电动汽车空调制冷系统的理论研究

张 杰， 陈文强， 潘之杰， 丁 勇， 赵福全

（吉利汽车研究院， 浙江 杭州 311228）

随着大气污染、 气候变暖以及能源成本高涨等问题日益严重， 世界各国对汽车的节能和排放问题越来越重视。 传统的燃油汽车在消耗大量石油的同时， 对环境也造成了严重的污染。 在日益注重环保、 节能的今天， 电动汽车由于具有无任何排放物、 不污染环境、 噪声低及不消耗石油资源等特点受到了全世界广泛的关注， 国内外各大汽车企业也相继投入了大量的人力、 物力进行电动汽车的开发和研制[1]。 目前已经成功开发了大量纯电动和混合动力等各种形式的电动车。 随着电动汽车技术的不断发展， 电动汽车产业化的趋势也越来越明显。 作为人类新一代的环保交通工具， 不仅给车内人员提供了舒适的驾驶和乘坐环境， 也对电动汽车的进一步研究和开发提出了新的课题与挑战。

汽车空调的功能就是在各种季节、 各种不同环境下使车厢内的温度、 湿度以及空气流动性保持在人体感觉舒适的状态， 从而为车内人员提供舒适的驾驶和乘坐环境。 所以为开拓电动汽车市场、 开发节能高效的电动空调系统也是必不可少的， 而电动压缩机又是电动空调系统必不可少的组成部分。

空调系统的良好性能依赖于各个零部件在实际工作时的良好配合， 每个零部件的品质好坏将直接影响到整个汽车空调系统的性能。 因此， 只有在空调系统各零部件合理的匹配基础上， 才能使整个空调系统表现出良好的性能。 本文主要对电动汽车空调制冷循环系统以及电动压缩机在电动汽车上的合理匹配及控制策略进行理论讨论。

1 电动汽车空调制冷系统的组成及控制原理

1.1 电动汽车空调制冷系统的组成

电动汽车空调制冷系统主要由： 电动压缩机、电动压缩机控制器、 冷凝器、 管路系统 （液体管、压缩机排气管、 压缩机吸气管）、 室内温度传感器、室外温度传感器、 阳光传感器、 空调主机 （蒸发器、 加热器、 温度风门执行器、 模式风门执行器、内外循环风门、 鼓风器、 蒸发器温度传感器）、 膨胀阀、 空调控制器等零部件构成， 如图1所示。

1.2 电动汽车空调制冷系统控制原理

电动空调制冷系统控制原理基本等同于传统汽车空调制冷系统控制原理。 传统汽车空调制冷系统控制原理是通过各温度传感器 （室内、 室外温度传感器、 阳光传感器、 蒸发器温度传感器） 输入给空调控制器， 由空调控制器芯片进行处理计算后， 通过控制模式风门、 冷暖风门、 内外循环风门、 鼓风机调速模块， 以调节车内温度满足车内人员的舒适性要求。

电动空调制冷系统原理为： 用户按操作程序启动汽车空调系统之后， 整车控制器发出指令通过压缩机控制器来驱动电动压缩机， 驱使制冷剂在空调系统中循环流动。 压缩机将气态制冷剂压缩成高温高压的制冷剂气体， 并通过压缩机排气管输送到冷凝器， 制冷剂在冷凝器内进行散热、 降温、 冷凝后成为中温高压的液态制冷剂， 中温高压的液态制冷剂通过液体管到达膨胀阀释放成为低温低压的液态冷剂， 低温低压液态制冷剂立即进入蒸发器内， 在蒸发器内吸收流经蒸发器的空气热量， 使周边空气温度降低， 鼓风机将蒸发器周边空气吹出产生制冷效果。

以上可以看出电动空调制冷原理与传统空调制冷原理的差别在于压缩机的驱动方式不同， 传统空调制冷系统中压缩机是通过发动机皮带带动压缩机进行工作， 无法对压缩机的转速进行有效调节。 但电动空调制冷系统中压缩机是通过压缩机控制器来驱动的， 可以将室内温度传感器与室外温度传感器测得的实际温度之差通过电动压缩机控制器来控制压缩机的转速， 使车内温度环境达到舒适的效果，因而电动空调制冷系统能在最少能耗的情况下达到人体舒适性的要求。

压缩机转速是根据预设的合理最冷蒸发温度来确定初始压缩机转速的， 根据蒸发温度传感器、 室内温度传感器、 室外温度传感器与阳光传感器所提供的反馈信号， 调整压缩机转速。 对压缩机转速的调节由压缩机控制器以PWM方式等比例传送给压缩机电机控制器， 达到最终调节压缩机转速的目的。电动压缩机控制原理图见图2。

电动压缩机控制器主要是由控制电路、 功率驱动电路、 检测电路以及硬件保护电路组成， 主控制器将客户要求通过通信接口传递给驱动电路来控制压缩机运转。 当系统发生故障时， 控制器内部可以通过检测电路以及保护电路来保证电机不会损坏，同时对用户发出警报信息。 电动空调制冷系统具体的电气原理为： 为防止瞬间电流过大损坏压缩机控制器， 在钥匙开关接通A/C档时高压电源先进行预充， ON档时按下空调控制器， A/C开关接通电动压缩机， 根据用户调节空调控制器的温度调节按钮来输入给压缩机控制器PWM信号， 由压缩机控制器进行压缩机转速的控制。

2 电动汽车空调制冷系统中电动压缩机的选择

2.1 电动压缩机在电动汽车上的合理匹配

压缩机是汽车空调制冷系统的心脏， 它的作用是压缩从蒸发器输出的高温、 低压的气态冷媒， 输送给冷凝器高温、 高压的气态冷媒， 压缩机性能的好坏直接影响到整个空调系统的制冷性能、 噪声大小和可靠性。

电动压缩机作为电动汽车上能耗较大的零部件， 其性能的好坏直接影响到电动车的续航里程，故电动压缩机必须要做到效率高、 结构紧凑、 质量轻、 噪声低、 成本适中， 鉴于其为高电压电机直接驱动， 压缩机的高转速性要求也较高。

2.2 压缩机驱动方式的选择

电动压缩机根据驱动能源的不同大体上可以分为两种： 一是由发动机和电机混合驱动的电动压缩机， 称为混合驱动压缩机； 二是只用电力驱动的电动压缩机， 称为全电动压缩机。 全电动压缩机根据驱动方式的不同， 又分为非独立电动压缩机和独立式电动压缩机。 非独立电动压缩机是指压缩机直接由主驱动电机通过皮带驱动的压缩机； 独立式电动压缩机是指利用压缩机控制器直接从电池组取电来驱动的压缩机[2]。 以上电动压缩机的对比情况见表1。

表1 电动压缩机驱动方式的性能比较

由表1可看出， 独立式电动压缩机明显优于其他两种驱动方式的压缩机， 故确定电动空调制冷系统所用压缩机为独立式电动压缩机。

2.3 压缩机转速模式的分析

以上压缩机驱动方式选用的是独立式电动压缩机， 故我们下面只对独立式电动压缩机转速模式进行分析， 其转速模式总体上来说可以分为定速模式与变速模式两种。 下面对这两种模式分别进行说明。

1） 定速模式是指电动压缩机在运行时以恒定的转速工作。 当室内温度达到设定温度时， 压缩机自动切断； 当室内温度高于设定温度时， 压缩机自动开启。 如此反复， 虽然制冷系统能够高效率地工作，但压缩机驱动电机的持续工作会消耗大量的电能，并且压缩机的反复启动会缩短压缩机的使用寿命。

2） 变速模式是指电动压缩机控制器根据控制系统的信号和汽车实际行驶工况来调节电动压缩机的转速。 启动电动压缩机时， 电动压缩机以最低转速运行； 当整车启动时， 压缩机以最高转速运行；当室内温度达到设定温度时， 压缩机转为低速运转， 以最低的能耗保持车内环境温度的恒定。

总之， 定速模式存在能耗大、 减短压缩机使用寿命的缺点， 变速模式不但可以根据整车的实际工况调节转速来达到控制要求， 而且避免了固定转速带来的能源浪费， 故压缩机转速模式确定为变速模式。

2.4 压缩机形式及压缩机驱动电机的选择

德国汉诺威大学曾对往复式、 活塞式、 斜盘式、 螺杆式以及涡旋式等8种车用空调压缩机进行过性能比较[3]， 结果表明涡旋式压缩机在4000 r/min以上转速时的性能明显高出其他压缩机的性能， 其低噪声、 低润滑、 高效以及高可靠性成为涡旋式压缩机独有的优势。 性能比较见图3。

目前应用于电动空调制冷系统的驱动电机分为有刷直流电机和无刷直流电机两种[4]。 无刷直流电机具有结构简单、 调速性能优越、 效率高、 维修方便等特点； 有刷直流电机在运行时可能会产生火花、 碳粉， 容易造成电机的损坏， 甚至可能会发生高电流外泄的危险。 故驱动电机应选用无刷直流电机。

选择好压缩机驱动模式、 压缩机转速模式、 压缩机形式及压缩机驱动电机后， 还需根据整车理论热负荷确定使用多大功率的压缩机。 这样电动空调制冷系统压缩机就可以确定了。

3 结论

电动汽车作为汽车行业节能环保的新标志， 已经越来越受到各大汽车制造商及消费者的关注。 与此同时， 适用于电动汽车的空调制冷系统研究也取得了一系列研究成果。

通过本文对电动汽车空调制冷系统的基本组成、 控制原理及电动压缩机的选择方式进行的分析研究， 可以根据整车级别定义及整车热负荷进行电动空调制冷零部件的合理选择， 设计出适用于产业化的电动汽车空调制冷系统， 为电动汽车的设计开发提供一定的借鉴参考。

［1］ 谢 卓， 陈江平， 陈芝久. 电动车空调系统及其控制方法的研究［D］. 上海市制冷学会2005年学术年会论文， 2005.

［2］ 高建平， 何洪文， 申彦杰. 电动汽车空调压缩机匹配研究［J］. 拖拉机与农用运输车， 2007, （4）： 62-64.

［3］ 陈观生， 史保新， 马国远. 电动汽车空调压缩机的试验研究［J］. 广东工业大学学报， 2000, （2）： 13-16.

［4］ 夏 亮， 徐国卿， 康劲松， 等. 电动汽车空调用无刷直流电动机无传感器控制［J］. 微特电机, 2007, （8）： 46-48.