重型載貨車駐車空調優化設計

劉文元 段振濤 姚紅 梁海明

【摘要：】為了滿足載貨車司乘人員在駐車休息或停車待貨時使用車載空調在駕駛室休息的需求，文章將某重型商用車配裝的柴油發動機搭載的發電機改為發電-電動一體機，通過電機控制器使發電-電動一體機按車輛的使用場景在發電機與電動機兩種工作模式下相互切換，并優化發動機曲軸與發電-電動一體機及空調壓縮機之間的傳動方式，使車載空調可以在發動機曲軸間接驅動與電機直接驅動兩種方式間切換，以滿足載貨車發動機停機時司乘人員使用空調的要求。

【關鍵詞：】車用空調;駐車空調;電動空調;發電-電動一體機

U260.9+2A591953

0 引言

隨著社會經濟的發展，載貨車駕乘舒適性的提升已經成為提高產品競爭力的方向之一。重型載貨車多為長途運輸，在其使用過程中經常會遇到堵車、裝卸貨、休息等非行駛狀態，由于其使用場景的特殊性，司乘人員經常需要開啟空調讓駕駛室降溫，而現有的載貨車原車空調采用發動機皮帶驅動，空調開啟時發動機不能停機，發動機怠速的燃油消耗增加了車輛的使用成本，且易對環境造成污染。發動機怠速運轉時燃燒不充分，排放的廢氣中含有CO等大量有害氣體，積聚在車輛的周圍對司乘人員的生命安全構成嚴重威脅。為了滿足駐車時使用空調的需求，通過后期改裝增加一套駐車空調，即利用電瓶供電的外掛空調來滿足駐車時駕駛室的制冷需求。常見的有如下幾種：（1）頂置式駐車空調采用一體機結構，安裝在駕駛室天窗位置，結構簡單，但運轉噪聲大，隔振與密封材料老化易導致密封處漏水;（2）背包式駐車空調采用了家用壁掛式空調的外形，外機掛在駕駛室背后，內外機距離短，效率高，但行車過程中的振動容易導致空調制冷銅管斷裂;（3）并聯式駐車空調安裝一個獨立的壓縮機與冷凝器，并接入原車的空調系統，但安裝難裝大;（4）趙強[1]提出的雙動力源車用空調壓縮機傳動系統利用行星齒輪機構，通過電機與發動機皮帶的混合驅動既滿足駐車空調的需求，又使系統結構得以簡化。

在上述研究的基礎上，本文通過對車載空調系統駐車時使用工況的分析，提出了一種新的駐車空調系統結構。結果表明，本文提出的方案具有結構簡單、成本低的特點，具備很好的工程應用前景。

1 方案設計

本文通過將車載發電機改造成發電-電動一體機，并優化曲軸與發電-電動一體機、空調壓縮機的傳動方式，通過電機控制器在發動機停機時使發電-電動一體機作為電動機使用來驅動空調壓縮機的運轉，滿足司乘人員駐車時使用空調的要求。其結構原理如圖1所示。

當發動機工作時，發動機曲軸皮帶輪通過傳動皮帶Ⅰ及單向皮帶輪帶動發電-電動一體機、電機皮帶輪一起旋轉，此時發電-電動一體機工作在發電機狀態，為整車電器供電及電瓶充電，同時通過傳動皮帶Ⅱ帶動電磁離合器空轉;當駕駛員通過空調控制系統開啟空調時，電磁離合器吸合帶動空調壓縮機工作為駕駛室制冷。

當發動機停機時，駕駛員通過空調控制系統開啟空調需滿足兩個條件：

（1）電機控制器需要檢測并確認發動機停止運轉信號。

（2）電機控制器需要檢測電瓶電壓，當電瓶電壓>22.5 V時才可啟動空調，以避免空調系統過度消耗蓄電池電量導致整車無法啟動。

當上述條件滿足時，電機控制器使發電-電動一體機工作在電動機模式下，由電瓶供電驅動發電-電動一體機運轉，并由電機皮帶輪、傳動皮帶Ⅱ帶動電磁離合器殼空轉。同時，空調控制器控制電磁離合器吸合帶動空調壓縮機工作為駕駛室制冷，并控制電子風扇運轉，此時發電-電動一體機上的電機皮帶輪外圈因為傳動皮帶Ⅰ的阻力作用保持靜止，內圈則隨電機一起旋轉。

2 主要參數

本文方案基于某品牌的所配裝的11 L國六柴油發動機所搭載的電動機及空調壓縮機進行方案設計，發動機、發電機、空調壓縮機的主要性能參數如表1～3所示。

2.1 發動機的性能參數

2.2 發電機的性能參數

2.3 空調壓縮機的主要參數

排量為155 cc的空調壓縮機在工況為Pd/Ps=1.650/0.284 MPa（A），SC/SH=5/10 ℃時的性能如表4、圖2所示。

3 設計校核

根據表1～3的數據可以計算出原車發動機曲軸皮帶輪直徑D曲軸、電機皮帶輪直徑D電機、空調壓縮機皮帶輪直徑D壓縮機的比為：

由此可知，當發動機工作時，空調壓縮機的最低及最高工作轉速分別如下：

n壓縮機min=D曲軸D壓縮機×n怠速Ⅱ=206119×800=1 385（r/min）

n壓縮機max=D曲軸D壓縮機×n=206119×1 900=3 289（r/min）

當發動機停止工作時，發電-電動一體機驅動空調壓縮機工作，需綜合考慮空調制冷性能、系統續航能力及成本。因商用車供電系統采用24 V電源，由P=U×I可知，當電機功率過大時會導致供電線路的電流過大，而電流過大會引起線路發熱。為避免供電線路過熱產生安全事故，需采用大直徑線纜供電;為了提高駐車時空調系統的使用時間，需采用多組電瓶并聯的方案來增大蓄電池的容量。因此，駐車時用電驅動空調壓縮機不能一味地追求制冷性能，應在滿足用戶基本需求的情況下盡量減少蓄電池電量的消耗。根據市場調查結果[2]，當室外溫度為35 ℃時，駕駛室溫度維持在26 ℃左右，用戶在駕駛室休息時感覺較為滿意。因此，將駕駛室溫度維持在26 ℃作為駐車時空調壓縮機的制冷量需求，來核算發電-電動一體機在作為電動機使用時的輸出功率。

重型卡車駕駛室開啟空調維持駕駛室內溫度為26 ℃時，夏季時駕駛室各時刻總體冷負荷如表5所示[3]。

由表5可知，駕駛室需要的最大冷負荷為4 094 w;根據圖2所示，當空調壓縮機制冷量在4 094 w時，空調壓縮機轉速為n′壓縮機=1 454 r/min，需要消耗的功耗為P′壓縮機=1.8 kW;由表2、表3電機皮帶輪直徑D電機與壓縮機皮帶輪直徑D壓縮機可求得電機轉速為：

n電機=D壓縮機D電機×n′壓縮機=11960×1 454=2 884（r/min）

根據電機改造要求，取電機設計轉速為3 000（r/min）。

考慮電機的效率、傳動損失及功率儲備要求，發電-電動一體機的額定功率按壓縮機的實際需求功率的1.1倍計算，可知發電-電動一體機的額定功率為：

P電機=1.1×P壓縮機=1.1×1.8=1.98 kW

綜上，改造后的發電-電動一體機的性能參數如表6所示，即可滿足駐車空調的使用要求。

目前駐車空調后裝市場根據用戶需求，加裝的最大容量的蓄電池為Q=220 AH，商用車采用U=24 V電壓供電系統，可以測算出駐車時采用蓄電池給發電-電動一體機供電驅動空調壓縮時最短可連續使用的時間t為：

t=Qp電機×U=2201 980×24=2.67 h

4 結語

綜上所述，采用發電-電動一體機對現有載貨車輛的空調系統進行改造，只需對發動機上的發電機、空調壓縮機布置方案進行局部優化，即可完成對整車動力系統的重新配套。此方案無須改變整車空調系統布置及零件，不影響整車的生產效率，整車廠對方案變更的可接受程度較高。由于方案優化只涉及發動機上的零件，針對售后市場需加裝駐車空調的客戶，具有改裝成本低、方案簡單的特點，無車輛的外觀改變引起的違法風險。本方案共用了原車空調系統且在不改變其制冷性能的條件下，解決了載貨車用戶駐車或停車待貨時在駕駛室休息的舒適性難題。現有載貨車輛車載蓄電池最大的容量為220 AH，按本方案的電機功率核算，蓄電池的電量僅能維持駐車空調系統持續工作3 h左右，與用戶實際希望在不啟動發動機的情況下使用8 h的時長存在差異。目前可根據具體的客戶需求，通過并聯蓄電池來增大電池容量的方案來提高續航能力。但此方案會使整車成本及空載質量增加，影響車輛的燃油經濟性及載貨重量。因此，除了優化空調系統的能效比外，后續改進方向主要是通過PI控制[4]來優化電驅動空調壓縮機工作時的能耗，以及提升車輛駕駛室絕熱保溫性能來降低車輛駕駛室的總冷負荷。

參考文獻：

[1]趙 強.雙動力源車用空調壓縮機傳動系統研究[J].青島大學學報，2019（4）：66-70.

[2]李育方.雙空調系統在商用卡車上的應用[J].裝備制造技術，2020（4）：136-138.

[3]陳家祥，王宜義.空調車室傳熱數學模型及冷負荷計算[J].西安交通大學學報，1992（1）：117-124.

[4]梁長飛，孔令靜，伍曉蘇.基于PI控制的電動汽車低能耗電動空調策略研究[J].汽車電子，2020（10）：35-38.