電動汽車空調制冷系統的理論研究

張 杰， 陳文強， 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重， 世界各國對汽車的節能和排放問題越來越重視。 傳統的燃油汽車在消耗大量石油的同時， 對環境也造成了嚴重的污染。 在日益注重環保、 節能的今天， 電動汽車由于具有無任何排放物、 不污染環境、 噪聲低及不消耗石油資源等特點受到了全世界廣泛的關注， 國內外各大汽車企業也相繼投入了大量的人力、 物力進行電動汽車的開發和研制[1]。 目前已經成功開發了大量純電動和混合動力等各種形式的電動車。 隨著電動汽車技術的不斷發展， 電動汽車產業化的趨勢也越來越明顯。 作為人類新一代的環保交通工具， 不僅給車內人員提供了舒適的駕駛和乘坐環境， 也對電動汽車的進一步研究和開發提出了新的課題與挑戰。

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

空調系統的良好性能依賴于各個零部件在實際工作時的良好配合， 每個零部件的品質好壞將直接影響到整個汽車空調系統的性能。 因此， 只有在空調系統各零部件合理的匹配基礎上， 才能使整個空調系統表現出良好的性能。 本文主要對電動汽車空調制冷循環系統以及電動壓縮機在電動汽車上的合理匹配及控制策略進行理論討論。

1 電動汽車空調制冷系統的組成及控制原理

1.1 電動汽車空調制冷系統的組成

電動汽車空調制冷系統主要由： 電動壓縮機、電動壓縮機控制器、 冷凝器、 管路系統 （液體管、壓縮機排氣管、 壓縮機吸氣管）、 室內溫度傳感器、室外溫度傳感器、 陽光傳感器、 空調主機 （蒸發器、 加熱器、 溫度風門執行器、 模式風門執行器、內外循環風門、 鼓風器、 蒸發器溫度傳感器）、 膨脹閥、 空調控制器等零部件構成， 如圖1所示。

1.2 電動汽車空調制冷系統控制原理

電動空調制冷系統控制原理基本等同于傳統汽車空調制冷系統控制原理。 傳統汽車空調制冷系統控制原理是通過各溫度傳感器 （室內、 室外溫度傳感器、 陽光傳感器、 蒸發器溫度傳感器） 輸入給空調控制器， 由空調控制器芯片進行處理計算后， 通過控制模式風門、 冷暖風門、 內外循環風門、 鼓風機調速模塊， 以調節車內溫度滿足車內人員的舒適性要求。

電動空調制冷系統原理為： 用戶按操作程序啟動汽車空調系統之后， 整車控制器發出指令通過壓縮機控制器來驅動電動壓縮機， 驅使制冷劑在空調系統中循環流動。 壓縮機將氣態制冷劑壓縮成高溫高壓的制冷劑氣體， 并通過壓縮機排氣管輸送到冷凝器， 制冷劑在冷凝器內進行散熱、 降溫、 冷凝后成為中溫高壓的液態制冷劑， 中溫高壓的液態制冷劑通過液體管到達膨脹閥釋放成為低溫低壓的液態冷劑， 低溫低壓液態制冷劑立即進入蒸發器內， 在蒸發器內吸收流經蒸發器的空氣熱量， 使周邊空氣溫度降低， 鼓風機將蒸發器周邊空氣吹出產生制冷效果。

以上可以看出電動空調制冷原理與傳統空調制冷原理的差別在于壓縮機的驅動方式不同， 傳統空調制冷系統中壓縮機是通過發動機皮帶帶動壓縮機進行工作， 無法對壓縮機的轉速進行有效調節。 但電動空調制冷系統中壓縮機是通過壓縮機控制器來驅動的， 可以將室內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控制器來控制壓縮機的轉速， 使車內溫度環境達到舒適的效果，因而電動空調制冷系統能在最少能耗的情況下達到人體舒適性的要求。

壓縮機轉速是根據預設的合理最冷蒸發溫度來確定初始壓縮機轉速的， 根據蒸發溫度傳感器、 室內溫度傳感器、 室外溫度傳感器與陽光傳感器所提供的反饋信號， 調整壓縮機轉速。 對壓縮機轉速的調節由壓縮機控制器以PWM方式等比例傳送給壓縮機電機控制器， 達到最終調節壓縮機轉速的目的。電動壓縮機控制原理圖見圖2。

電動壓縮機控制器主要是由控制電路、 功率驅動電路、 檢測電路以及硬件保護電路組成， 主控制器將客戶要求通過通信接口傳遞給驅動電路來控制壓縮機運轉。 當系統發生故障時， 控制器內部可以通過檢測電路以及保護電路來保證電機不會損壞，同時對用戶發出警報信息。 電動空調制冷系統具體的電氣原理為： 為防止瞬間電流過大損壞壓縮機控制器， 在鑰匙開關接通A/C檔時高壓電源先進行預充， ON檔時按下空調控制器， A/C開關接通電動壓縮機， 根據用戶調節空調控制器的溫度調節按鈕來輸入給壓縮機控制器PWM信號， 由壓縮機控制器進行壓縮機轉速的控制。

2 電動汽車空調制冷系統中電動壓縮機的選擇

2.1 電動壓縮機在電動汽車上的合理匹配

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

電動壓縮機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航里程，故電動壓縮機必須要做到效率高、 結構緊湊、 質量輕、 噪聲低、 成本適中， 鑒于其為高電壓電機直接驅動， 壓縮機的高轉速性要求也較高。

2.2 壓縮機驅動方式的選擇

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

表1 電動壓縮機驅動方式的性能比較

由表1可看出， 獨立式電動壓縮機明顯優于其他兩種驅動方式的壓縮機， 故確定電動空調制冷系統所用壓縮機為獨立式電動壓縮機。

2.3 壓縮機轉速模式的分析

以上壓縮機驅動方式選用的是獨立式電動壓縮機， 故我們下面只對獨立式電動壓縮機轉速模式進行分析， 其轉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行說明。

1） 定速模式是指電動壓縮機在運行時以恒定的轉速工作。 當室內溫度達到設定溫度時， 壓縮機自動切斷； 當室內溫度高于設定溫度時， 壓縮機自動開啟。 如此反復， 雖然制冷系統能夠高效率地工作，但壓縮機驅動電機的持續工作會消耗大量的電能，并且壓縮機的反復啟動會縮短壓縮機的使用壽命。

2） 變速模式是指電動壓縮機控制器根據控制系統的信號和汽車實際行駛工況來調節電動壓縮機的轉速。 啟動電動壓縮機時， 電動壓縮機以最低轉速運行； 當整車啟動時， 壓縮機以最高轉速運行；當室內溫度達到設定溫度時， 壓縮機轉為低速運轉， 以最低的能耗保持車內環境溫度的恒定。

總之， 定速模式存在能耗大、 減短壓縮機使用壽命的缺點， 變速模式不但可以根據整車的實際工況調節轉速來達到控制要求， 而且避免了固定轉速帶來的能源浪費， 故壓縮機轉速模式確定為變速模式。

2.4 壓縮機形式及壓縮機驅動電機的選擇

德國漢諾威大學曾對往復式、 活塞式、 斜盤式、 螺桿式以及渦旋式等8種車用空調壓縮機進行過性能比較[3]， 結果表明渦旋式壓縮機在4000 r/min以上轉速時的性能明顯高出其他壓縮機的性能， 其低噪聲、 低潤滑、 高效以及高可靠性成為渦旋式壓縮機獨有的優勢。 性能比較見圖3。

目前應用于電動空調制冷系統的驅動電機分為有刷直流電機和無刷直流電機兩種[4]。 無刷直流電機具有結構簡單、 調速性能優越、 效率高、 維修方便等特點； 有刷直流電機在運行時可能會產生火花、 碳粉， 容易造成電機的損壞， 甚至可能會發生高電流外泄的危險。 故驅動電機應選用無刷直流電機。

選擇好壓縮機驅動模式、 壓縮機轉速模式、 壓縮機形式及壓縮機驅動電機后， 還需根據整車理論熱負荷確定使用多大功率的壓縮機。 這樣電動空調制冷系統壓縮機就可以確定了。

3 結論

電動汽車作為汽車行業節能環保的新標志， 已經越來越受到各大汽車制造商及消費者的關注。 與此同時， 適用于電動汽車的空調制冷系統研究也取得了一系列研究成果。

通過本文對電動汽車空調制冷系統的基本組成、 控制原理及電動壓縮機的選擇方式進行的分析研究， 可以根據整車級別定義及整車熱負荷進行電動空調制冷零部件的合理選擇， 設計出適用于產業化的電動汽車空調制冷系統， 為電動汽車的設計開發提供一定的借鑒參考。

［1］ 謝 卓， 陳江平， 陳芝久. 電動車空調系統及其控制方法的研究［D］. 上海市制冷學會2005年學術年會論文， 2005.

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

［3］ 陳觀生， 史保新， 馬國遠. 電動汽車空調壓縮機的試驗研究［J］. 廣東工業大學學報， 2000, （2）： 13-16.

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