汽车空调节能技术的研究与应用

郑淳允

（广州汽车集团股份有限公司 汽车工程研究院，广东 广州 511434）

引言

当今，人们生活日益美好，汽车也随之进入了寻常百姓家。这样，有车一族的人数也越来越多，人们对汽车节能降耗就有了更高的要求，而汽车空调的节能是整车节能的重要组成部分。汽车空调的节能性体现在人们通过对汽车空调的有效控制来降低油耗，即通过汽车空调的经济模式、外控变排量压缩机、启停功能的控制以及同轴管技术的应用等达到降耗节能5%～10%目标。由此可见，为了实现汽车空调的节能性，我们可从空调控制方面、新的零部件技术应用等进行系统集成，开发出相应的硬件、软件等，以此达到空调系统高效节能的目标。

1 汽车空调系统的组成和作用

汽车空调系统主要是由HVAC、压缩机、冷凝器、空调面板、管路和传感器组成[1]，见图1所示。

图1 汽车空调系统的组成

汽车空调是现代汽车的重要组成部分之一，在炎热的夏季或寒冷的冬季里，空调作为改善室内环境舒适性的主要途径，正在我们的生活中发挥重要的作用。空调的主要作用是保证车内一个舒适的环境，同时可以满足除霜除雾的安全要求。

2 汽车空调节能技术的组成、原理和节能效果

当前，随着汽车主机厂和相关空调系统供应商的大力开发，汽车空调节能技术取得了较大的成果，主要有ECO经济模式控制、启停功能控制等节能控制技术和外控变排量压缩机、同轴管等新的节能空调零部件的应用[2]，这些使汽车空调系统的节能效果明显，为整车的节能降耗水平提到了一个新的高度。

2.1 ECO经济控制模式

汽车空调从控制上开发了ECO经济控制模式，通过此模式[3]，使空调系统的运转更加经济、节能，主要的控制方法如下：

当HVAC_ACSt=1时，ECO控制逻辑如图2、图3所示。

*1：GSM_DriveMode 不等于1；

*2：GSM_DriveMode = 1（Eco Mode）；

*3：进入Acmax状态；

*4：退出Acmax状态，且Acmax前一状态为ECO ON的情况。

ECO ON：以降低部分舒适性为代价，达到节能目的，ECN模式下，通过提高TE，开启/关闭压缩机。

ECO模式下，若当前出风模式为DEF以外的模式，则E0，E1由以下决定，E1 = E0+2；

当外温＞35 ℃时，E0=8 ℃（TBD）；

25 ℃＜外温＜35 ℃时，E0=10 ℃（TBD）；

外温＞25 ℃时，E0=12 ℃（TBD）；

通过以上的控制方法，可以有效控制空调系统的制冷效果，在人体感到舒适的情况下，减少压缩机消耗发动机的功率，从而达到节能的效果。

目前无实测数据，大约节能1%左右。

2.2 启停功能控制

当汽车在等待红灯或者堵车时，启停系统自动控制发动机，暂停发动机工作，当车辆感受到驾驶员的起步意图时，快速起动发动机。启停系统在城市工况可以有效降低怠速油耗，减少汽车有害气体的排放。

空调系统的启停功能控制方法如下：

（1）当鼓风机为OFF模式，则允许发动机停止，不进行任何条件的判断。

（2）当外温OAT ∈ [ 15，25 ]（TBD），如果不在除霜状态则允许发动机停止，不进行其他条件判断，否则判断条件C。

（3）当外温OAT＜15 ℃ 或＞25 ℃，判断以下条件，任一条件为禁止，则禁止发动机i-stop ，条件均成立时，才允许发动机i-stop。

1）外温OAT禁止条件。

当外温OAT ∈ [ -10，50 ]（TBD），外温条件允许发动机停止；除此以外，OAT＜-10 ℃ 或者OAT＞50 ℃，外温条件禁止发动机停止。

2）除霜禁止条件。

当前处于除霜模式，并且鼓风机风速 FAN_Speed ＞= 1（即鼓风机开启）；除霜条件禁止发动机停止，否则除霜条件允许发动机停止。

3）鼓风机禁止条件。

如果当前鼓风机档位为7档（即最大风速），鼓风机条件禁止发动机停止，否则，鼓风机条件允许发动机停止。

4）内温禁止条件（制冷情况）。

当鼓风机ON，HVAC ACSt = 1，GSM_DriveMode 不等于 1时，进行如下判断：

内温-Tset 小于T1度则允许，大于T2度则禁止。

在STOP状态（进入启停后）如果温差小于T3度则允许，大于T4度则禁止，采用以下公式运算：

式中，T1为车内温度与设定温度差值的允许启停阈值；T0为与Tset相关的常数；K为阳光强度的校正常数；TS为驾驶侧阳光强度，TSPA为副驾驶侧的阳光强度。

式中，T2为禁止启停阈值。

式中，T3为进入启停后车内温度与设定温度差值的允许启停阈值 ，C为待标定的常数。

式中，T4为进入启停后的车内温度与设定温度差值的禁止启停阈值。

通过集成其他零部件或系统的启停功能，整车的启停系统可以降低油耗6%左右。

2.3 外控变排量压缩机特点与控制

2.3.1 外控变排量压缩机的特点

汽车空调压缩机，是通过发动机的皮带和电磁离合器来驱动的；其功能是吸入在蒸发器中蒸发气化后的低温低压气态制冷剂，并压缩，再将高温高压的气态制冷剂送到冷凝器中。

从目前空调压缩机的发展趋势来看，空调压缩机制造技术不断追求的目标：

1）结构紧凑；2）高效节能；3）NVH性能好；4）绿色环保。

目前符合以上要求为外控变排量压缩机[4]，压缩机结构如图4所示，主要特点如下：

图4 外控变排量压缩机结构图

1）采用外部信号控制方式保证系统平稳而连续不间断的运行，保护传动机构。

2）加速时抑制过大的扭矩，提升车辆加速性（车辆与压缩机扭矩相匹配，发动机自动补充动力），在压缩机扭矩复位时循序渐进减少冲击感。

3）在加速之后的定速时防止温度上升，同时实现省燃费和空调舒适性。

4）通过控制蒸发温度防止过度冷却且降低温度差，降低能源消耗。

5）由更多的传感器布置和控制系统的调整来对环境的变化实现预反应。

2.3.2 外控变排量压缩机控制逻辑[5]

1）若空调系统高压/低压异常或蒸发器传感器故障直接关闭压缩机请求，否则判断是否为ECO模式和前除霜模式。

2）若不在ECO模式或在前除霜模式，TE1=1，TE2 =2。若在 ECO模式且不在前除霜模式，判断外温，若外温大于35 ℃，TE1=8，TE2=10，若外温小于35 ℃且大于25 ℃，TE1=10，TE2=12，若外温小于25 ℃，TE1=12，TE2=14。

3）若AC=false，关闭压缩机请求，若AC=true，区分手动空调和自动空调，若为手动空调，直接判断蒸发器温度，若为自动空调则需综合判断外温，内外气循环及蒸发器温度：若外温小于0 ℃，且内外循环电机为外循环，关闭压缩机请求，若蒸发器温度小于TE1，关闭压缩机请求；若外温大于0 ℃，打开压缩机请求，若蒸发器温度大于TE2，打开压缩机请求。

2.3.3 外控变排量压缩机油耗测试

本次试验采用GB 18352.5-2013 轻型汽车污染物排放限值及测量方法。

整车油耗对比试验结果如表1所示。

表1 整车油耗测试结果

由表1而知，采用外控变排量压缩机的控制此使整车的平均油耗减少了0.26 L/100 m。

2.4 同轴管

2.4.1 结构及原理

空调系统中，低压管中的制冷剂是气态，而高压管是液态。普通空调管路，高压管和低压管是单独走向的，而同轴管相当于把高压管套在低压管的外侧，如图5所示。

图5 同轴管结构图

通过上述结构，高压管的制冷剂在膨胀前得到进一步冷却，提高了过冷度。如图6所示，蒸发的焓差从h 1～h 4，加大到h 1～h 5，从而提升了制冷效果。

图6 同轴管制冷压焓图

2.4.2 作用

在达到相同的空调制冷效果时，可以减小压缩机的排量，从而提高整车动力性能，降低油耗；减小压缩机的排量，通常意味着重量和成本上会有一定的好处。

（1）仿真计算：在最大制冷工况，外温40 ℃，光照1 160 W，40 km/h条件下，搭载同轴管和普通管制冷仿真能耗对比见图7所示。

图7 同轴管仿真结果图

根据仿真计算，同轴管在同等工况（外温 40 ℃，光照1160 W，40 km/h），车内恒定25 ℃，压缩机节能132 W。

（2）实车验证：根据下面的试验条件进行测试。

1）外温：35 ℃；湿度：45%；光照：850 w；

2）空调设置：内循环，AUTO，头部热电偶恒定维持25℃的温度设置；

3）行驶工况：NEDC。

试验结果如表2所示：

表2 同轴管对比耗测试结果

3 结束语

本文是对汽车空调节能技术的总体介绍。通过对汽车空调所采用的 ECO经济模式控制、启停功能的控制逻辑等说明，以及详细分析外控变排量压缩机、同轴管的结构、原理和节能油耗测试比较等，阐述了当今以及未来近一段时间内汽车空调节能技术的发展状况，为我们展开汽车的节能技术的研究指出了方向，也进一步说明了汽车空调节能技术在整车节能技术的重要性。

本文的主要创新点是研究开发了外控变排量压缩机控制、启停功能控制等新的控制技术，从而实现了汽车空调的节能降耗，为未来新的节能技术的应用打下良好的基础。

当今节能技术是汽车新技术研究的热点和重点，同样，在未来的空调技术研究中，可能会围绕双层流空调单元、新制冷工质等零件和控制技术展开新的节能技术的开发，以此适应未来汽车新技术发展。