淺析RS485/CAN雙通信有軌電車變頻空調(diào)設(shè)計(jì)

李明剛 于婷婷 徐楊非 王星

摘? 要：變頻空調(diào)作為是一種在制冷效果、舒適度以及節(jié)能等方面具有優(yōu)勢的列車設(shè)備，能滿足節(jié)能、舒適、綠色出行理念?；诖?，本文從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、電氣原理、控制邏輯等方面介紹了一款兼具RS485/CAN通信方式的有軌電車車輛儲能系統(tǒng)的超級電容變頻空調(diào)機(jī)組，同時闡述了該變頻空調(diào)的設(shè)計(jì)制造過程。

關(guān)鍵詞：變頻空調(diào);RS485/CAN通訊;便攜式

中圖分類號：U482.1;TP273.5? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? 文章編號：2096-6903（2020）11-0000-00

0 引言

由于我國能源形勢緊張，這直接導(dǎo)致軌道車輛運(yùn)營成本的增加。作為軌道車輛能源消耗大戶，若將空調(diào)系統(tǒng)中定頻空調(diào)系統(tǒng)升級為變頻空調(diào)系統(tǒng)對于軌道交通的節(jié)能環(huán)保有著重要意義。變頻空調(diào)不但節(jié)能環(huán)保，而且可以對空調(diào)運(yùn)行過程中的空氣轉(zhuǎn)換狀況進(jìn)行調(diào)節(jié)，大大提高了制冷效率，降低了輸入功率的消耗，同時兼具運(yùn)行效率高，噪聲小等特點(diǎn)[1]。

超級電容作為穩(wěn)定直流電網(wǎng)電壓波動的儲能裝置，以其長壽命，高效率，低污染，免維護(hù)，快速充放電等特性，在軌道交通設(shè)計(jì)中得到廣泛應(yīng)用[2，3]?；诖?，本文提出了一種基于DC500V-DC600V直流供電的儲能超級電容箱變頻空調(diào)，用于調(diào)節(jié)有軌電車電池箱箱內(nèi)溫度，以保證電池工作在合適的環(huán)境條件中。

1 超級電容變頻空調(diào)設(shè)計(jì)原理

1.1 空調(diào)機(jī)組的系統(tǒng)設(shè)計(jì)

超級電容空調(diào)裝置的制冷系統(tǒng)由壓縮機(jī)、冷凝器、熱力膨脹閥、蒸發(fā)器等主要部件組成，通過銅管釬焊連接形成封閉的制冷系統(tǒng)。在制冷回路中，壓縮機(jī)將低溫低壓的氣態(tài)制冷劑壓縮成高溫高壓的過熱氣體并存入冷凝器，通過室外側(cè)軸流風(fēng)機(jī)使外界空氣與冷凝器進(jìn)行強(qiáng)制換熱，冷凝成高壓液體，節(jié)流降壓后成為低溫低壓的液體，經(jīng)分液器進(jìn)入蒸發(fā)器，通過室內(nèi)側(cè)送風(fēng)機(jī)使電容箱內(nèi)部空氣與蒸發(fā)器進(jìn)行強(qiáng)制換熱，吸收通過蒸發(fā)器空氣的熱量，制冷劑蒸發(fā)成為低壓氣體，再經(jīng)過汽液分離器被壓縮機(jī)吸入，壓縮成高溫高壓的過熱氣體，完成一個制冷循環(huán)。

當(dāng)前大多數(shù)軌道車輛變頻空調(diào)均是一體式空調(diào)，即壓縮機(jī)、冷凝風(fēng)機(jī)、通風(fēng)機(jī)均集成到箱體內(nèi)部。本文中空調(diào)裝置在設(shè)計(jì)時選擇分離蒸發(fā)風(fēng)機(jī)與空調(diào)機(jī)組合的方式，即在空調(diào)機(jī)組內(nèi)部固定冷凝風(fēng)機(jī)而在機(jī)組外部預(yù)留通風(fēng)機(jī)接線位置，在使用時超級電容端可自主安裝通風(fēng)機(jī)?？照{(diào)裝置的通風(fēng)機(jī)、冷凝風(fēng)機(jī)、控制器所需的DC24V電源均由儲能系統(tǒng)供給，通風(fēng)機(jī)、冷凝風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速均按照主控器輸出的PWM波實(shí)時調(diào)節(jié)。

1.2 空調(diào)機(jī)組基本參數(shù)及電路設(shè)計(jì)

變頻空調(diào)設(shè)計(jì)主要由制冷量、輸入電源電壓、結(jié)構(gòu)尺寸以及通信方式等多個方面來確定。根據(jù)儲能系統(tǒng)的要求，該超級電容變頻空調(diào)設(shè)計(jì)主要參數(shù)如下表1所示。

DC430V-DC650V的主電源由車輛儲能系統(tǒng)提供，主要用于為變頻壓縮機(jī)供電，DC24V電源（DC16.8V～DC30V）也由儲能系統(tǒng)提供，用于提供冷凝風(fēng)機(jī)以及主控器驅(qū)動電源。EMI濾波器、RC預(yù)充電電路、熔斷器用于對主電路系統(tǒng)進(jìn)行保護(hù)。整個空調(diào)機(jī)組的主電路原理圖如下圖1所示。

1.3 空調(diào)機(jī)組控制電路設(shè)計(jì)

空調(diào)機(jī)組上電后控制系統(tǒng)和儲能系統(tǒng)通過CAN網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信息交換，通過電容溫度和回風(fēng)溫度進(jìn)行判斷，并處于自動模式，將電池箱目標(biāo)溫度控制在20～30℃。當(dāng)在目標(biāo)溫度范圍內(nèi)進(jìn)行通風(fēng)時，當(dāng)箱內(nèi)溫度偏高時進(jìn)行變頻制冷，變頻制冷工況下控制器按照回風(fēng)溫度的變化不斷調(diào)整壓縮機(jī)頻率，避免制冷量不足或制冷過強(qiáng)而浪費(fèi)能源。此外，機(jī)組還具有單機(jī)線控器以進(jìn)行應(yīng)急控制和檢修。

控制系統(tǒng)主要包括電源處理、系統(tǒng)運(yùn)行所需要的溫度等信號的采集、系統(tǒng)（部件）保護(hù)信號的采集、各執(zhí)行部件的控制輸出、與外界及內(nèi)部的通訊等?？照{(diào)機(jī)組與儲能系統(tǒng)的通信方式通常有兩種（RS485與CAN），設(shè)計(jì)時通過在主控器預(yù)留RS485接口，再根據(jù)外部設(shè)備需求加入RS585轉(zhuǎn)CAN通信的CONV1模塊，該模塊可根據(jù)外部通信方式選擇自由安裝拆卸從而轉(zhuǎn)換通信方式。

2 超級電容變頻空調(diào)優(yōu)勢介紹

2.1 應(yīng)用環(huán)境、對象創(chuàng)新

本文中所介紹的超級電容變頻空調(diào)機(jī)組主要為穩(wěn)定儲能系統(tǒng)超級電容工作溫度而設(shè)計(jì)，工作環(huán)境比常用軌道車輛空調(diào)相對嚴(yán)苛。且變頻空調(diào)機(jī)組采用DC430V-DC650電源直供，不同于常見的AC380V/50Hz軌道車輛空調(diào)。

2.2 節(jié)能環(huán)保

采用直流變頻控制技術(shù)，根據(jù)外部環(huán)境溫度實(shí)時調(diào)節(jié)壓縮機(jī)頻率，冷凝風(fēng)機(jī)、蒸發(fā)風(fēng)機(jī)均根據(jù)外溫采用PWM波控制轉(zhuǎn)速，既使超級電容工作穩(wěn)定在溫度變化范圍內(nèi)，又避免了電力資源的浪費(fèi)。

2.3 RS485/CAN 通信方式自由切換

超級電容變頻空調(diào)RS485/CAN兩種通信方式切換方便，使其能夠更好與軌道車輛系統(tǒng)協(xié)同發(fā)展。同時也有助于縮短空調(diào)產(chǎn)品的開發(fā)周期，節(jié)省成本。

2.4 更好的空間布置

該空調(diào)裝置結(jié)構(gòu)上采用蒸發(fā)風(fēng)機(jī)與空調(diào)箱體分離式的設(shè)計(jì)方法，優(yōu)化了空調(diào)箱體內(nèi)部的器件布置，同時也有利于空調(diào)機(jī)組的運(yùn)輸以及檢修維護(hù)。

3 結(jié)語

本文將直流變頻技術(shù)應(yīng)用于儲能系統(tǒng)超級電容空調(diào)機(jī)組，所設(shè)計(jì)的空調(diào)機(jī)組采用多路信號采集、多級故障保護(hù)、壓機(jī)寬頻率調(diào)節(jié)以及風(fēng)機(jī)多轉(zhuǎn)速設(shè)定。為了適應(yīng)后續(xù)變頻空調(diào)開發(fā)的需要，通過安裝/拆卸網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換模塊這一靈活的方式使其通訊方式可方便切換。此外，還在空間設(shè)計(jì)上優(yōu)化排布，設(shè)計(jì)蒸發(fā)風(fēng)機(jī)與空調(diào)機(jī)組分離。經(jīng)過測試，該變頻空調(diào)在制冷效果、噪聲、故障保護(hù)、通訊穩(wěn)定等方面表現(xiàn)良好。為將來軌道車輛直流變頻空調(diào)的設(shè)計(jì)提供了一種新的思路，具有一定的參考價(jià)值與指導(dǎo)意義。

參考文獻(xiàn)

[1] 張赤勇.R410a環(huán)保型直流變頻空調(diào)器的設(shè)計(jì)[J].家電科技，2013（10）：60-63.

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[3] 王雪迪.基于城市軌道交通車輛的超級電容儲能系統(tǒng)的研究[D].北京：北京交通大學(xué)，2008.

收稿日期：2020-19-20

作者簡介：李明剛（1984—），男，重慶人，本科，工程師，研究方向：軌道車輛車鉤、受流器、空調(diào)。