新能源汽车与燃油汽车空调压缩机结构分析

2021-08-24黄志添

汽车电器 2021年8期

黄志添

（佛山市鸿运交通技工学校，广东佛山528000）

随着环境问题和能源问题日益突出，各国人们开始把目光从传统的燃油汽车转向新能源汽车，中国作为能源消费大国，发展新能源汽车产业是低碳经济时代必然的选择。压缩机是汽车空调制冷系统的心脏，其作用是压缩制冷剂，向制冷系统输出源源不断的动力。新能源汽车空调系统与传统燃油汽车空调系统由于动力源不同，导致压缩机技术、机构组成和控制系统有所区别。本文介绍新能源汽车空调与传统燃油汽车的结构区别，与读者一起探索汽车空调压缩机的组成及工作原理。

1 汽车空调系统的工作原理

新能源汽车和传统燃油汽车的空调系统工作原理相同。利用制冷制（雪种）的物理变化，通过压缩、放热、节流、吸热4个环节不断循环，从而达到降低车厢温度的目的，如图1所示。

1）压缩过程：通过空调压缩机将制冷剂压缩成高温高压的气体。

2）放热过程：高温高压的气体通过冷凝器时，热量通过冷凝器上的铝管和铝片释放到大气中，为了更好地散热，都会在冷凝器后面增加散热风扇，提高散热效率，经过散热后，高温高压的气体会变为低温高压的液体。

3）节流过程：液体通过储液干燥罐进行过滤，将制冷剂中的水分和金属粉末吸附下来，流出纯净的液体制冷剂；高压液体制冷剂进入膨胀阀，管路变大，压力减少，温度降低，制冷剂以雾状进入蒸发器。

图1 制冷系统工作原理

4）吸热过程：在蒸发器中的制冷剂继续由液体转化为气体，在转化的过程中，需要吸收大量的热，从而将蒸发器周围的空气降温，变成冷空气，鼓风机将冷空气吹进驾驶室。

空调系统4个环节周而复始地进行，从而达到降低车厢内温度，让车内的人员在大热天也能感受到清凉的快乐。

2 汽车空调系统的基本组成

汽车空调系统由压缩机、冷凝器、储液干燥罐、压力开关、膨胀阀、蒸发器、系统维修接口等组成，如图2所示。各部件的作用如下。

1）压缩机：将低温低压的制冷剂气体压缩成高温高压的气体。

图2 汽车空调系统

2）冷凝器：将高温高压的制冷剂气体散热后变成高压液态的制冷剂。

3）储液干燥罐：过滤水分和杂质。

4）压力开关：当系统压力正常时，压力开关导通，压缩机正常工作；系统压力导常时，断开压缩机电路，保护压缩机。

5）膨胀阀：节流、降压、自动调节流量。高压液体制冷剂经节流变为气液混合体流进蒸发器。

6）蒸发器：热交换器，膨胀阀喷出的雾状制冷剂在蒸发器内蒸发，吸收蒸发器空气中的热量，使蒸发器周围的空气降温，达到制冷的目的。

7）检修接口：用于连接压力表，方便对系统进行加压、抽真空、加制冷剂等操作。高压接口安装在高压管上，多为细管，连接着压缩机、冷凝器和储液干燥罐。低压接口安装在低压管上，多为粗管，连接着蒸发器和压缩机。

新能源汽车与纯燃油汽车最大的区别在于采用不同驱动类型的压缩机，新能源汽车采用电动压缩机，而纯燃油汽车则采用发动机带动的机械式压缩机，其它部件区别不大。

3 新能源汽车压缩机组成

新能源汽车空调系统主要采用电力驱动，为了提高性能，将电动机、变频器与压缩机组装成一体，形成全封闭结构。

图3 比亚迪电动压缩机（工作电压653V）

1）新能源汽车电动压缩机如图3所示。由涡旋式压缩机、三相永磁同步电机、高压电源线、变频器、通信接口、制冷剂输出口、制冷剂输入口、壳体等部件组成。不同车型，压缩机的工作电压不同，在直流电压200～700V之间，一般在压缩机的铭牌上有标示工作电压、使用制冷剂的型号等重要信息。

新能源汽车电动压缩机工作原理：动力电池向压缩机变频器供电，变频器将直流电转化为交流电，向三相永磁同步电机输出交流电，三相永磁同步电机带动涡旋式压缩机运转，将低压气体制冷剂压缩成高压气体。

2）涡旋式压缩机结构如图4所示。由一个静涡盘和一个动涡盘组成，两个函数方程型线的动、静涡盘相互咬合而成相互啮合，相互错开180°安装。

图4 涡旋式压缩机

涡旋式压缩机工作原理如图5所示。静涡盘固定在外壳不动，电机偏心轴驱动动涡盘。动涡盘不作旋转，而是作小范围形位移，静涡盘与动涡盘之间的相对位置不断变化，压缩制冷剂，形成高压，从压缩机输出口排出。

图5 涡旋式压缩机工作原理

3）三相永磁同步电机如图6所示。由定子、转子和端盖等部件组成。定子由硅钢片和漆包铜线组成，采用三相绕组结构，与普通感应电机基本相同；转子由硅钢片和绝缘挡板叠片压制而成，并在转子安装永磁铁，整个转子带有强磁特性。

三相永磁同步电机工作原理如图7所示：三相交流高压电输入电机定子，定子产生旋转磁场，转子中的永久磁铁受到旋转磁场的吸引产生转矩，从而拖动永磁转子旋转。通过改变交流电流的频率，可以改变电机的转速，同步电机转速公式：

式中：n——电机转速；fs——供电频率；pn——转子磁极对数。通过改变三相交流其中二相输入顺序，可以改变电机的转动方向。

图6 三相永磁同步电机

图7 三相永磁同步电机工作原理

三相永磁同步电机特点：利用磁场产生动力，没有电刷，没有换向火花，减少了机械运动带来的磨损，因而相对于直流电机压缩机和机械压缩机更耐用。相对于传统压缩机，具有尺寸小、质量轻、转矩大、无电刷、高速性能好、结构牢固等优点。

图8 变频器

4）变频器如图8所示。新能源汽车的动力电池提供高压直流电，而三相永磁同步电机为交流电机，要将直流电DC转变为交流电AC，这个工作需要变频器完成。电动空调变频器承受高电压、大电流、高频变化，起重要作用的电子元件名叫绝缘栅双极型晶体管（IGBT场效应管）。电动空调变频器需要使用6个IGBT场效应管。IGBT场效应管是由BJT（双极型三极管）和MOS（绝缘栅型场效应管）组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件，IGBT场效应管具有驱动电流较大和低导通压降两方面的优点，驱动功率小而饱和压降低。非常适合应用于直流电压为600V及以上的变流系统如交流电机。

变频器工作原理如图9所示。变频器通信接口连接着空调控制单元，变频器根据空调控制单元的控制信号，高频控制IGBT管导通或截止，不断改变电路，将直流电改变为交流电，输入三相绕组电子，产生变化的磁场，拖动永磁转子旋转。通过改变输出电流的频率和大小，从而改变电机的转速和转矩（图10），从而实现变频控制。

图9 变频器工作原理图

4 传统燃油汽车压缩机组成

传统燃油汽车一般使用机械式压缩机，压缩机由发动机提供动力。压缩机与发动机用皮带相连，发动机带动压缩机运转，如图11所示。此类压缩机具有结构简单、生产和维修成本低、制冷量大等优点，缺点是需要发动机提供动力，降低了发动机的功率。

1）传统燃油汽车摆盘式压缩机的组成如图12所示：由吸盘、皮带轮、电磁离合器、前端盖、驱动轴、轴承、摆盘、楔形传动板、活塞、缸体、阀体、阀片、调节阀、后端盖、固定螺栓等部件组成。

2）动力传动：压缩机皮带轮通过皮带与发动机相连。发动机转动，带动压缩机皮带轮旋转。①当空调系统不工作时，电磁离合器不通电，吸盘与皮带轮分开，此时压缩机的皮带轮空转，不消耗发动机动力。②当空调系统工作时，电磁离合器通电产生强磁场，吸盘在磁场力的吸引下，紧紧地压着皮带轮，皮带轮带动吸盘旋转，吸盘与压缩机的驱动轴花键连接，从而带动驱动轴旋转，空调制冷系统工作。

电磁离合器如图13所示。由硅钢片和漆包铜线绕制而成，通电时产生强磁场。电磁离合器的正极连着压缩机继电器，压缩机继电器受空调系统控制单元控制；压缩机负极通过壳体搭铁。

3）压缩制冷制过程：吸盘带动驱动轴转运，通过传动机构，将旋转运动转化为活塞往复运动。现代轿车主要使用轴向活塞压缩机，有摆盘式和斜盘式两种压缩机。①摆盘式压缩机如图14所示。驱动轴带动楔形传动板旋转，楔形传动板挤压摇板，摇板不作旋转运动，而是作“翘翘板”式的来回摇动。摇板通过万向节和连杆带动活塞作往复运动。②斜盘式压缩机如图15所示。驱动轴带动斜盘旋转，斜盘推动活