◆文/廣東　汪貴行　汪學(xué)慧

2014年7月，一輛奔馳S400混合電動(dòng)汽車(chē)報(bào)修，車(chē)主反映使用空調(diào)時(shí)，開(kāi)始是發(fā)現(xiàn)空調(diào)壓縮機(jī)噪聲逐步增大，這種現(xiàn)象大約持續(xù)了一個(gè)多月。最近發(fā)現(xiàn)空調(diào)不能制冷，同時(shí)儀表盤(pán)的車(chē)速表中央突然出現(xiàn)一個(gè)紅色的高壓電池警告燈，這時(shí)車(chē)輛不能啟動(dòng)了。這是一款2011年3月購(gòu)買(mǎi)的S400奔馳汽車(chē)，是奔馳公司于2009年后對(duì)我國(guó)出口的一種新型混合電動(dòng)汽車(chē)。圖1所示為該車(chē)的動(dòng)力系統(tǒng)圖，它的驅(qū)動(dòng)動(dòng)力由發(fā)動(dòng)機(jī)及其后方的電機(jī)提供，而電機(jī)是依靠鋰離子電池供電的。高壓鋰電池電壓為126V，所供電能經(jīng)圖1中的電控模塊轉(zhuǎn)換成三相交流電，以驅(qū)動(dòng)三相電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。從圖1中可以看出，該車(chē)為并聯(lián)式動(dòng)力驅(qū)動(dòng)形式，也就是奔馳公司介紹的所謂“平行動(dòng)力混合驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)”，發(fā)動(dòng)機(jī)與電機(jī)兩種動(dòng)力疊加在一起可增大驅(qū)動(dòng)車(chē)輛的能力，電機(jī)做成三相餅盤(pán)式，還兼做發(fā)動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)及發(fā)電工作，但該車(chē)不能單獨(dú)依靠電機(jī)驅(qū)動(dòng)車(chē)輛行駛，顯然這是一種典型的“弱混式”電動(dòng)汽車(chē)。

此車(chē)出現(xiàn)高壓電池警告燈紅色報(bào)警后，我們?cè)跈z查本車(chē)的供電系統(tǒng)時(shí)，通過(guò)逐一“排除法”進(jìn)行檢查，對(duì)該車(chē)各個(gè)主要的供電插頭進(jìn)行簡(jiǎn)單的一一拔除，再用檢查各系統(tǒng)是否能正常工作的方法，來(lái)判斷故障發(fā)生的部位。當(dāng)將空調(diào)壓縮機(jī)的直流供電插頭拔下后，該車(chē)的發(fā)動(dòng)機(jī)能啟動(dòng)，車(chē)輛也能正常起步運(yùn)行，再深入查找空調(diào)壓縮機(jī)的供電回路，發(fā)現(xiàn)它的電源有短路故障。本車(chē)空調(diào)壓縮機(jī)是用電機(jī)驅(qū)動(dòng)的，為一種電機(jī)與壓縮機(jī)整體式的結(jié)構(gòu)。整體式壓縮機(jī)的外形如圖2所示，它雖裝在發(fā)動(dòng)機(jī)的右前部，但發(fā)動(dòng)機(jī)上沒(méi)有驅(qū)動(dòng)皮帶與空調(diào)壓縮機(jī)連接，而是由高壓鋰電池提供電力進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。

整體式壓縮機(jī)包括三個(gè)部分。其一是置于中部的壓縮機(jī)三相驅(qū)動(dòng)電機(jī)。其二是右端小頭的高效率渦旋式壓縮機(jī)，它由電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，對(duì)F134a制冷劑進(jìn)行壓縮。壓縮機(jī)和電機(jī)二者完全密封在外殼內(nèi)，從圖2可見(jiàn)，其上有制冷劑的低壓輸入管，還有高壓輸出管等與全車(chē)的制冷系統(tǒng)連接。采用整體式壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)的另一個(gè)好處是，可利用低溫低壓制冷劑氣體流經(jīng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)時(shí)，能有效地吸收熱量，降低電機(jī)的工作溫度。其三是專(zhuān)為空調(diào)壓縮機(jī)服務(wù)的電控單元KLA，是一個(gè)電源的變頻器及控制器，向驅(qū)動(dòng)電機(jī)提供三相交流電，并管理驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速、電流及溫度等運(yùn)行參數(shù)，電機(jī)可在800～9000r/min的寬廣轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)進(jìn)行無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)，平滑地調(diào)節(jié)制冷劑的循環(huán)量，以此來(lái)控制車(chē)內(nèi)空調(diào)的溫度。

由于整體式空調(diào)壓縮機(jī)的供電回路出現(xiàn)電源短路故障，在拆解這個(gè)壓縮機(jī)的左端時(shí)，電控單元KLA是用樹(shù)脂密封膠完全封裝的，只能從圖2右端部分分解，將渦旋式壓縮機(jī)部分拆下，見(jiàn)圖3所示。而中部是驅(qū)動(dòng)電機(jī)部分，由于KLA完全封裝根本無(wú)法拆解，確認(rèn)該壓縮機(jī)損壞后，只得花費(fèi)數(shù)萬(wàn)元的高昂價(jià)格更換新的總成，才能修復(fù)該故障，使車(chē)輛正常運(yùn)行。那么本空調(diào)故障是如何產(chǎn)生的？這種電動(dòng)空調(diào)又有什么特點(diǎn)？為此我們作了一些分析探討。

一、造成壓縮機(jī)電源部分短路損壞的原因

為分析該故障產(chǎn)生的原因，與車(chē)主交談，得知該車(chē)曾于2013年9月發(fā)生過(guò)嚴(yán)重的連環(huán)追尾事故，車(chē)頭的散熱水箱、空調(diào)冷凝器及管道等受損嚴(yán)重。對(duì)空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行了重新修復(fù)并充加了制冷劑，也灌注了相應(yīng)數(shù)量的冷凍機(jī)油，當(dāng)時(shí)檢測(cè)空調(diào)系統(tǒng)，制冷功能已恢復(fù)正常。但今年7月，本車(chē)又出現(xiàn)了如前所述的空調(diào)不制冷，并且直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)的故障。

1.解體渦旋式壓縮機(jī)。圖3是渦旋式壓縮機(jī)的拆解圖，圖中渦旋式壓縮機(jī)的定子是不旋轉(zhuǎn)的，電機(jī)驅(qū)動(dòng)渦旋式壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)子，上面有渦旋式葉片。圖中右上的小照片是轉(zhuǎn)子背面驅(qū)動(dòng)塊的形狀，其中部的小孔與電機(jī)輸出軸上的小軸頭配合，渦旋轉(zhuǎn)子被電機(jī)驅(qū)動(dòng)，只作小半徑旋轉(zhuǎn)。渦旋壓縮機(jī)的定子與轉(zhuǎn)子相互配合，形成容積逐步變小的六個(gè)密封腔，最后由定子的中部孔排出高壓氣態(tài)制冷劑。壓縮機(jī)中部是被電機(jī)驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)的，而圓周分布的長(zhǎng)形孔是制冷劑低壓輸入管道。

在拆解這個(gè)渦旋式壓縮機(jī)時(shí)發(fā)現(xiàn)，兩個(gè)渦旋的葉輪內(nèi)部較干燥，沒(méi)有潤(rùn)滑油的痕跡，但卻有明顯的雜質(zhì)油泥存在，還能嗅到一絲漆包線的膠臭。為什么會(huì)產(chǎn)生這種現(xiàn)象呢？

2.電動(dòng)空調(diào)必須使用高絕緣性能的冷凍機(jī)油。由于本事故車(chē)曾發(fā)生過(guò)追尾事故，對(duì)空調(diào)制冷系統(tǒng)維修時(shí)曾加注過(guò)F134a制冷劑，同時(shí)也灌注了一定量的潤(rùn)滑機(jī)油。但當(dāng)時(shí)維修人員不了解電動(dòng)空調(diào)的維修規(guī)定，只是加注了普通的冷凍機(jī)油，這就埋下了造成事故的隱患。

從整體式空調(diào)壓縮機(jī)的結(jié)構(gòu)可知，其驅(qū)動(dòng)電機(jī)線圈是浸泡在制冷劑和冷凍機(jī)油中的，制冷劑和冷凍機(jī)油的品質(zhì)直接影響電機(jī)的運(yùn)行性能。電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，其定子漆包線線圈既要承受制冷劑氣體一定的腐蝕作用，也要承受交流高電壓的沖擊，以及車(chē)輛行駛的強(qiáng)烈振動(dòng)，工作環(huán)境是較惡劣的。特別是考慮到對(duì)電機(jī)的絕緣性能，故要求壓縮機(jī)使用的潤(rùn)滑機(jī)油必須選用奔馳電動(dòng)車(chē)空調(diào)壓縮機(jī)專(zhuān)用的高絕緣性能的潤(rùn)滑油。

其他品牌的電動(dòng)汽車(chē)空調(diào)，多采用三相交流電驅(qū)動(dòng)。如在深圳市使用量達(dá)2000多輛的比亞迪純電動(dòng)大客車(chē)K9上面的電動(dòng)空調(diào)，其交流工作電壓有的高達(dá)540V以上，瞬間尖峰電壓甚至可達(dá)760V，所以其必須使用高絕緣性能的冷凍潤(rùn)滑油。如豐田及凱迪拉克電動(dòng)汽車(chē)空調(diào)系統(tǒng)，要求使用ND-OIL 11號(hào)壓縮機(jī)油，比亞迪秦牌電動(dòng)空調(diào)要求使用POE，E6純電動(dòng)車(chē)要求使用RL68H的冷凍機(jī)油。它們有一個(gè)共同特點(diǎn)是：強(qiáng)調(diào)對(duì)電絕緣性能的要求，同時(shí)要求品質(zhì)高而含雜質(zhì)極少，絕對(duì)不能以普通空調(diào)冷凍機(jī)油取代，例如不能以常用的ND-OIL 8號(hào)壓縮潤(rùn)滑油代替。

我們發(fā)現(xiàn)當(dāng)前很多維修人員沒(méi)有意識(shí)到電動(dòng)壓縮機(jī)的特殊性，不重視冷凍機(jī)油的品質(zhì)和保管，維修時(shí)可能加注了含水量較大、雜質(zhì)較多的普通冷凍機(jī)油，這種冷凍機(jī)油不能承受惡劣環(huán)境，不滿足高絕緣性能的要求，使電機(jī)線圈首先受損，接著造成空調(diào)電控單元KLA電路過(guò)載，從而引起短路。

二、奔馳S400混合電動(dòng)汽車(chē)空調(diào)制冷系統(tǒng)的特點(diǎn)

電動(dòng)汽車(chē)空調(diào)與普通汽車(chē)空調(diào)最主要的差別在于空調(diào)壓縮機(jī)不由發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，而是由電機(jī)驅(qū)動(dòng)，這樣就可以不受發(fā)動(dòng)機(jī)是否運(yùn)行的約束，使電動(dòng)空調(diào)工作比較靈活。由于電動(dòng)空調(diào)的電源來(lái)自高壓蓄電池，而鎳氫電池或鋰電池組均對(duì)工作溫度有一定的要求，故電動(dòng)空調(diào)還要兼顧電池降溫的工作。以下以奔馳S400混合電動(dòng)汽車(chē)空調(diào)制冷系統(tǒng)為例，重點(diǎn)談?wù)勲妱?dòng)汽車(chē)空調(diào)系統(tǒng)的一些特點(diǎn)。

1.高壓鋰電池需要保持一定的溫度

混合電動(dòng)汽車(chē)的一個(gè)重要特點(diǎn)，是高壓鋰電池需要保持合適的工作溫度，這對(duì)保持鋰電池的容量、充電的循環(huán)次數(shù)和延長(zhǎng)使用壽命都有一定的作用，這個(gè)溫度范圍約在20～70℃之間。所以在裝有高壓電池的容器內(nèi)裝有溫度傳感器，用以檢測(cè)高壓電池的溫度，同時(shí)內(nèi)部還裝有專(zhuān)用的制冷蒸發(fā)器管道，如圖4所示。高壓電池的控制單元會(huì)對(duì)輸入的溫度傳感器信號(hào)進(jìn)行分析，如果電池工作溫度超過(guò)了規(guī)定值，該車(chē)的空調(diào)系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)來(lái)降溫。

這個(gè)溫度傳感信號(hào)的傳輸過(guò)程是比較復(fù)雜的：溫度傳感信號(hào)→電池控制單元→駕駛驅(qū)動(dòng)控制器局域網(wǎng)(它屬于底盤(pán)的CAN總線系統(tǒng))→中央網(wǎng)關(guān)的轉(zhuǎn)換→到達(dá)自動(dòng)空調(diào)KLA控制電腦→自動(dòng)向空調(diào)壓縮機(jī)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)發(fā)出指令→驅(qū)動(dòng)電控空調(diào)壓縮機(jī)旋轉(zhuǎn)。命令該車(chē)的空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)制冷劑會(huì)流經(jīng)高壓鋰電池內(nèi)的蒸發(fā)器，對(duì)高壓電池產(chǎn)生冷卻降溫作用。同時(shí)經(jīng)網(wǎng)關(guān)后的CAN還向發(fā)動(dòng)機(jī)控制電腦發(fā)出需要冷卻的指令，當(dāng)高壓鋰電池電壓不夠時(shí)，會(huì)控制發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)。

是否驅(qū)動(dòng)空調(diào)壓縮機(jī)的電機(jī)旋轉(zhuǎn)，或壓縮機(jī)旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速快慢，即壓縮機(jī)排出高溫高壓氣態(tài)制冷劑的量值大小，與高壓鋰電池的儲(chǔ)電容量、溫度和放電電流的大小，以及發(fā)動(dòng)機(jī)的工況等因素有關(guān)。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)在怠速或停機(jī)狀況時(shí)，電動(dòng)壓縮機(jī)的驅(qū)動(dòng)功率限制在2kW之內(nèi)，而車(chē)輛突然加速行駛，需要大功率驅(qū)動(dòng)時(shí)，則會(huì)在10s的短暫時(shí)間內(nèi)，限制電動(dòng)壓縮機(jī)的驅(qū)動(dòng)功率，甚至命令其停止運(yùn)轉(zhuǎn)。

從上面的分析可知，當(dāng)高壓鋰電池組過(guò)熱時(shí)，電動(dòng)模塊可命令空調(diào)系統(tǒng)自動(dòng)啟動(dòng)運(yùn)作，以降低鋰電池組件的工作溫度，直到溫度回降到20～70℃范疇，空調(diào)系統(tǒng)則自動(dòng)停止運(yùn)行。這種功能保護(hù)了高壓鋰電池組件，但它不需駕駛員根據(jù)車(chē)內(nèi)溫度來(lái)操作空調(diào)系統(tǒng)，而可由高壓鋰電池的溫度高低來(lái)自動(dòng)運(yùn)行，這是一種自動(dòng)調(diào)節(jié)高壓鋰電池組溫度的功能。有的車(chē)主不了解此功能，會(huì)覺(jué)得明明自己沒(méi)有開(kāi)啟空調(diào)，但空調(diào)系統(tǒng)卻自動(dòng)運(yùn)行了，往往錯(cuò)誤地以為空調(diào)系統(tǒng)失控了。

2.空調(diào)制冷系統(tǒng)有三條制冷回路

由圖5可看出，從電動(dòng)空調(diào)壓縮機(jī)出來(lái)的高溫高壓氣態(tài)制冷劑F134a，經(jīng)車(chē)頭冷凝器的散熱變成液態(tài)的中溫制冷劑，再經(jīng)干燥過(guò)濾器后分別流向：①H型膨脹閥和前蒸發(fā)器，可降低車(chē)內(nèi)前部的乘座溫度；②經(jīng)后蒸發(fā)器閥的控制，到達(dá)后蒸發(fā)器，可降低后座環(huán)境溫度；③經(jīng)高壓電池蒸發(fā)器閥的控制，流向高壓鋰電池內(nèi)部的蒸發(fā)器，有效地降低了鋰電池組的溫度，保證了高壓鋰電池的正常輸出。由于高壓鋰電池需要的工作溫度在20～70℃范圍內(nèi)，顯然遠(yuǎn)高于乘客所需要的22～26℃的車(chē)內(nèi)制冷溫度，所以流經(jīng)它的蒸發(fā)器的制冷劑循環(huán)管，是從干燥過(guò)濾器后分出，經(jīng)高壓電池蒸發(fā)器閥，流向高壓鋰電池蒸發(fā)器后，再流向前蒸發(fā)器入口的，其可重復(fù)在前蒸發(fā)器內(nèi)產(chǎn)生一定的制冷作用。顯然，這樣的設(shè)計(jì)可有效提高制冷劑的循環(huán)效率。

3.壓縮機(jī)帶有消聲器

本車(chē)空調(diào)壓縮機(jī)內(nèi)的高溫高壓輸出管道上，專(zhuān)門(mén)設(shè)置了一個(gè)容積較大的膨脹腔，這實(shí)際上就是一個(gè)壓縮機(jī)的消聲器，用于降低渦旋式壓縮機(jī)工作時(shí)氣體壓縮產(chǎn)生的噪音。實(shí)際運(yùn)行證明，啟用空調(diào)后即使在車(chē)輛靜止且發(fā)動(dòng)機(jī)處于停轉(zhuǎn)狀態(tài)下，也幾乎感受不到空調(diào)系統(tǒng)的噪音。

4.空調(diào)具有短暫的“維持制冷”功能

這種功能是指電動(dòng)空調(diào)能在點(diǎn)火開(kāi)關(guān)關(guān)閉、發(fā)動(dòng)機(jī)熄火后，仍保持有短時(shí)的制冷作用。在取下點(diǎn)火鑰匙后，只須按壓空調(diào)風(fēng)機(jī)鍵，就能啟用此項(xiàng)“維持制冷”的功能。如果是傳統(tǒng)的汽車(chē)空調(diào)，由于空調(diào)壓縮機(jī)是由發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的，發(fā)動(dòng)機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)，空調(diào)也就無(wú)法繼續(xù)產(chǎn)生冷氣，這種短暫的維持制冷功能也就無(wú)法做到。但電動(dòng)空調(diào)則不同，它是由電動(dòng)壓縮機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)的，不受發(fā)動(dòng)機(jī)是否旋轉(zhuǎn)的影響。

如在加油站加油時(shí)，點(diǎn)火鑰匙取下后發(fā)動(dòng)機(jī)會(huì)立即停機(jī)，駕駛員短時(shí)離開(kāi)車(chē)輛，如希望車(chē)內(nèi)溫度能夠保持舒適狀態(tài)，此短時(shí)制冷功能的作用便發(fā)揮出來(lái)了，當(dāng)然這個(gè)時(shí)間較短，在本混合電動(dòng)汽車(chē)上設(shè)計(jì)為不能超過(guò)6min。