包壽紅， 余才光， 于海生， 馬智濤， 張 彤

（吉利汽車研究院有限公司電子傳動分院， 上海 201500）

汽車空調(diào)系統(tǒng)是一個比較重要的附件系統(tǒng)， 除了給駕駛室內(nèi)提供一個比較舒適的環(huán)境外， 還用于前風擋玻璃的除霧、 除霜， 保證行駛的安全性。 在傳統(tǒng)的汽車空調(diào)系統(tǒng)中， 根據(jù)系統(tǒng)控制不同可分為手動調(diào)節(jié)空調(diào)和自動空調(diào)兩大類。 手動調(diào)節(jié)的空調(diào)系統(tǒng)是依靠駕駛員撥動控制面板上的各種功能鍵、旋鈕， 實現(xiàn)對溫度、 吹風模式、 風速的控制， 該系統(tǒng)不具有自動恒溫功能， 成本低； 而自動空調(diào)系統(tǒng)則相反， 主要用于中高檔汽車中。

在傳統(tǒng)汽車中， 手動調(diào)節(jié)空調(diào)和自動空調(diào)系統(tǒng)有一個共同的特點， 制冷時壓縮機的動力源都依賴于發(fā)動機， 暖風時的熱源都取之于發(fā)動機冷卻液的熱量。 在混合動力汽車中， 由于發(fā)動機經(jīng)常處于停機狀態(tài)， 冷卻液溫度較低， 因此制冷和暖風都不能正常工作。

在將常規(guī)車空調(diào)改為混合動力空調(diào)系統(tǒng)時， 既可采用自動空調(diào)， 也可采用手動調(diào)節(jié)空調(diào)。 需要解決的主要有兩大問題： ①壓縮機的動力源， 可采用電動壓縮機， 將288 V的動力源逆變成三相交流電源， 驅(qū)動電動壓縮機工作； ②暖風的熱源， 可采用PTC加熱器， 輔助發(fā)動機溫度較低的冷卻液， 給整車提供熱源。

在混合動力車輛中， 如果采用自動空調(diào)系統(tǒng)，可利用自動空調(diào)系統(tǒng)控制單元結合電動壓縮機變頻特性， 設計成恒溫、 恒濕的變頻空調(diào)系統(tǒng)， 只不過成本要高出很多， 這在其他已成熟上市的混合動力車輛中有使用。 如果利用傳統(tǒng)手動調(diào)節(jié)空調(diào)的控制模式改成混合動力的手動調(diào)節(jié)空調(diào)， 使用車輛很少或者目前還沒有。 由于手動調(diào)節(jié)空調(diào)在制冷／熱時不具有恒溫功能， 因此制冷／熱會一直持續(xù)， 這樣的控制模式非常不適合混合動力系統(tǒng)的工作。

1 常規(guī)汽車手動調(diào)節(jié)空調(diào)系統(tǒng)

1.1 手動調(diào)節(jié)空調(diào)的結構

手動調(diào)節(jié)空調(diào)的結構包括兩部分： 一是機械控制部分， 包括控制空調(diào)起停的A／C開關、 鼓風機旋鈕開關、 冷暖風門切換旋鈕、 內(nèi)外循環(huán)開關以及相關的控制電路； 二是空調(diào)系統(tǒng)部分， 包括三機 （暖風機、 蒸發(fā)器、 鼓風機）、 壓縮機、 冷凝器帶風機總成及相關的管路。

1.2 手動調(diào)節(jié)空調(diào)的原理

手動調(diào)節(jié)空調(diào)的電路原理見圖1， 空調(diào)的原理主要按制冷和暖風兩個過程敘述。

1） 制冷過程

制冷時， 先將鼓風機開關旋轉到需要的檔位，1檔風量最小， 4檔風量最大， 鼓風機繼電器吸合，鼓風機工作。 同時將冷暖風門旋鈕切換到冷風門，吹風模式切換到需要的狀態(tài)。 按下A／C開關， 電流通過鼓風機繼電器→A／C開關→三位壓力開關到發(fā)動機ECU的E12端子， ECU得到A／C起動要求， 接通壓縮機繼電器， 離合器吸合， 在發(fā)動機的帶動下壓縮機開始工作， 空調(diào)進入制冷狀態(tài)。

制冷過程中， 出現(xiàn)下列情況時將會關斷壓縮機并在附近點起停壓縮機進行微調(diào)： 一是蒸發(fā)器溫度傳感器檢測到溫度接近0 ℃時， 為防止結霜堵塞蒸發(fā)器； 二是高低壓開關檢測到空調(diào)管路壓力過高； 三是水溫傳感器檢測到冷卻液溫度過高（超過104 ℃）， 為保護發(fā)動機會關斷壓縮機。 當出現(xiàn)制冷劑泄漏使空調(diào)系統(tǒng)壓力過低， 為保護壓縮機， 空調(diào)系統(tǒng)將停止工作。

2） 暖風過程

常規(guī)車暖風空調(diào)的熱源來自于發(fā)動機的冷卻液， 當冷卻液流過暖風機散熱器時， 鼓風機工作后空氣流過散熱器， 將熱量帶出并吹進駕駛室內(nèi)以達到暖風效果。 因此， 暖風效果與發(fā)動機冷卻液溫度密切相關， 一般來說， 冷卻液溫度達到80 ℃時才有良好的暖風效果。

1.3 常規(guī)手動調(diào)節(jié)空調(diào)的局限性

1.3.1 制冷局限性

1.3.1.1 動力源

傳統(tǒng)手動調(diào)節(jié)空調(diào)壓縮機的旋轉依靠發(fā)動機來帶動， 并通過壓縮機離合器來控制壓縮機的起停。在混合動力系統(tǒng)中， 在諸如純電動等工況下， 發(fā)動機常處于熄火狀態(tài)， 因此在混合動力系統(tǒng)中， 如果采用常規(guī)壓縮機匹配空調(diào)系統(tǒng)， 壓縮機將失去動力源而使空調(diào)無法正常工作。

1.3.1.2 舒適性及節(jié)油率

空調(diào)開始制冷后， 只要空調(diào)沒有被關閉， 正常情況下， 由于手動調(diào)節(jié)空調(diào)不能設定一個目標溫度， 空調(diào)將會一直工作下去， 制冷溫度可以降得很低， 影響舒適度， 同時增加了發(fā)動機不必要的負載。 如果此時人為控制空調(diào)關閉， 溫度上升到一定時再打開， 則空調(diào)系統(tǒng)壓力要重新建立， 降低了空調(diào)系統(tǒng)的能效比。

1.3.2 暖風局限性

常規(guī)車暖風是靠發(fā)動機冷卻液提供熱源的。 冷卻液通過管路流入暖風機散熱器內(nèi)， 如果鼓風機開起并將冷暖風門切換到暖風門， 空調(diào)則進入暖風模式。 這時將有空氣吹過散熱器并進行熱交換， 空氣溫度上升， 最后通過風門吹入駕駛室內(nèi)。

為了達到一定的暖風效果， 冷卻液的溫度一般要穩(wěn)定在80 ℃以上， 但在混合動力車輛中， 發(fā)動機時常要停機， 發(fā)動機水溫不可能滿足這個條件， 暖風無法正常工作。

2 混合動力手動調(diào)節(jié)空調(diào)系統(tǒng)

2.1 混合動力手動調(diào)節(jié)空調(diào)系統(tǒng)組成

2.1.1 結構

混合動力手動調(diào)節(jié)空調(diào)系統(tǒng)與傳統(tǒng)車基本一致， 也由三機 （蒸發(fā)器、 暖風機、 鼓風機）、 冷凝器、 管路、 壓縮機組成， 不過壓縮機是電動壓縮機， 而且在暖風機內(nèi)增加了PTC組件， 這與傳統(tǒng)空調(diào)有所不同。

圖2所示的電動壓縮機， 由無刷電機、 電機驅(qū)動器、 壓縮部件三大部分組成。 壓縮部件采用渦旋式， 與斜盤式相比， COP可達2.0以上， 而斜盤式一般低于1.5； 電機驅(qū)動器一般采用無位置傳感器的矢量變頻技術， 與無刷電機及壓縮部件合成整體， 體積比較小， 很適合在混合動力車型上使用。

表1為某款車型電動渦旋壓縮機的基本性能參數(shù)。

表1 電動渦旋壓縮機性能參數(shù)

混合動力車輛的采暖目前有3種方案， 分別為熱泵方式、 冷卻水加熱電熱器方式以及空氣加熱電熱器方式， 三者的區(qū)別見表2。 由于空氣加熱易于操作且升溫快， 因此目前暖風一般趨向采用空氣加熱器PTC的方式。 圖3為某款車采用的PTC， 規(guī)格12V／500 W， 安裝在暖風機內(nèi)。

表2 3種制熱方式的區(qū)別

2.1.2 控制

混合動力空調(diào)的機械控制部分與傳統(tǒng)車有較大不同， 是在傳統(tǒng)空調(diào)基礎上增加了暖風開關TC、 整車控制器HCU及室內(nèi)溫度傳感器、 電動壓縮機驅(qū)動器等， 構成一個手動調(diào)節(jié)的變頻控制系統(tǒng)， 控制空調(diào)制冷和暖風等功能。

1） 空調(diào)操縱機構

空調(diào)操縱機構主要用于控制空調(diào)冷暖風切換、吹風模式切換以及A／C、 內(nèi)外循環(huán)的控制， 為了適合混合動力車輛使用， 增加了暖風控制TC按扭， 圖4為某車型的空調(diào)操縱機構。

左邊第1個是鼓風機旋鈕， 共分5個檔位， 檔位越高風速越大， 0檔位是空檔位， 鼓風機不工作；第2個旋鈕是冷暖切換風門， 逆時針最左端是冷風門， 順時針最右端是暖風門， 旋鈕順時針旋轉是冷風到暖風的切換過程， 逆時針則是暖風切換到冷風的過程； 第3個旋鈕是模式風門， 按順時針起依次是吹面／吹腳、 吹面、 除霜、 吹腳。

按鍵部分， 從左到右依次是除霜、 制冷、 內(nèi)外循環(huán)、 暖風。 其中內(nèi)外循環(huán)控制、 暖風控制與傳統(tǒng)車不同， 傳統(tǒng)車內(nèi)外風門的切換是靠發(fā)動機真空來實現(xiàn)， 混合動力車是靠風門電動機正反轉實現(xiàn)。 TC是混合動力車獨有的暖風輔助裝置， 當TC按下時，空氣加熱器PTC開始工作， 輔助發(fā)動機冷卻液向整車提供熱源。

2） 空調(diào)控制模塊

手動調(diào)節(jié)空調(diào)系統(tǒng)的控制主要由采用矢量變頻技術的電動壓縮機驅(qū)動器和整車控制器HCU為核心的控制模塊組成， 加上外圍的相關傳感器、 開關等共同構成一個完整的變頻系統(tǒng)。

驅(qū)動器的原理見圖5， 微控制器***341是驅(qū)動器的控制核心； 288 V直流電源一部分通過IGBT逆變成三相正弦交流電源用于驅(qū)動壓縮機， 另一部分通過穩(wěn)壓電源將288 V直流電源穩(wěn)壓成15 V、 3.3 V、1.8 V三種規(guī)格， 供***341模塊使用。 整車12 V直流電為光耦隔離器件提供工作電源， 控制器***341通過光耦隔離與PWM、 PWM反饋信號、 ON／OFF控制信號進行信息交換， 同時通過位置檢測裝置對壓縮機三相交流電源進行采樣。

控制器***341是基于FOC （磁場定向） 的矢量變頻控制， 利用單電阻電流采樣即可實現(xiàn)電機的三相電流重構， 從而實現(xiàn)了FOC電流環(huán)和速度環(huán)雙閉環(huán)矢量控制， 具有可以在不產(chǎn)生大電流的情況下實現(xiàn)快速的動態(tài)響應， 效率高， 轉矩性能好， 以及在不丟轉速的情況下保證足夠硬的轉矩特性， 這些特性非常適合電動壓縮機的驅(qū)動要求。

2.2 混合動力手動調(diào)節(jié)空調(diào)系統(tǒng)的原理

圖6是為某車型設計的手動調(diào)節(jié)空調(diào)系統(tǒng)原理圖， 是在圖1的傳統(tǒng)空調(diào)基礎上修改而成的。

2.2.1 制冷策略

1） 將鼓風機開關撥至需要的檔位， 鼓風機繼電器吸合， 鼓風機工作， 同時空調(diào)開關得電。 如不開鼓風機， 按A／C開關不工作， 避免A／C工作時無風吹過蒸發(fā)器。

2） 將冷暖風門切換到冷風門狀態(tài)， 按下空調(diào)的A／C開關， HCU整車控制器得到制冷請求信號（高電平）， HCU對起動壓縮機進行判斷， 當滿足以下條件： ①整車處于READY狀態(tài)或行駛狀態(tài)； ②SOC大于一定值； ③沒有出現(xiàn)加速／上陡坡、 起動發(fā)動機等大負荷用電情況； ④室內(nèi)溫度高于設定值 （通過室內(nèi)溫度傳感器判斷， 設定值由HCU決定， 是個定值， 一般取25 ℃或其他）， 將起動壓縮機工作。

3） 空調(diào)系統(tǒng)工作后， 如果室內(nèi)溫度高于設定值若干度（如5 ℃以上）， HCU控制電動壓縮機高速旋轉， 便于快速制冷； 當制冷溫度降到設定溫度時， 雖然電量等各種因素滿足壓縮機高速旋轉， 但HCU仍控制電動壓縮機低速旋轉， 維持室內(nèi)溫度，這時功耗很小， 起到節(jié)油的目的。

4） 空調(diào)系統(tǒng)工作后， 當整車出現(xiàn)大負荷用電或電量不足時， 電動壓縮機優(yōu)先低速旋轉或停止，便于整車電能的分配； 當蒸發(fā)器溫度降低到0 ℃左右時， 為防止結霜堵塞風道， 壓縮機將低速旋轉，溫度回升時轉速增加進行微調(diào)； 當三位壓力開關檢測到管路壓力達到中壓設定值時， 散熱器風扇高速旋轉， 當檢測到制冷劑泄漏或壓力高于管路高壓設定值時， 關斷壓縮機。

5） 釋放A／C開關， HCU接收到空調(diào)A／C停止請求信號， 將關斷壓縮機。

2.2.2 暖風策略

1） 將鼓風機開關撥至需要的檔位， 鼓風機繼電器吸合， 鼓風機工作， 同時空調(diào)開關得電。 如不開鼓風機， 按TC開關不工作， 避免TC工作時無風吹過PTC， 引起PTC溫度過高造成危險。

2） 將冷暖風門切換到暖風門狀態(tài)， 按下空調(diào)的TC開關， 整車控制器HCU得到暖風請求信號 （高電平）， HCU對起動PTC進行判斷， 當滿足以下條件： ①整車處于READY狀態(tài)或行駛狀態(tài)； ②SOC大于一定值； ③發(fā)動機冷卻液溫度低于一定值 （如75 ℃）； ④室內(nèi)溫度高于設定值 （通過室內(nèi)溫度傳感器判斷， 設定值由HCU決定， 是個定值， 一般取20 ℃或其他）， 將起動PTC工作。

3） 空調(diào)暖風工作后， 如果室內(nèi)溫度低于設定值若干度（如5 ℃以上）， HCU控制2組PTC工作， 否則開1組PTC工作， 便于快速制熱； 當暖風溫度升到設定溫度時， 雖然電量等各種因素滿足PTC繼續(xù)工作， 但HCU仍控制PTC關斷， 起到節(jié)油的目的； 當發(fā)動機冷卻液溫度超過一定值 （如75 ℃） 時， 也關斷PTC工作。

4） 如果空調(diào)控制模塊（如HCU） 檢測到PTC本體溫度高于一定值時， 為防止燒車的危險， 將無條件關閉PTC。

5） 釋放TC開關， HCU接收到空調(diào)TC停止請求信號， 將關斷PTC。

2.3 空調(diào)系統(tǒng)的制冷性能

2.3.1 試驗要求

根據(jù)汽車標準QC／T 657—2000 《汽車空調(diào)制冷裝置試驗方法》、 JB／T6914 《汽車空調(diào)器試驗方法》 以及電動壓縮機空調(diào)系統(tǒng)的特殊要求， 對試驗中的氣候條件、 試驗工況、 操作要求等進行規(guī)定，以便比較準確地測試電動壓縮機的制冷性能。 試驗工況要求如下： 蒸發(fā)器進風口干球溫度 （27±1 ℃）；蒸發(fā)器進風口濕球溫度 （19.5±0.5 ℃）； 冷凝器進風口干球溫度 （35±1 ℃）； 冷凝器風機用電動機端電壓（13.5±0.3 V）； 壓縮機吸氣壓力196 kPa； 壓縮機排氣壓力1.7 MPa； 過熱度10 K； 過冷度0 K。

2.3.2 汽車空調(diào)電動壓縮機制冷性能試驗

試驗是在某空調(diào)公司環(huán)模試驗室內(nèi)進行。 電動壓縮機的性能參數(shù)見表1， 分別測試其轉速在2 500 r／min、 4 000 r／min、 5 000 r／min、 6 000 r／min、 7 000 r／min時的制冷量。 表3是在4 000 r／min時所測的相關數(shù)據(jù)。

按表3的測試項目， 依次測試其它轉速下的相關參數(shù)值。 將壓縮機各轉速下的制冷量進行統(tǒng)計，繪制成如圖7所示的曲線， 從曲線上可反映出此空調(diào)系統(tǒng)在各轉速下制冷量的變化， 按照此曲線可以控制壓縮機的轉速來調(diào)整空調(diào)的制冷需求。

表3 汽車空調(diào)器制冷性能測試表

3 結束語

為解決傳統(tǒng)車制冷、 暖風時存在的缺陷， 混合動力手動調(diào)節(jié)空調(diào)系統(tǒng)在傳統(tǒng)手動調(diào)節(jié)空調(diào)系統(tǒng)的基礎上增加了電動壓縮機和PTC組件， 通過采用矢量變頻技術的電動壓縮機驅(qū)動器和以整車控制器HCU為核心的控制模塊， 加上外圍的相關傳感器、 開關等共同構成一個完整的手動調(diào)節(jié)的變頻空調(diào)系統(tǒng)。

由于增加室內(nèi)溫度傳感器， 通過HCU的檢測和控制， 以及結合電動壓縮機的變頻技術， 使該套空調(diào)系統(tǒng)具有傳統(tǒng)手動調(diào)節(jié)空調(diào)的結構簡單、 成本低的特點， 同時又具有自動空調(diào)系統(tǒng)變頻和恒溫的功能， 有助于混合動力汽車的節(jié)油率和乘坐的舒適性， 具有一定的推廣價值。

通過在某空調(diào)公司環(huán)模試驗室測試， 該套空調(diào)系統(tǒng)在不同壓縮機轉速下制冷性能可以滿足設計要求。

［1］ 闕雄才， 陳江平. 汽車空調(diào)實用技術［M］. 北京： 機械工業(yè)工業(yè)出版社， 2003.

［2］ 張金柱. 豐田Prius轎車全電動空調(diào)系統(tǒng)的結構特點［J］.汽車維修， 2006， （8）： 4-5.