.1" 控制器硬件優(yōu)化

梳理控制器電路后，決定從控制器驅(qū)動電路進行優(yōu)化，通過調(diào)節(jié)驅(qū)動器和IGBT之間的驅(qū)動電阻值來達到優(yōu)化IGBT上升沿和下降沿時間，從而縮短IGBT導(dǎo)通和關(guān)斷的時間，在一定程度上能有效降低IGBT導(dǎo)通損耗和關(guān)斷損耗，同時降低了損耗發(fā)熱，以達到電壓利用率的有效提高。控制器硬件優(yōu)化示意如圖4所示。

3.2" 控制器軟件優(yōu)化

控制器軟件優(yōu)化主要從死區(qū)時間、軟件算法調(diào)整和角度補償三方面進行，詳細闡述如下。

1）軟件控制死區(qū)時間優(yōu)化。軟件控制上，將死區(qū)時間從原設(shè)定值以0.1μs步進進行調(diào)整，以期降低損耗達到最優(yōu)利用率，從而提高控制器帶載能力。注意：死區(qū)時間的調(diào)整需要視軟硬件的具體情況進行，以免由于米勒平臺或振鈴等的影響，造成上下管直通的后果。

2）軟件算法優(yōu)化。根據(jù)內(nèi)嵌式電機特性，由基本Id=0的固定參數(shù)算法控制更改為MTPA（最大轉(zhuǎn)矩電流比）算法控制，相較于初始固定參數(shù)算法，理論上，MTPA控制算法通過不同扭矩點IdIq參數(shù)表的輸入來達到在輸出轉(zhuǎn)矩相同的條件下所需電流最小的結(jié)果，IdIq數(shù)據(jù)輸入可參考電機仿真數(shù)據(jù)，如圖5所示。因不同電機的仿真數(shù)據(jù)會不同，所以仿真數(shù)據(jù)僅供參考。

3）軟件進行角度補償。在軟件上，通過調(diào)節(jié)滑膜觀測器補償角度參數(shù)來提升電壓利用率，從而降低損耗，能有效增強壓縮機控制器的帶載能力。

4" 設(shè)計優(yōu)化效果驗證

4.1" 控制器硬件設(shè)計優(yōu)化驗證結(jié)果

控制器硬件設(shè)計優(yōu)化前后控制波形對比如圖6所示。從設(shè)計優(yōu)化前后波形測試結(jié)果來看，上升沿和下降沿的時間縮短了約5μs，在一定程度上降低了損耗，對電壓利用率的提升稍有好處。值得注意的是，過度更改IGBT的上升沿和下降沿會增大上下管直通的風(fēng)險，需要綜合考慮，均衡實際的設(shè)計狀態(tài)和元器件魯棒性。

4.2" 控制器軟件優(yōu)化驗證結(jié)果

1）軟件在更改死區(qū)時間和角度補償同步進行后，其測試數(shù)據(jù)結(jié)果見圖7。根據(jù)測試數(shù)據(jù)，優(yōu)化后的測試結(jié)果沒有明顯的提升，由此可以判斷，此控制器設(shè)計在現(xiàn)用元器件基礎(chǔ)上，軟件死區(qū)時間的調(diào)整并不能從根本上調(diào)整硬件上的實際死區(qū)時間，而角度補償經(jīng)過反復(fù)調(diào)整已經(jīng)達到極限狀態(tài)，再無明顯優(yōu)化空間。

2）更改MTPA以參數(shù)表形式導(dǎo)入的軟件算法后，在測功機上對算法優(yōu)化更改前后進行數(shù)據(jù)實測對比，對圖8所示的測試數(shù)據(jù)進行對比分析后發(fā)現(xiàn)，不論是在不同轉(zhuǎn)速還是不同負載工況下，性能均有明顯的提升，尤其是在高轉(zhuǎn)速大負載工況，改善效果尤為明顯，徹底解決了高轉(zhuǎn)速大負載工況下轉(zhuǎn)速不穩(wěn)的問題。

5" 經(jīng)驗總結(jié)

1）電動空調(diào)壓縮機不再依賴于傳統(tǒng)的驅(qū)動方式，而是采用更加智能、更加適應(yīng)使用工況的電控驅(qū)動方式，順應(yīng)了市場大趨勢的腳步，電動空調(diào)壓縮機的應(yīng)用領(lǐng)域變得越來越廣泛，其興起既是一種趨勢，也是一種必然。

2）在電動壓縮機的開發(fā)過程中，控制器與電機的匹配是電動空調(diào)壓縮機性能保證的關(guān)鍵一步，本文通過控制器的軟硬件優(yōu)化匹配調(diào)整來提高壓縮機整機效率，是最有效的手段之一。

3）控制器的優(yōu)化主要從硬件和軟件兩方面進行，在設(shè)計方案確定后，硬件上的優(yōu)化空間非常有限，從其測試結(jié)果來看沒有明顯的提升，而軟件上的優(yōu)化效果是比較明顯的。

參考文獻：

[1] 屈宗長. 往復(fù)式壓縮機原理[M]. 西安：西安交通大學(xué)出版社，2019.

（編輯" 凌" 波）

作者簡介

王曉麗（1977—），女，工程師，主要從事乘用車輛及其零部件設(shè)計開發(fā)工作。