車用電動空調壓縮機控制器效率提升研究

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

【關鍵詞】電動空調壓縮機；控制器；效率

中圖分類號：U463.851" " 文獻標識碼：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展，車用電動空調壓縮機的應用也越來越廣泛，與傳統的發動機皮帶驅動壓縮機相比較，電機驅動的車用電動空調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動傳統壓縮機，車用電動空調壓縮機則絕對處于無可替代的位置。

1" 電動空調壓縮機工作原理

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

2" 電動空調壓縮機效率測試

以某款電動空調壓縮機為例，分別針對4種不同工況進行控制器效率測試，測試數據如圖2所示。依據圖2，通過對壓縮機與競品壓縮機在相同工況下的測試數據進行比較后，發現在COP值相近的情況下，各典型測試工況在高轉速區域輸入功率均高于競品機型，因此在高轉速負荷區域驅動能力有減弱現象。

圖3為控制器高轉速效率測試結果。依據測功機實測結果可以發現，高轉速區間的效率明顯下降，且波動情況比較明顯。為提升高負荷區域的驅動能力，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間段達到最優的驅動能力。

3" 控制器設計優化

本文主要對空調壓縮機控制器效率的優化進行研究。為提高整機驅動能力，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確性，因此分別從控制器硬件優化和軟件優化兩方面進行嘗試。

3.1" 控制器硬件優化

梳理控制器電路后，決定從控制器驅動電路進行優化，通過調節驅動器和IGBT之間的驅動電阻值來達到優化IGBT上升沿和下降沿時間，從而縮短IGBT導通和關斷的時間，在一定程度上能有效降低IGBT導通損耗和關斷損耗，同時降低了損耗發熱，以達到電壓利用率的有效提高?？刂破饔布灮疽馊鐖D4所示。

3.2" 控制器軟件優化

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

1）軟件控制死區時間優化。軟件控制上，將死區時間從原設定值以0.1μs步進進行調整，以期降低損耗達到最優利用率，從而提高控制器帶載能力。注意：死區時間的調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）軟件算法優化。根據內嵌式電機特性，由基本Id=0的固定參數算法控制更改為MTPA（最大轉矩電流比）算法控制，相較于初始固定參數算法，理論上，MTPA控制算法通過不同扭矩點IdIq參數表的輸入來達到在輸出轉矩相同的條件下所需電流最小的結果，IdIq數據輸入可參考電機仿真數據，如圖5所示。因不同電機的仿真數據會不同，所以仿真數據僅供參考。

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

4" 設計優化效果驗證

4.1" 控制器硬件設計優化驗證結果

控制器硬件設計優化前后控制波形對比如圖6所示。從設計優化前后波形測試結果來看，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險，需要綜合考慮，均衡實際的設計狀態和元器件魯棒性。

4.2" 控制器軟件優化驗證結果

1）軟件在更改死區時間和角度補償同步進行后，其測試數據結果見圖7。根據測試數據，優化后的測試結果沒有明顯的提升，由此可以判斷，此控制器設計在現用元器件基礎上，軟件死區時間的調整并不能從根本上調整硬件上的實際死區時間，而角度補償經過反復調整已經達到極限狀態，再無明顯優化空間。

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

5" 經驗總結

1）電動空調壓縮機不再依賴于傳統的驅動方式，而是采用更加智能、更加適應使用工況的電控驅動方式，順應了市場大趨勢的腳步，電動空調壓縮機的應用領域變得越來越廣泛，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過程中，控制器與電機的匹配是電動空調壓縮機性能保證的關鍵一步，本文通過控制器的軟硬件優化匹配調整來提高壓縮機整機效率，是最有效的手段之一。

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

參考文獻：

[1] 屈宗長. 往復式壓縮機原理[M]. 西安：西安交通大學出版社，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計開發工作。