◆文/廣東 汪貴行 汪學(xué)森

隨著科技的發(fā)展和節(jié)約能源的需求，我國電動汽車的應(yīng)用日益增多。目前，在我國乃至全球所有千萬人口級的大城市中，深圳是使用新能源汽車最多的城市，其具有LNG液化天然氣和CNG壓縮天然氣為燃料的汽車、多種形式的電動汽車、各類強(qiáng)混及弱混電動汽車、純電動大客車和純電動出租車等。我國南部地區(qū)，天氣十分炎熱，汽車全年使用空調(diào)的頻率極高，電動車的空調(diào)故障維修也逐漸增多，但多數(shù)維修人員對電動車并不十分了解，在維修電動汽車的空調(diào)時往往束手無策。本文分上、下兩期介紹電動汽車空調(diào)的主要特點，并結(jié)合實際介紹電動汽車空調(diào)的維修安全注意事項及通過案例分享維修的體會。

傳統(tǒng)燃油汽車由發(fā)動機(jī)作為動力源，而強(qiáng)混合電動汽車不以發(fā)動機(jī)作為主要動力源，與這兩者不同，電動汽車沒有發(fā)動機(jī)，所以電動汽車空調(diào)呈現(xiàn)一些新特點。

一、采用渦旋式壓縮機(jī)

現(xiàn)代電動汽車已不再安裝內(nèi)燃機(jī)，或主要不以發(fā)動機(jī)作為動力源，顯然空調(diào)制冷的壓縮機(jī)大多已不能以發(fā)動機(jī)來驅(qū)動，而改由電動機(jī)來驅(qū)動。這種驅(qū)動方式取消了傳統(tǒng)的外驅(qū)式皮帶輪，電動機(jī)一般與壓縮機(jī)組裝為一體，形成全封閉的結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。這種結(jié)構(gòu)形式靈活方便，可裝置在發(fā)動機(jī)室的任何位置，而且電動機(jī)與壓縮機(jī)可采取同軸驅(qū)動，不會出現(xiàn)傳統(tǒng)驅(qū)動方式的皮帶打滑、壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速與發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速不同步的現(xiàn)象。由于電動機(jī)同軸驅(qū)動壓縮機(jī)，可通過調(diào)節(jié)電動機(jī)轉(zhuǎn)速改變壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)空調(diào)壓縮機(jī)排量及制冷量的靈活控制。封閉式的驅(qū)動結(jié)構(gòu)，只有電源線及進(jìn)出氣管與外部聯(lián)系，泵氣裝置運(yùn)行的可靠性較高，故障率較低。

電動汽車空調(diào)的制冷系統(tǒng)與傳統(tǒng)汽車基本相同，主要由一體化壓縮機(jī)、冷凝器、膨脹閥、蒸發(fā)器和儲液干燥器等五大部件組成，另外還增加了電氣系統(tǒng)的空調(diào)驅(qū)動器。

使用泵氣效率較高的渦旋式壓縮機(jī)是電動汽車空調(diào)的一個共同特點，與其他諸多類型的空調(diào)壓縮機(jī)如斜盤式、曲柄連桿式、葉片式等壓縮機(jī)相比，渦旋式壓縮機(jī)具有振動小、嗓聲低、使用壽命長、重量輕、轉(zhuǎn)速高、效率高、外形尺寸小等多個優(yōu)點，更符合電動汽車的空調(diào)使用要求。

1.基本構(gòu)造和原理

渦旋式壓縮機(jī)包括一個定渦盤和一個動渦盤，這兩個相互嚙合的渦盤，其線型是相同的，它們相互錯開180°安裝在一起，即相位角相差180°。渦旋式壓縮機(jī)的工作原理如圖2所示，其定渦盤是固定在機(jī)架上，而動渦盤由電機(jī)直接驅(qū)動。動渦盤是不能自轉(zhuǎn)的，只能圍繞定渦盤作很小回轉(zhuǎn)半徑的公轉(zhuǎn)運(yùn)動。當(dāng)驅(qū)動電機(jī)旋轉(zhuǎn)帶動動渦盤公轉(zhuǎn)時，制冷氣體通過濾芯吸入到定渦盤的外圍部分，隨著驅(qū)動軸的旋轉(zhuǎn)，動渦盤在定渦盤內(nèi)按軌跡運(yùn)轉(zhuǎn)，使動、定渦盤之間形成由外向內(nèi)體積逐漸縮小的六個腔(圖2)：A腔、B腔、C腔、D腔、E腔和F腔，制冷氣體在動、定渦盤所組成的六個月牙形壓縮腔內(nèi)被逐步壓縮，最后從定盤中心孔通過閥片將被壓縮后的制冷氣體連續(xù)排出。

在壓縮機(jī)整個工作過程過程中，所有工作腔均由外向內(nèi)逐漸變小且處于不同的壓縮狀況，從而保證渦旋式壓縮機(jī)能連續(xù)不斷地吸氣、壓縮和排氣。雖然渦旋式壓縮機(jī)每次排出制冷劑的氣量較小，其排出量約為27～30cm3，但由于其動渦盤可作高達(dá)9000～13000r/min的公轉(zhuǎn)，所以它的總排量足夠大，能滿足車輛空調(diào)制冷的需求，當(dāng)然壓縮機(jī)的功耗也較大，可達(dá)4～7kW。

2.運(yùn)行特點

渦旋壓式縮機(jī)的運(yùn)行特點如下：①從圖2中可見，渦旋壓縮機(jī)不需要進(jìn)氣閥，只有排氣閥，這樣可簡化壓縮機(jī)的結(jié)構(gòu)，并且消除打開氣閥的壓力損失，可提高壓縮效率；②渦旋壓縮機(jī)的余隙容積接近零，所謂余隙容積是指經(jīng)壓縮機(jī)壓縮后不能被完全排出的氣體，顯然余隙容積大則壓縮機(jī)的工作效率低。渦旋壓縮機(jī)被吸入的氣體幾乎可完全被排出，容積效率能達(dá)到98%，相比傳統(tǒng)的往復(fù)活塞式壓縮機(jī)，由于活塞頭部與汽缸蓋間存在一定的間隙形成余隙容積，使得其效率只有70%左右；③渦旋壓縮機(jī)的工作過程較平穩(wěn)，從吸氣、壓縮到排氣，動渦盤要用三圈才能完成一個壓縮循環(huán)，而且壓縮機(jī)在任何角度都有三個腔同時在工作，吸氣、壓縮、排氣同時進(jìn)行。而活塞式壓縮機(jī)吸氣行程和排氣行程功耗少，壓縮行程功耗卻較大，造成運(yùn)轉(zhuǎn)不平穩(wěn)，且活塞作往復(fù)運(yùn)動時有閥片敲擊現(xiàn)象，這使得振動和噪聲均達(dá)到一定的幅值；④渦旋壓縮機(jī)的排氣閥處于壓縮機(jī)的中部，采取扁平閥的結(jié)構(gòu)，排氣管接口和進(jìn)氣管接口裝在一體化壓縮機(jī)殼體的兩端，只需通過管道就可與外部裝接；⑤這種壓縮機(jī)和控制單元，可利用制冷循環(huán)低壓氣流中的殘余冷氣進(jìn)行冷卻，根據(jù)溫度和壓力條件，使之得以有效降溫，保證了壓縮機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，溫度不致過高。

3.顯著優(yōu)點

渦旋式壓縮機(jī)的顯著優(yōu)點如下：①可方便以變排量方式運(yùn)行，由于采取三相永磁電機(jī)直接驅(qū)動壓縮機(jī)的方式，只需改變輸入驅(qū)動電機(jī)的電源頻率，就可改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速，使壓縮機(jī)的排氣量改變，而且渦旋式壓縮機(jī)比較節(jié)能，單位制冷量可減少10%～13%的功率消耗；②排氣連續(xù)、工作十分平穩(wěn)、扭矩變動小、運(yùn)轉(zhuǎn)時振動小、噪聲低；③結(jié)構(gòu)簡單、零件數(shù)少、體積小、質(zhì)量輕、能高速旋轉(zhuǎn)、運(yùn)轉(zhuǎn)壽命長，它使用的主要零部件僅為往復(fù)活塞式壓縮機(jī)的1/10。

此外，有的混合電動汽車為保證空調(diào)的可靠運(yùn)行，同時也為節(jié)省驅(qū)動電力，會采用“雙空調(diào)壓縮機(jī)”的結(jié)構(gòu)形式，包括電機(jī)驅(qū)動的空調(diào)壓縮機(jī)和汽油機(jī)驅(qū)動的壓縮機(jī)(圖3)。當(dāng)內(nèi)燃機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時由發(fā)動機(jī)帶動傳統(tǒng)機(jī)械壓縮機(jī)工作，而在汽車純電行駛模式下則用電機(jī)驅(qū)動壓縮機(jī)，以保證空調(diào)在兩種行駛模式下均可正常使用。為隔離兩個壓縮機(jī)的工作，兩者均裝有制冷劑的單向閥。

二、以三相永磁同步電機(jī)作為驅(qū)動

從上所述可知，驅(qū)動電動汽車空調(diào)壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的是三相永磁同步電機(jī)，而向空調(diào)三相電機(jī)供電的則應(yīng)是三相高壓交流電。電動汽車的電池只能提供直流電，為此必須要將電池直流電轉(zhuǎn)換為交流電，這個任務(wù)就由變頻器承擔(dān)，由它產(chǎn)生向空調(diào)壓縮機(jī)和三相永磁同步電機(jī)的交流電源。

1.三相永磁同步電機(jī)的特點

三相永磁同步電機(jī)在電動汽車上使用較多，特別是驅(qū)動汽車行駛的動力就是由三相永磁同步電機(jī)提供的，維修人員了解這種電機(jī)的特點對維修工作很有幫助。電動汽車在不同歷史時期采用了不同的電機(jī)，最早采用成本較低的直流電機(jī)，但它存在換向火花、高負(fù)載下轉(zhuǎn)速受限制、體積大、經(jīng)常需要維修等缺點，不能用于封閉式空調(diào)壓縮機(jī)的驅(qū)動電機(jī)。而三相永磁同步電機(jī)具有體積小、質(zhì)量輕、運(yùn)轉(zhuǎn)效率高、節(jié)省電能、可采用變頻調(diào)速、運(yùn)轉(zhuǎn)極可靠且遠(yuǎn)高于直流電機(jī)的6倍，維護(hù)保養(yǎng)費(fèi)用低等特點，所以現(xiàn)代封閉式空調(diào)壓縮機(jī)首選三相永磁同步電機(jī)。

2.三相永磁同步電機(jī)的工作原理

三相永磁同步電機(jī)主要由定子與轉(zhuǎn)子組成，利用通電的定子繞組產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，作用于永磁轉(zhuǎn)子上形成磁拉力而同步旋轉(zhuǎn)。電機(jī)定子通入三相對稱交流電，從而在定子與轉(zhuǎn)子的氣隙間產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，不論定子旋轉(zhuǎn)磁場與永磁轉(zhuǎn)子起始時相對位置如何，定子的旋轉(zhuǎn)磁極與轉(zhuǎn)子的磁極間，總是會產(chǎn)生磁力拖動轉(zhuǎn)子同步旋轉(zhuǎn)。由于轉(zhuǎn)子有磁極，在極低頻率下也能旋轉(zhuǎn)運(yùn)行，所以它比異步電機(jī)的調(diào)速范圍更寬。永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子同步轉(zhuǎn)速可用公式計算：n同=60fs/pn，此公式中，n同為電機(jī)轉(zhuǎn)子的同步轉(zhuǎn)速，fs為定子線圈的供電頻率，pn是電機(jī)轉(zhuǎn)子的磁極對數(shù)。

三相永磁同步電機(jī)的原理示意圖，如圖4所示，中部圓圈表示永磁轉(zhuǎn)子，永磁體按N、S磁極沿圓周徑向交替排列，圖上外部三個小線圈表示定子上輸入的對稱三相正弦波交流電，產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場與永磁轉(zhuǎn)子相互作用拖動轉(zhuǎn)子同步旋轉(zhuǎn)，并力圖使定子與轉(zhuǎn)子的軸線對齊。圖4中n0為電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速、T為轉(zhuǎn)矩、θ為功率角?？照{(diào)三相永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速雖與定子的旋轉(zhuǎn)磁場能同步運(yùn)行，但當(dāng)轉(zhuǎn)子有負(fù)荷阻力時，會使電機(jī)轉(zhuǎn)子與定子的磁場軸線間形成角差。功率角θ表示轉(zhuǎn)子與定子的磁場軸線間的夾角，負(fù)荷越大，功率角θ也越大，它雖不影響轉(zhuǎn)子的同步運(yùn)轉(zhuǎn)，但當(dāng)負(fù)荷阻力超大時功率角θ將造成轉(zhuǎn)子失速停轉(zhuǎn)。由于汽車空調(diào)的中小負(fù)荷起動與運(yùn)行特性，不易使電機(jī)轉(zhuǎn)子停轉(zhuǎn)，故這種永磁同步電機(jī)適合空調(diào)作驅(qū)動使用，可靠地運(yùn)用在一體化的空調(diào)壓縮機(jī)中，使用壽命較長。

3.變頻器的作用

電動汽車空調(diào)的三相永磁同步電機(jī)，其定子需要通入三相交流電，但電動汽車上只有高壓直流電池，所以需要變頻器將直流電轉(zhuǎn)化為交流電。電動空調(diào)的變頻器使用了6個IGBT場效應(yīng)管，它是絕緣柵雙極型晶體管，屬于電壓控制類器件，其特點是柵極的驅(qū)動功率小而飽和壓降低，在電力系統(tǒng)和變流技術(shù)上廣泛使用。IGBT管的導(dǎo)通或截止受控于其上的柵極電壓，就能造成IGBT的源極與漏極間的通路或斷路狀況。如圖5所示，當(dāng)6個IGBT的柵極按一定規(guī)律輪流加上占空比脈沖調(diào)制控制電壓時，就會讓電池的直流高壓電流經(jīng)過變頻器，在輸出端形成三相正弦交流電流，利于三相永磁同步電機(jī)平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)，產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩以驅(qū)動空調(diào)壓縮機(jī)。圖5中與IGBT管并聯(lián)的二極管是電機(jī)三相繞組的續(xù)流二極管，起保護(hù)IGBT管的作用。

4.調(diào)節(jié)制冷劑的排量

通過控制永磁同步電機(jī)定子各相繞組的通電頻率及電流大小，可高精度調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩，并能直接控制壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速，達(dá)到調(diào)節(jié)制冷劑的排量，以適合汽車運(yùn)行對空調(diào)系統(tǒng)的不同工況要求。圖6反映了輸入電機(jī)的三相交流電的波形，圖6的上圖表示三相交流電的頻率高，這會使得驅(qū)動電機(jī)的轉(zhuǎn)速上升，電壓的幅值大則會使電機(jī)的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩更強(qiáng)。而圖6的下圖則反之，電機(jī)的轉(zhuǎn)速與輸出轉(zhuǎn)矩均較低。(未完待續(xù))