汽車空調節能技術的研究與應用

鄭淳允

（廣州汽車集團股份有限公司 汽車工程研究院，廣東 廣州 511434）

引言

當今，人們生活日益美好，汽車也隨之進入了尋常百姓家。這樣，有車一族的人數也越來越多，人們對汽車節能降耗就有了更高的要求，而汽車空調的節能是整車節能的重要組成部分。汽車空調的節能性體現在人們通過對汽車空調的有效控制來降低油耗，即通過汽車空調的經濟模式、外控變排量壓縮機、啟停功能的控制以及同軸管技術的應用等達到降耗節能5%～10%目標。由此可見，為了實現汽車空調的節能性，我們可從空調控制方面、新的零部件技術應用等進行系統集成，開發出相應的硬件、軟件等，以此達到空調系統高效節能的目標。

1 汽車空調系統的組成和作用

汽車空調系統主要是由HVAC、壓縮機、冷凝器、空調面板、管路和傳感器組成[1]，見圖1所示。

圖1 汽車空調系統的組成

汽車空調是現代汽車的重要組成部分之一，在炎熱的夏季或寒冷的冬季里，空調作為改善室內環境舒適性的主要途徑，正在我們的生活中發揮重要的作用。空調的主要作用是保證車內一個舒適的環境，同時可以滿足除霜除霧的安全要求。

2 汽車空調節能技術的組成、原理和節能效果

當前，隨著汽車主機廠和相關空調系統供應商的大力開發，汽車空調節能技術取得了較大的成果，主要有ECO經濟模式控制、啟停功能控制等節能控制技術和外控變排量壓縮機、同軸管等新的節能空調零部件的應用[2]，這些使汽車空調系統的節能效果明顯，為整車的節能降耗水平提到了一個新的高度。

2.1 ECO經濟控制模式

汽車空調從控制上開發了ECO經濟控制模式，通過此模式[3]，使空調系統的運轉更加經濟、節能，主要的控制方法如下：

當HVAC_ACSt=1時，ECO控制邏輯如圖2、圖3所示。

*1：GSM_DriveMode 不等于1；

*2：GSM_DriveMode = 1（Eco Mode）；

*3：進入Acmax狀態；

*4：退出Acmax狀態，且Acmax前一狀態為ECO ON的情況。

ECO ON：以降低部分舒適性為代價，達到節能目的，ECN模式下，通過提高TE，開啟/關閉壓縮機。

ECO模式下，若當前出風模式為DEF以外的模式，則E0，E1由以下決定，E1 = E0+2；

當外溫＞35 ℃時，E0=8 ℃（TBD）；

25 ℃＜外溫＜35 ℃時，E0=10 ℃（TBD）；

外溫＞25 ℃時，E0=12 ℃（TBD）；

通過以上的控制方法，可以有效控制空調系統的制冷效果，在人體感到舒適的情況下，減少壓縮機消耗發動機的功率，從而達到節能的效果。

目前無實測數據，大約節能1%左右。

2.2 啟停功能控制

當汽車在等待紅燈或者堵車時，啟停系統自動控制發動機，暫停發動機工作，當車輛感受到駕駛員的起步意圖時，快速起動發動機。啟停系統在城市工況可以有效降低怠速油耗，減少汽車有害氣體的排放。

空調系統的啟停功能控制方法如下：

（1）當鼓風機為OFF模式，則允許發動機停止，不進行任何條件的判斷。

（2）當外溫OAT ∈ [ 15，25 ]（TBD），如果不在除霜狀態則允許發動機停止，不進行其他條件判斷，否則判斷條件C。

（3）當外溫OAT＜15 ℃ 或＞25 ℃，判斷以下條件，任一條件為禁止，則禁止發動機i-stop ，條件均成立時，才允許發動機i-stop。

1）外溫OAT禁止條件。

當外溫OAT ∈ [ -10，50 ]（TBD），外溫條件允許發動機停止；除此以外，OAT＜-10 ℃ 或者OAT＞50 ℃，外溫條件禁止發動機停止。

2）除霜禁止條件。

當前處于除霜模式，并且鼓風機風速 FAN_Speed ＞= 1（即鼓風機開啟）；除霜條件禁止發動機停止，否則除霜條件允許發動機停止。

3）鼓風機禁止條件。

如果當前鼓風機檔位為7檔（即最大風速），鼓風機條件禁止發動機停止，否則，鼓風機條件允許發動機停止。

4）內溫禁止條件（制冷情況）。

當鼓風機ON，HVAC ACSt = 1，GSM_DriveMode 不等于 1時，進行如下判斷：

內溫-Tset 小于T1度則允許，大于T2度則禁止。

在STOP狀態（進入啟停后）如果溫差小于T3度則允許，大于T4度則禁止，采用以下公式運算：

式中，T1為車內溫度與設定溫度差值的允許啟停閾值；T0為與Tset相關的常數；K為陽光強度的校正常數；TS為駕駛側陽光強度，TSPA為副駕駛側的陽光強度。

式中，T2為禁止啟停閾值。

式中，T3為進入啟停后車內溫度與設定溫度差值的允許啟停閾值 ，C為待標定的常數。

式中，T4為進入啟停后的車內溫度與設定溫度差值的禁止啟停閾值。

通過集成其他零部件或系統的啟停功能，整車的啟停系統可以降低油耗6%左右。

2.3 外控變排量壓縮機特點與控制

2.3.1 外控變排量壓縮機的特點

汽車空調壓縮機，是通過發動機的皮帶和電磁離合器來驅動的；其功能是吸入在蒸發器中蒸發氣化后的低溫低壓氣態制冷劑，并壓縮，再將高溫高壓的氣態制冷劑送到冷凝器中。

從目前空調壓縮機的發展趨勢來看，空調壓縮機制造技術不斷追求的目標：

1）結構緊湊；2）高效節能；3）NVH性能好；4）綠色環保。

目前符合以上要求為外控變排量壓縮機[4]，壓縮機結構如圖4所示，主要特點如下：

圖4 外控變排量壓縮機結構圖

1）采用外部信號控制方式保證系統平穩而連續不間斷的運行，保護傳動機構。

2）加速時抑制過大的扭矩，提升車輛加速性（車輛與壓縮機扭矩相匹配，發動機自動補充動力），在壓縮機扭矩復位時循序漸進減少沖擊感。

3）在加速之后的定速時防止溫度上升，同時實現省燃費和空調舒適性。

4）通過控制蒸發溫度防止過度冷卻且降低溫度差，降低能源消耗。

5）由更多的傳感器布置和控制系統的調整來對環境的變化實現預反應。

2.3.2 外控變排量壓縮機控制邏輯[5]

1）若空調系統高壓/低壓異常或蒸發器傳感器故障直接關閉壓縮機請求，否則判斷是否為ECO模式和前除霜模式。

2）若不在ECO模式或在前除霜模式，TE1=1，TE2 =2。若在 ECO模式且不在前除霜模式，判斷外溫，若外溫大于35 ℃，TE1=8，TE2=10，若外溫小于35 ℃且大于25 ℃，TE1=10，TE2=12，若外溫小于25 ℃，TE1=12，TE2=14。

3）若AC=false，關閉壓縮機請求，若AC=true，區分手動空調和自動空調，若為手動空調，直接判斷蒸發器溫度，若為自動空調則需綜合判斷外溫，內外氣循環及蒸發器溫度：若外溫小于0 ℃，且內外循環電機為外循環，關閉壓縮機請求，若蒸發器溫度小于TE1，關閉壓縮機請求；若外溫大于0 ℃，打開壓縮機請求，若蒸發器溫度大于TE2，打開壓縮機請求。

2.3.3 外控變排量壓縮機油耗測試

本次試驗采用GB 18352.5-2013 輕型汽車污染物排放限值及測量方法。

整車油耗對比試驗結果如表1所示。

表1 整車油耗測試結果

由表1而知，采用外控變排量壓縮機的控制此使整車的平均油耗減少了0.26 L/100 m。

2.4 同軸管

2.4.1 結構及原理

空調系統中，低壓管中的制冷劑是氣態，而高壓管是液態。普通空調管路，高壓管和低壓管是單獨走向的，而同軸管相當于把高壓管套在低壓管的外側，如圖5所示。

圖5 同軸管結構圖

通過上述結構，高壓管的制冷劑在膨脹前得到進一步冷卻，提高了過冷度。如圖6所示，蒸發的焓差從h 1～h 4，加大到h 1～h 5，從而提升了制冷效果。

圖6 同軸管制冷壓焓圖

2.4.2 作用

在達到相同的空調制冷效果時，可以減小壓縮機的排量，從而提高整車動力性能，降低油耗；減小壓縮機的排量，通常意味著重量和成本上會有一定的好處。

（1）仿真計算：在最大制冷工況，外溫40 ℃，光照1 160 W，40 km/h條件下，搭載同軸管和普通管制冷仿真能耗對比見圖7所示。

圖7 同軸管仿真結果圖

根據仿真計算，同軸管在同等工況（外溫 40 ℃，光照1160 W，40 km/h），車內恒定25 ℃，壓縮機節能132 W。

（2）實車驗證：根據下面的試驗條件進行測試。

1）外溫：35 ℃；濕度：45%；光照：850 w；

2）空調設置：內循環，AUTO，頭部熱電偶恒定維持25℃的溫度設置；

3）行駛工況：NEDC。

試驗結果如表2所示：

表2 同軸管對比耗測試結果

3 結束語

本文是對汽車空調節能技術的總體介紹。通過對汽車空調所采用的 ECO經濟模式控制、啟停功能的控制邏輯等說明，以及詳細分析外控變排量壓縮機、同軸管的結構、原理和節能油耗測試比較等，闡述了當今以及未來近一段時間內汽車空調節能技術的發展狀況，為我們展開汽車的節能技術的研究指出了方向，也進一步說明了汽車空調節能技術在整車節能技術的重要性。

本文的主要創新點是研究開發了外控變排量壓縮機控制、啟停功能控制等新的控制技術，從而實現了汽車空調的節能降耗，為未來新的節能技術的應用打下良好的基礎。

當今節能技術是汽車新技術研究的熱點和重點，同樣，在未來的空調技術研究中，可能會圍繞雙層流空調單元、新制冷工質等零件和控制技術展開新的節能技術的開發，以此適應未來汽車新技術發展。