混合動力汽車手動調(diào)節(jié)的空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計

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(fēng)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(fēng)模式、 風(fēng)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(jī)的動力源都依賴于發(fā)動機(jī)， 暖風(fēng)時的熱源都取之于發(fā)動機(jī)冷卻液的熱量。 在混合動力汽車中， 由于發(fā)動機(jī)經(jīng)常處于停機(jī)狀態(tài)， 冷卻液溫度較低， 因此制冷和暖風(fēng)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(jī)的動力源， 可采用電動壓縮機(jī)， 將288 V的動力源逆變成三相交流電源， 驅(qū)動電動壓縮機(jī)工作； ②暖風(fēng)的熱源， 可采用PTC加熱器， 輔助發(fā)動機(jī)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(jié)合電動壓縮機(jī)變頻特性， 設(shè)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(jié)構(gòu)

手動調(diào)節(jié)空調(diào)的結(jié)構(gòu)包括兩部分： 一是機(jī)械控制部分， 包括控制空調(diào)起停的A／C開關(guān)、 鼓風(fēng)機(jī)旋鈕開關(guān)、 冷暖風(fēng)門切換旋鈕、 內(nèi)外循環(huán)開關(guān)以及相關(guān)的控制電路； 二是空調(diào)系統(tǒng)部分， 包括三機(jī) （暖風(fēng)機(jī)、 蒸發(fā)器、 鼓風(fēng)機(jī)）、 壓縮機(jī)、 冷凝器帶風(fēng)機(jī)總成及相關(guān)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(fēng)兩個過程敘述。

1） 制冷過程

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

制冷過程中， 出現(xiàn)下列情況時將會關(guān)斷壓縮機(jī)并在附近點起停壓縮機(jī)進(jìn)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(jié)霜堵塞蒸發(fā)器； 二是高低壓開關(guān)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(hù)發(fā)動機(jī)會關(guān)斷壓縮機(jī)。 當(dāng)出現(xiàn)制冷劑泄漏使空調(diào)系統(tǒng)壓力過低， 為保護(hù)壓縮機(jī)， 空調(diào)系統(tǒng)將停止工作。

2） 暖風(fēng)過程

常規(guī)車暖風(fēng)空調(diào)的熱源來自于發(fā)動機(jī)的冷卻液， 當(dāng)冷卻液流過暖風(fēng)機(jī)散熱器時， 鼓風(fēng)機(jī)工作后空氣流過散熱器， 將熱量帶出并吹進(jìn)駕駛室內(nèi)以達(dá)到暖風(fēng)效果。 因此， 暖風(fēng)效果與發(fā)動機(jī)冷卻液溫度密切相關(guān)， 一般來說， 冷卻液溫度達(dá)到80 ℃時才有良好的暖風(fēng)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(jī)的旋轉(zhuǎn)依靠發(fā)動機(jī)來帶動， 并通過壓縮機(jī)離合器來控制壓縮機(jī)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(jī)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(jī)匹配空調(diào)系統(tǒng)， 壓縮機(jī)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(guān)閉， 正常情況下， 由于手動調(diào)節(jié)空調(diào)不能設(shè)定一個目標(biāo)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(jī)不必要的負(fù)載。 如果此時人為控制空調(diào)關(guān)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(fēng)局限性

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

為了達(dá)到一定的暖風(fēng)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(jī)時常要停機(jī)， 發(fā)動機(jī)水溫不可能滿足這個條件， 暖風(fēng)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(jié)構(gòu)

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(jī) （蒸發(fā)器、 暖風(fēng)機(jī)、 鼓風(fēng)機(jī)）、 冷凝器、 管路、 壓縮機(jī)組成， 不過壓縮機(jī)是電動壓縮機(jī)， 而且在暖風(fēng)機(jī)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(jī)， 由無刷電機(jī)、 電機(jī)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(dá)2.0以上， 而斜盤式一般低于1.5； 電機(jī)驅(qū)動器一般采用無位置傳感器的矢量變頻技術(shù)， 與無刷電機(jī)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(jī)的基本性能參數(shù)。

表1 電動渦旋壓縮機(jī)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(fēng)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(fēng)機(jī)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(jī)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(chǔ)上增加了暖風(fēng)開關(guān)TC、 整車控制器HCU及室內(nèi)溫度傳感器、 電動壓縮機(jī)驅(qū)動器等， 構(gòu)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(fēng)等功能。

1） 空調(diào)操縱機(jī)構(gòu)

空調(diào)操縱機(jī)構(gòu)主要用于控制空調(diào)冷暖風(fēng)切換、吹風(fēng)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(fēng)控制TC按扭， 圖4為某車型的空調(diào)操縱機(jī)構(gòu)。

左邊第1個是鼓風(fēng)機(jī)旋鈕， 共分5個檔位， 檔位越高風(fēng)速越大， 0檔位是空檔位， 鼓風(fēng)機(jī)不工作；第2個旋鈕是冷暖切換風(fēng)門， 逆時針最左端是冷風(fēng)門， 順時針最右端是暖風(fēng)門， 旋鈕順時針旋轉(zhuǎn)是冷風(fēng)到暖風(fēng)的切換過程， 逆時針則是暖風(fēng)切換到冷風(fēng)的過程； 第3個旋鈕是模式風(fēng)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(fēng)。 其中內(nèi)外循環(huán)控制、 暖風(fēng)控制與傳統(tǒng)車不同， 傳統(tǒng)車內(nèi)外風(fēng)門的切換是靠發(fā)動機(jī)真空來實現(xiàn)， 混合動力車是靠風(fēng)門電動機(jī)正反轉(zhuǎn)實現(xiàn)。 TC是混合動力車獨(dú)有的暖風(fēng)輔助裝置， 當(dāng)TC按下時，空氣加熱器PTC開始工作， 輔助發(fā)動機(jī)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(shù)的電動壓縮機(jī)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(guān)傳感器、 開關(guān)等共同構(gòu)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(jī)， 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(jìn)行信息交換， 同時通過位置檢測裝置對壓縮機(jī)三相交流電源進(jìn)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(jī)的三相電流重構(gòu)， 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(yīng)， 效率高， 轉(zhuǎn)矩性能好， 以及在不丟轉(zhuǎn)速的情況下保證足夠硬的轉(zhuǎn)矩特性， 這些特性非常適合電動壓縮機(jī)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(shè)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(chǔ)上修改而成的。

2.2.1 制冷策略

1） 將鼓風(fēng)機(jī)開關(guān)撥至需要的檔位， 鼓風(fēng)機(jī)繼電器吸合， 鼓風(fēng)機(jī)工作， 同時空調(diào)開關(guān)得電。 如不開鼓風(fēng)機(jī)， 按A／C開關(guān)不工作， 避免A／C工作時無風(fēng)吹過蒸發(fā)器。

2） 將冷暖風(fēng)門切換到冷風(fēng)門狀態(tài)， 按下空調(diào)的A／C開關(guān)， HCU整車控制器得到制冷請求信號（高電平）， HCU對起動壓縮機(jī)進(jìn)行判斷， 當(dāng)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(jī)等大負(fù)荷用電情況； ④室內(nèi)溫度高于設(shè)定值 （通過室內(nèi)溫度傳感器判斷， 設(shè)定值由HCU決定， 是個定值， 一般取25 ℃或其他）， 將起動壓縮機(jī)工作。

3） 空調(diào)系統(tǒng)工作后， 如果室內(nèi)溫度高于設(shè)定值若干度（如5 ℃以上）， HCU控制電動壓縮機(jī)高速旋轉(zhuǎn)， 便于快速制冷； 當(dāng)制冷溫度降到設(shè)定溫度時， 雖然電量等各種因素滿足壓縮機(jī)高速旋轉(zhuǎn)， 但HCU仍控制電動壓縮機(jī)低速旋轉(zhuǎn)， 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(dāng)整車出現(xiàn)大負(fù)荷用電或電量不足時， 電動壓縮機(jī)優(yōu)先低速旋轉(zhuǎn)或停止，便于整車電能的分配； 當(dāng)蒸發(fā)器溫度降低到0 ℃左右時， 為防止結(jié)霜堵塞風(fēng)道， 壓縮機(jī)將低速旋轉(zhuǎn)，溫度回升時轉(zhuǎn)速增加進(jìn)行微調(diào)； 當(dāng)三位壓力開關(guān)檢測到管路壓力達(dá)到中壓設(shè)定值時， 散熱器風(fēng)扇高速旋轉(zhuǎn)， 當(dāng)檢測到制冷劑泄漏或壓力高于管路高壓設(shè)定值時， 關(guān)斷壓縮機(jī)。

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

2.2.2 暖風(fēng)策略

1） 將鼓風(fēng)機(jī)開關(guān)撥至需要的檔位， 鼓風(fēng)機(jī)繼電器吸合， 鼓風(fēng)機(jī)工作， 同時空調(diào)開關(guān)得電。 如不開鼓風(fēng)機(jī)， 按TC開關(guān)不工作， 避免TC工作時無風(fēng)吹過PTC， 引起PTC溫度過高造成危險。

2） 將冷暖風(fēng)門切換到暖風(fēng)門狀態(tài)， 按下空調(diào)的TC開關(guān)， 整車控制器HCU得到暖風(fēng)請求信號 （高電平）， HCU對起動PTC進(jìn)行判斷， 當(dāng)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(jī)冷卻液溫度低于一定值 （如75 ℃）； ④室內(nèi)溫度高于設(shè)定值 （通過室內(nèi)溫度傳感器判斷， 設(shè)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(fēng)工作后， 如果室內(nèi)溫度低于設(shè)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(dāng)暖風(fēng)溫度升到設(shè)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(guān)斷， 起到節(jié)油的目的； 當(dāng)發(fā)動機(jī)冷卻液溫度超過一定值 （如75 ℃） 時， 也關(guān)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(guān)閉PTC。

5） 釋放TC開關(guān)， HCU接收到空調(diào)TC停止請求信號， 將關(guān)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(biāo)準(zhǔn)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(jī)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(jìn)行規(guī)定，以便比較準(zhǔn)確地測試電動壓縮機(jī)的制冷性能。 試驗工況要求如下： 蒸發(fā)器進(jìn)風(fēng)口干球溫度 （27±1 ℃）；蒸發(fā)器進(jìn)風(fēng)口濕球溫度 （19.5±0.5 ℃）； 冷凝器進(jìn)風(fēng)口干球溫度 （35±1 ℃）； 冷凝器風(fēng)機(jī)用電動機(jī)端電壓（13.5±0.3 V）； 壓縮機(jī)吸氣壓力196 kPa； 壓縮機(jī)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(jī)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(jìn)行。 電動壓縮機(jī)的性能參數(shù)見表1， 分別測試其轉(zhuǎn)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(guān)數(shù)據(jù)。

按表3的測試項目， 依次測試其它轉(zhuǎn)速下的相關(guān)參數(shù)值。 將壓縮機(jī)各轉(zhuǎn)速下的制冷量進(jìn)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(zhuǎn)速下制冷量的變化， 按照此曲線可以控制壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)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(jié)束語

為解決傳統(tǒng)車制冷、 暖風(fēng)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(chǔ)上增加了電動壓縮機(jī)和PTC組件， 通過采用矢量變頻技術(shù)的電動壓縮機(jī)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(guān)傳感器、 開關(guān)等共同構(gòu)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(jié)合電動壓縮機(jī)的變頻技術(shù)， 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(jié)構(gòu)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(jī)轉(zhuǎn)速下制冷性能可以滿足設(shè)計要求。

［1］ 闕雄才， 陳江平. 汽車空調(diào)實用技術(shù)［M］. 北京： 機(jī)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(jié)構(gòu)特點［J］.汽車維修， 2006， （8）： 4-5.