混合动力汽车手动调节的空调系统设计

2013-12-23包寿红余才光于海生马智涛

汽车电器 2013年6期

包寿红，余才光，于海生，马智涛，张彤

（吉利汽车研究院有限公司电子传动分院，上海 201500）

汽车空调系统是一个比较重要的附件系统，除了给驾驶室内提供一个比较舒适的环境外，还用于前风挡玻璃的除雾、除霜，保证行驶的安全性。在传统的汽车空调系统中，根据系统控制不同可分为手动调节空调和自动空调两大类。手动调节的空调系统是依靠驾驶员拨动控制面板上的各种功能键、旋钮，实现对温度、吹风模式、风速的控制，该系统不具有自动恒温功能，成本低；而自动空调系统则相反，主要用于中高档汽车中。

在传统汽车中，手动调节空调和自动空调系统有一个共同的特点，制冷时压缩机的动力源都依赖于发动机，暖风时的热源都取之于发动机冷却液的热量。在混合动力汽车中，由于发动机经常处于停机状态，冷却液温度较低，因此制冷和暖风都不能正常工作。

在将常规车空调改为混合动力空调系统时，既可采用自动空调，也可采用手动调节空调。需要解决的主要有两大问题： ①压缩机的动力源，可采用电动压缩机，将288 V的动力源逆变成三相交流电源，驱动电动压缩机工作； ②暖风的热源，可采用PTC加热器，辅助发动机温度较低的冷却液，给整车提供热源。

在混合动力车辆中，如果采用自动空调系统，可利用自动空调系统控制单元结合电动压缩机变频特性，设计成恒温、恒湿的变频空调系统，只不过成本要高出很多，这在其他已成熟上市的混合动力车辆中有使用。如果利用传统手动调节空调的控制模式改成混合动力的手动调节空调，使用车辆很少或者目前还没有。由于手动调节空调在制冷／热时不具有恒温功能，因此制冷／热会一直持续，这样的控制模式非常不适合混合动力系统的工作。

1 常规汽车手动调节空调系统

1.1 手动调节空调的结构

手动调节空调的结构包括两部分：一是机械控制部分，包括控制空调起停的A／C开关、鼓风机旋钮开关、冷暖风门切换旋钮、内外循环开关以及相关的控制电路；二是空调系统部分，包括三机（暖风机、蒸发器、鼓风机）、压缩机、冷凝器带风机总成及相关的管路。

1.2 手动调节空调的原理

手动调节空调的电路原理见图1，空调的原理主要按制冷和暖风两个过程叙述。

1）制冷过程

制冷时，先将鼓风机开关旋转到需要的档位，1档风量最小， 4档风量最大，鼓风机继电器吸合，鼓风机工作。同时将冷暖风门旋钮切换到冷风门，吹风模式切换到需要的状态。按下A／C开关，电流通过鼓风机继电器→A／C开关→三位压力开关到发动机ECU的E12端子， ECU得到A／C起动要求，接通压缩机继电器，离合器吸合，在发动机的带动下压缩机开始工作，空调进入制冷状态。

制冷过程中，出现下列情况时将会关断压缩机并在附近点起停压缩机进行微调：一是蒸发器温度传感器检测到温度接近0 ℃时，为防止结霜堵塞蒸发器；二是高低压开关检测到空调管路压力过高；三是水温传感器检测到冷却液温度过高（超过104 ℃），为保护发动机会关断压缩机。当出现制冷剂泄漏使空调系统压力过低，为保护压缩机，空调系统将停止工作。

2）暖风过程

常规车暖风空调的热源来自于发动机的冷却液，当冷却液流过暖风机散热器时，鼓风机工作后空气流过散热器，将热量带出并吹进驾驶室内以达到暖风效果。因此，暖风效果与发动机冷却液温度密切相关，一般来说，冷却液温度达到80 ℃时才有良好的暖风效果。

1.3 常规手动调节空调的局限性

1.3.1 制冷局限性

1.3.1.1 动力源

传统手动调节空调压缩机的旋转依靠发动机来带动，并通过压缩机离合器来控制压缩机的起停。在混合动力系统中，在诸如纯电动等工况下，发动机常处于熄火状态，因此在混合动力系统中，如果采用常规压缩机匹配空调系统，压缩机将失去动力源而使空调无法正常工作。

1.3.1.2 舒适性及节油率

空调开始制冷后，只要空调没有被关闭，正常情况下，由于手动调节空调不能设定一个目标温度，空调将会一直工作下去，制冷温度可以降得很低，影响舒适度，同时增加了发动机不必要的负载。如果此时人为控制空调关闭，温度上升到一定时再打开，则空调系统压力要重新建立，降低了空调系统的能效比。

1.3.2 暖风局限性

常规车暖风是靠发动机冷却液提供热源的。冷却液通过管路流入暖风机散热器内，如果鼓风机开起并将冷暖风门切换到暖风门，空调则进入暖风模式。这时将有空气吹过散热器并进行热交换，空气温度上升，最后通过风门吹入驾驶室内。

为了达到一定的暖风效果，冷却液的温度一般要稳定在80 ℃以上，但在混合动力车辆中，发动机时常要停机，发动机水温不可能满足这个条件，暖风无法正常工作。

2 混合动力手动调节空调系统

2.1 混合动力手动调节空调系统组成

2.1.1 结构

混合动力手动调节空调系统与传统车基本一致，也由三机（蒸发器、暖风机、鼓风机）、冷凝器、管路、压缩机组成，不过压缩机是电动压缩机，而且在暖风机内增加了PTC组件，这与传统空调有所不同。

图2所示的电动压缩机，由无刷电机、电机驱动器、压缩部件三大部分组成。压缩部件采用涡旋式，与斜盘式相比， COP可达2.0以上，而斜盘式一般低于1.5；电机驱动器一般采用无位置传感器的矢量变频技术，与无刷电机及压缩部件合成整体，体积比较小，很适合在混合动力车型上使用。

表1为某款车型电动涡旋压缩机的基本性能参数。

表1 电动涡旋压缩机性能参数

混合动力车辆的采暖目前有3种方案，分别为热泵方式、冷却水加热电热器方式以及空气加热电热器方式，三者的区别见表2。由于空气加热易于操作且升温快，因此目前暖风一般趋向采用空气加热器PTC的方式。图3为某款车采用的PTC，规格12V／500 W，安装在暖风机内。

表2 3种制热方式的区别

2.1.2 控制

混合动力空调的机械控制部分与传统车有较大不同，是在传统空调基础上增加了暖风开关TC、整车控制器HCU及室内温度传感器、电动压缩机驱动器等，构成一个手动调节的变频控制系统，控制空调制冷和暖风等功能。

1）空调操纵机构

空调操纵机构主要用于控制空调冷暖风切换、吹风模式切换以及A／C、内外循环的控制，为了适合混合动力车辆使用，增加了暖风控制TC按扭，图4为某车型的空调操纵机构。

左边第1个是鼓风机旋钮，共分5个档位，档位越高风速越大， 0档位是空档位，鼓风机不工作；第2个旋钮是冷暖切换风门，逆时针最左端是冷风门，顺时针最右端是暖风门，旋钮顺时针旋转是冷风到暖风的切换过程，逆时针则是暖风切换到冷风的过程；第3个旋钮是模式风门，按顺时针起依次是吹面／吹脚、吹面、除霜、吹脚。

按键部分，从左到右依次是除霜、制冷、内外循环、暖风。其中内外循环控制、暖风控制与传统车不同，传统车内外风门的切换是靠发动机真空来实现，混合动力车是靠风门电动机正反转实现。 TC是混合动力车独有的暖风辅助装置，当TC按下时，空气加热器PTC开始工作，辅助发动机冷却液向整车提供热源。

2）空调控制模块

手动调节空调系统的控制主要由采用矢量变频技术的电动压缩机驱动器和整车控制器HCU为核心的控制模块组成，加上外围的相关传感器、开关等共同构成一个完整的变频系统。

驱动器的原理见图5，微控制器***341是驱动器的控制核心； 288 V直流电源一部分通过IGBT逆变成三相正弦交流电源用于驱动压缩机，另一部分通过稳压电源将288 V直流电源稳压成15 V、 3.3 V、1.8 V三种规格，供***341模块使用。整车12 V直流电为光耦隔离器件提供工作电源，控制器***341通过光耦隔离与PWM、 PWM反馈信号、 ON／OFF控制信号进行信息交换，同时通过位置检测装置对压缩机三相交流电源进行采样。

控制器***341是基于FOC （磁场定向）的矢量变频控制，利用单电阻电流采样即可实现电机的三相电流重构，从而实现了FOC电流环和速度环双闭环矢量控制，具有可以在不产生大电流的情况下实现快速的动态响应，效率高，转矩性能好，以及在不丢转速的情况下保证足够硬的转矩特性，这些特性非常适合电动压缩机的驱动要求。

2.2 混合动力手动调节空调系统的原理

图6是为某车型设计的手动调节空调系统原理图，是在图1的传统空调基础上修改而成的。

2.2.1 制冷策略

1）将鼓风机开关拨至需要的档位，鼓风机继电器吸合，鼓风机工作，同时空调开关得电。如不开鼓风机，按A／C开关不工作，避免A／C工作时无风吹过蒸发器。

2）将冷暖风门切换到冷风门状态，按下空调的A／C开关， HCU整车控制器得到制冷请求信号（高电平）， HCU对起动压缩机进行判断，当满足以下条件： ①整车处于READY状态或行驶状态； ②SOC大于一定值； ③没有出现加速／上陡坡、起动发动机等大负荷用电情况； ④室内温度高于设定值（通过室内温度传感器判断，设定值由HCU决定，是个定值，一般取25 ℃或其他），将起动压缩机工作。

3）空调系统工作后，如果室内温度高于设定值若干度（如5 ℃以上）， HCU控制电动压缩机高速旋转，便于快速制冷；当制冷温度降到设定温度时，虽然电量等各种因素满足压缩机高速旋转，但HCU仍控制电动压缩机低速旋转，维持室内温度，这时功耗很小，起到节油的目的。

4）空调系统工作后，当整车出现大负荷用电或电量不足时，电动压缩机优先低速旋转或停止，便于整车电能的分配；当蒸发器温度降低到0 ℃左右时，为防止结霜堵塞风道，压缩机将低速旋转，温度回升时转速增加进行微调；当三位压力开关检测到管路压力达到中压设定值时，散热器风扇高速旋转，当检测到制冷剂泄漏或压力高于管路高压设定值时，关断压缩机。

5）释放A／C开关， HCU接收到空调A／C停止请求信号，将关断压缩机。

2.2.2 暖风策略

1）将鼓风机开关拨至需要的档位，鼓风机继电器吸合，鼓风机工作，同时空调开关得电。如不开鼓风机，按TC开关不工作，避免TC工作时无风吹过PTC，引起PTC温度过高造成危险。

2）将冷暖风门切换到暖风门状态，按下空调的TC开关，整车控制器HCU得到暖风请求信号（高电平）， HCU对起动PTC进行判断，当满足以下条件： ①整车处于READY状态或行驶状态； ②SOC大于一定值； ③发动机冷却液温度低于一定值（如75 ℃）； ④室内温度高于设定值（通过室内温度传感器判断，设定值由HCU决定，是个定值，一般取20 ℃或其他），将起动PTC工作。

3）空调暖风工作后，如果室内温度低于设定值若干度（如5 ℃以上）， HCU控制2组PTC工作，否则开1组PTC工作，便于快速制热；当暖风温度升到设定温度时，虽然电量等各种因素满足PTC继续工作，但HCU仍控制PTC关断，起到节油的目的；当发动机冷却液温度超过一定值（如75 ℃）时，也关断PTC工作。

4）如果空调控制模块（如HCU）检测到PTC本体温度高于一定值时，为防止烧车的危险，将无条件关闭PTC。

5）释放TC开关， HCU接收到空调TC停止请求信号，将关断PTC。

2.3 空调系统的制冷性能

2.3.1 试验要求

根据汽车标准QC／T 657—2000 《汽车空调制冷装置试验方法》、 JB／T6914 《汽车空调器试验方法》以及电动压缩机空调系统的特殊要求，对试验中的气候条件、试验工况、操作要求等进行规定，以便比较准确地测试电动压缩机的制冷性能。试验工况要求如下：蒸发器进风口干球温度（27±1 ℃）；蒸发器进风口湿球温度（19.5±0.5 ℃）；冷凝器进风口干球温度（35±1 ℃）；冷凝器风机用电动机端电压（13.5±0.3 V）；压缩机吸气压力196 kPa；压缩机排气压力1.7 MPa；过热度10 K；过冷度0 K。

2.3.2 汽车空调电动压缩机制冷性能试验

试验是在某空调公司环模试验室内进行。电动压缩机的性能参数见表1，分别测试其转速在2 500 r／min、 4 000 r／min、 5 000 r／min、 6 000 r／min、 7 000 r／min时的制冷量。表3是在4 000 r／min时所测的相关数据。

按表3的测试项目，依次测试其它转速下的相关参数值。将压缩机各转速下的制冷量进行统计，绘制成如图7所示的曲线，从曲线上可反映出此空调系统在各转速下制冷量的变化，按照此曲线可以控制压缩机的转速来调整空调的制冷需求。