浅析RS485/CAN双通信有轨电车变频空调设计

李明刚 于婷婷 徐杨非 王星

摘  要：变频空调作为是一种在制冷效果、舒适度以及节能等方面具有优势的列车设备，能满足节能、舒适、绿色出行理念。基于此，本文从系统结构、电气原理、控制逻辑等方面介绍了一款兼具RS485/CAN通信方式的有轨电车车辆储能系统的超级电容变频空调机组，同时阐述了该变频空调的设计制造过程。

关键词：变频空调;RS485/CAN通讯;便携式

中图分类号：U482.1;TP273.5       文献标识码：A      文章编号：2096-6903（2020）11-0000-00

0 引言

由于我国能源形势紧张，这直接导致轨道车辆运营成本的增加。作为轨道车辆能源消耗大户，若将空调系统中定频空调系统升级为变频空调系统对于轨道交通的节能环保有着重要意义。变频空调不但节能环保，而且可以对空调运行过程中的空气转换状况进行调节，大大提高了制冷效率，降低了输入功率的消耗，同时兼具运行效率高，噪声小等特点[1]。

超级电容作为稳定直流电网电压波动的储能装置，以其长寿命，高效率，低污染，免维护，快速充放电等特性，在轨道交通设计中得到广泛应用[2，3]。基于此，本文提出了一种基于DC500V-DC600V直流供电的储能超级电容箱变频空调，用于调节有轨电车电池箱箱内温度，以保证电池工作在合适的环境条件中。

1 超级电容变频空调设计原理

1.1 空调机组的系统设计

超级电容空调装置的制冷系统由压缩机、冷凝器、热力膨胀阀、蒸发器等主要部件组成，通过铜管钎焊连接形成封闭的制冷系统。在制冷回路中，压缩机将低温低压的气态制冷剂压缩成高温高压的过热气体并存入冷凝器，通过室外侧轴流风机使外界空气与冷凝器进行强制换热，冷凝成高压液体，节流降压后成为低温低压的液体，经分液器进入蒸发器，通过室内侧送风机使电容箱内部空气与蒸发器进行强制换热，吸收通过蒸发器空气的热量，制冷剂蒸发成为低压气体，再经过汽液分离器被压缩机吸入，压缩成高温高压的过热气体，完成一个制冷循环。

当前大多数轨道车辆变频空调均是一体式空调，即压缩机、冷凝风机、通风机均集成到箱体内部。本文中空调装置在设计时选择分离蒸发风机与空调机组合的方式，即在空调机组内部固定冷凝风机而在机组外部预留通风机接线位置，在使用时超级电容端可自主安装通风机。空调装置的通风机、冷凝风机、控制器所需的DC24V电源均由储能系统供给，通风机、冷凝风机转速均按照主控器输出的PWM波实时调节。

1.2 空调机组基本参数及电路设计

变频空调设计主要由制冷量、输入电源电压、结构尺寸以及通信方式等多个方面来确定。根据储能系统的要求，该超级电容变频空调设计主要参数如下表1所示。

DC430V-DC650V的主电源由车辆儲能系统提供，主要用于为变频压缩机供电，DC24V电源（DC16.8V～DC30V）也由储能系统提供，用于提供冷凝风机以及主控器驱动电源。EMI滤波器、RC预充电电路、熔断器用于对主电路系统进行保护。整个空调机组的主电路原理图如下图1所示。

1.3 空调机组控制电路设计

空调机组上电后控制系统和储能系统通过CAN网络进行信息交换，通过电容温度和回风温度进行判断，并处于自动模式，将电池箱目标温度控制在20～30℃。当在目标温度范围内进行通风时，当箱内温度偏高时进行变频制冷，变频制冷工况下控制器按照回风温度的变化不断调整压缩机频率，避免制冷量不足或制冷过强而浪费能源。此外，机组还具有单机线控器以进行应急控制和检修。

控制系统主要包括电源处理、系统运行所需要的温度等信号的采集、系统（部件）保护信号的采集、各执行部件的控制输出、与外界及内部的通讯等。空调机组与储能系统的通信方式通常有两种（RS485与CAN），设计时通过在主控器预留RS485接口，再根据外部设备需求加入RS585转CAN通信的CONV1模块，该模块可根据外部通信方式选择自由安装拆卸从而转换通信方式。

2 超级电容变频空调优势介绍

2.1 应用环境、对象创新

本文中所介绍的超级电容变频空调机组主要为稳定储能系统超级电容工作温度而设计，工作环境比常用轨道车辆空调相对严苛。且变频空调机组采用DC430V-DC650电源直供，不同于常见的AC380V/50Hz轨道车辆空调。

2.2 节能环保

采用直流变频控制技术，根据外部环境温度实时调节压缩机频率，冷凝风机、蒸发风机均根据外温采用PWM波控制转速，既使超级电容工作稳定在温度变化范围内，又避免了电力资源的浪费。

2.3 RS485/CAN 通信方式自由切换

超级电容变频空调RS485/CAN两种通信方式切换方便，使其能够更好与轨道车辆系统协同发展。同时也有助于缩短空调产品的开发周期，节省成本。

2.4 更好的空间布置

该空调装置结构上采用蒸发风机与空调箱体分离式的设计方法，优化了空调箱体内部的器件布置，同时也有利于空调机组的运输以及检修维护。

3 结语

本文将直流变频技术应用于储能系统超级电容空调机组，所设计的空调机组采用多路信号采集、多级故障保护、压机宽频率调节以及风机多转速设定。为了适应后续变频空调开发的需要，通过安装/拆卸网络转换模块这一灵活的方式使其通讯方式可方便切换。此外，还在空间设计上优化排布，设计蒸发风机与空调机组分离。经过测试，该变频空调在制冷效果、噪声、故障保护、通讯稳定等方面表现良好。为将来轨道车辆直流变频空调的设计提供了一种新的思路，具有一定的参考价值与指导意义。

参考文献

[1] 张赤勇.R410a环保型直流变频空调器的设计[J].家电科技，2013（10）：60-63.

[2] 聂晶鑫，郭育华，夏猛.超级电容储能装置在城市轨道交通中的应用[J].电气化铁道，2011（2）：52-54.

[3] 王雪迪.基于城市轨道交通车辆的超级电容储能系统的研究[D].北京：北京交通大学，2008.

收稿日期：2020-19-20

作者简介：李明刚（1984—），男，重庆人，本科，工程师，研究方向：轨道车辆车钩、受流器、空调。