全直流变频电动客车空调器的研制

方金湘

（湖南岳阳职业技术学院机电工程系，湖南 岳阳 414000）

全直流变频电动客车空调器的研制

方金湘

（湖南岳阳职业技术学院机电工程系，湖南 岳阳 414000）

本文针对电动客车空调机能效比低、交流电机电磁噪音大的情况，提出直接采用客车上高压直流电源的永磁直流高效电动机(压缩机、冷凝风机、蒸发风机）的方式，对系统设计和产品加工工艺进行了优化，实现了电机的高效无级调速，从而达到节能、噪音低的目的，开发出满足客车要求的空调系统。

能效比；永磁直流高效电动机；无级调速；高效节能；噪音

在日益注重环保的今天，电动车因其在能源安全、环境保护及可持续发展等方面的优势，受到了全世界的广泛关注。尤其是对新一代的纯电动环保型汽车作为未来主要的潜在车型，拥有一套节能高效的空调系统对开拓市场至关重要。

目前电动客车空调机普遍采用交流变频系统，电动全封闭卧式涡旋压缩机、冷凝风机、蒸发风机都采用交流电机，也有压缩机采用直流变频电动全封闭卧式涡旋压缩，风机采用交流电机的，或风机采用DC24V低压直流无刷电机，都具有调频、寿命长等优点，但由于以上方案都要使用变频器，低压直流无刷电机也要使用逆变器，需要消耗一定的电能，且交流电机的效率比较低，因而导致能效比很难提高。具体表现在：（1）电动压缩机及风机都要采用变频器或逆变器，需要一次电源转换，需要消耗一定的电能，一般转换效率在92%左右。在电动客车上应用，能耗问题尤为突出。（2）交流电机的效率比较低，最高只能达80%左右，能效不能充分发挥，同时产生一定的电磁噪音。针对此种情况，对于电动客车研制一款高效节能、噪音低的全直流变频空调器非常必要。

1 直流变频电动客车空调器组成以及工作原理

1.1 空调器组成

针对上述存在的缺点和问题加以改进和创新，提供一种结构简单、可靠、节能的空调机组，即直流变频电动客车空调机组，见图1，包括压缩机、四通阀、冷凝器芯、高压直流冷凝风机、电子膨胀阀、蒸发器芯、高压直流蒸发风机、汽液分离器、微电脑控制系统和制冷剂（R407c）。所述的压缩机、四通阀、冷凝器芯、电子膨胀阀和蒸发器芯、四通阀以及汽液分离器通过管道依次首尾相连，组成制冷剂通道，所述的制冷剂通道内填充制冷剂（R407c），微电脑控制系统连接并控制压缩机、四通阀和电子膨胀阀的运行，其中，压缩机为直流永磁电动机驱动的涡漩式全封闭卧式压缩机，工作电源为DC600V，高压直流冷凝风机、高压直流蒸发风机的工作电源均为DC600V，所述的压缩机采用V型永磁转子，无磁损、不需磁化，为数字电机，所述的微电脑控制系统为数字转换电路。电子膨胀阀包括脉冲电机开关阀芯，制冷剂为R407c。

图1 空调器组成及工作原理

1.2 工作原理

制冷循环：高压直流变频压缩机吸入低温低压R407c制冷剂，通过客车高压电源驱动的动静涡旋盘压缩为高温高压气体排出，而进入四通阀，通过四通阀后、高温高压气体进入室外换热器中进行冷却，成为中温高压气液混合制冷剂，液态制冷剂通过电子膨胀阀节流，节流后的液态制冷剂进入室内换热器汽化，而形成低温低压的制冷剂，释放出的热量通过室内换热器和风机传到室内，从而达到降低室内温度的目的；低温低压R407c制冷剂被吸入到高压直流变频压缩机1中，周而复始，形成制冷循环。

制热循环：高压直流变频压缩机吸入低温低压R407c制冷剂，通过客车高压电源驱动的动静涡旋盘压缩为高温高压气体排出，进入四通阀，通过四通阀后、高温高压气体进入室内换热器中进行冷却，成为中温高压气液混合制冷剂，而释放出的热量通过室内换热器和风机传到室内，从而达到提高室内温度的目的；液态制冷剂通过膨胀阀节流，节流后的液态制冷剂进入室外换热器汽化而形成低温低压的制冷剂，释放出的热量通过室外换热器和风机传到室外；低温低压R407c制冷剂被吸入到高压直流变频压缩机中，周而复始，形成制热循环。

2 压缩机的选择

压缩机的性能直接影响系统的性能和经济性。压缩机采用直流永磁电动机驱动的涡漩式全封闭卧式结构，具有振动小、效率高、高可靠性、噪音低、外形尺寸小等特点，降低了运行成本。压缩机直接采用客车上的DC600V电源，并送至功率模块，模块受控制器送来的控制信号控制，把模块输出受控的直流电源（无逆变环节）送至压缩机的直流电机，控制压缩机的排量，从而实现无级变排量；压缩机的直流电机采用了V型永磁转子，无磁损，不需磁化，使磁力线集中，大大减少了转换过程中的能量耗损，使压缩机运行更平稳、更安静、效率更高，比普通空调省电。变频空调的压缩机由变频电机拖动，电源变频器输出频率变化的交流电给电动机，使电动机的转速可以根据室内制冷量的需要而连续变化，最终压缩机的制冷量达到连续变化的自动控制，即精确满足负荷变化。

为了配合制冷量的连续变化，制冷系统中采用了电子膨胀阀，由脉冲电机开关阀芯，快速控制进入蒸发器的制冷剂流量。

3 制冷剂选择

相对R134a，R407c具有较高的容积制冷量，可以减少机组尺寸和重量。下面分别采用R134a和R407c对同一台涡旋结构压缩机进行性能测试，见图2。

图2 采用R134a和R407c对同一台涡旋结构压缩机的性能曲线

冷凝温度为55℃，蒸发温度为-10～10℃范围内，环境温度35℃，可以看出同一蒸发温度时，R407c的制冷能力大于R134a。同时，它属于安全环保制冷剂，由R32、R125、R134a组成的非共氟混合工质，低毒不可燃，属于安全性制冷剂。

4 电控系统

使用直流永磁电动机驱动的涡漩式全封闭卧式压缩机，属于高效数字直流变频压缩机，这种压缩机采用数字信号控制，实现了压缩机的低噪音高效运转，具体表现为：（1） 它摒弃了原有的“直流电压→交流电压→变转速方式交流电机”的循环工作方式，采用先进的“直流电压→变转速方式数字电机”控制技术，减少电流在工作中转变次数，使电能转化效率大大提高。（2）采用数字电机，数字电机是指采用数字脉冲信息控制且转速非常精确的电机，在电机转动和改变转速期间，能够实现减速加速的完全控制，可以保证风机以最佳方式进行平稳安静地运转。同时避免了交流电机引起的交流噪音，大大降低了运转噪音。

微电脑控制系统以数字转换电路代替原来的交流转换电路，并能根据环境温度变化，精确控制转速，使压缩机始终处于最佳运行状态。微电脑系统控制变频压缩机的同时，控制电子膨胀阀的开启度，保持适当的制冷剂流量，从而直接改变蒸发器中制冷剂的流量，使其状态发生改变，压缩机的转速与膨胀阀的开启度相对应，压缩机的排气量与膨胀阀的供液量相对应，使热度不至于太高，蒸发器的能力得到最大限度的发挥，从而使制冷系统实现最高效率。同时系统设置了有效的接地保护，一旦意外接地，系统会自动切断高压电源。

5 结语

全直流变频空调，即空调的三大核心电机（变频压缩机电机、室内风扇电机、室外风扇电机）均采用功能强大的直流电机，通过全直流控制模块整合三大直流电机灵活的调节优势，再优化匹配空调系统，将全直流变频空调卓越的性能发挥得淋漓尽致。研制的空调机组的优点如下。（1）节能效果明显提高；（2）运行噪音明显降低；（3）空调运行更可靠；（4）运行调节更加精准。成功设计制作出了样机，为公司开发了一款新的全直流变频电动客车顶置空调。经过装车验证，性能良好。我们将继续完善，为电动客车空调的进一步完善开发打下坚实的基础。

[1]金鹏.电动汽车热泵空调系统试验研究[J]. 华南理工大学,2015,(5).

U463

A

1671-0711（2017）12（上）-0173-02

湖南省教育厅课题，在研（2016.6-2018.12），本项目已申报实用新型专利，授权专利号为ZL 2016 2 0401995.7，证书号：第5549444号。