全直流變頻電動客車空調器的研制

方金湘

（湖南岳陽職業(yè)技術學院機電工程系，湖南 岳陽 414000）

全直流變頻電動客車空調器的研制

方金湘

（湖南岳陽職業(yè)技術學院機電工程系，湖南 岳陽 414000）

本文針對電動客車空調機能效比低、交流電機電磁噪音大的情況，提出直接采用客車上高壓直流電源的永磁直流高效電動機(壓縮機、冷凝風機、蒸發(fā)風機）的方式，對系統(tǒng)設計和產(chǎn)品加工工藝進行了優(yōu)化，實現(xiàn)了電機的高效無級調速，從而達到節(jié)能、噪音低的目的，開發(fā)出滿足客車要求的空調系統(tǒng)。

能效比；永磁直流高效電動機；無級調速；高效節(jié)能；噪音

在日益注重環(huán)保的今天，電動車因其在能源安全、環(huán)境保護及可持續(xù)發(fā)展等方面的優(yōu)勢，受到了全世界的廣泛關注。尤其是對新一代的純電動環(huán)保型汽車作為未來主要的潛在車型，擁有一套節(jié)能高效的空調系統(tǒng)對開拓市場至關重要。

目前電動客車空調機普遍采用交流變頻系統(tǒng)，電動全封閉臥式渦旋壓縮機、冷凝風機、蒸發(fā)風機都采用交流電機，也有壓縮機采用直流變頻電動全封閉臥式渦旋壓縮，風機采用交流電機的，或風機采用DC24V低壓直流無刷電機，都具有調頻、壽命長等優(yōu)點，但由于以上方案都要使用變頻器，低壓直流無刷電機也要使用逆變器，需要消耗一定的電能，且交流電機的效率比較低，因而導致能效比很難提高。具體表現(xiàn)在：（1）電動壓縮機及風機都要采用變頻器或逆變器，需要一次電源轉換，需要消耗一定的電能，一般轉換效率在92%左右。在電動客車上應用，能耗問題尤為突出。（2）交流電機的效率比較低，最高只能達80%左右，能效不能充分發(fā)揮，同時產(chǎn)生一定的電磁噪音。針對此種情況，對于電動客車研制一款高效節(jié)能、噪音低的全直流變頻空調器非常必要。

1 直流變頻電動客車空調器組成以及工作原理

1.1 空調器組成

針對上述存在的缺點和問題加以改進和創(chuàng)新，提供一種結構簡單、可靠、節(jié)能的空調機組，即直流變頻電動客車空調機組，見圖1，包括壓縮機、四通閥、冷凝器芯、高壓直流冷凝風機、電子膨脹閥、蒸發(fā)器芯、高壓直流蒸發(fā)風機、汽液分離器、微電腦控制系統(tǒng)和制冷劑（R407c）。所述的壓縮機、四通閥、冷凝器芯、電子膨脹閥和蒸發(fā)器芯、四通閥以及汽液分離器通過管道依次首尾相連，組成制冷劑通道，所述的制冷劑通道內填充制冷劑（R407c），微電腦控制系統(tǒng)連接并控制壓縮機、四通閥和電子膨脹閥的運行，其中，壓縮機為直流永磁電動機驅動的渦漩式全封閉臥式壓縮機，工作電源為DC600V，高壓直流冷凝風機、高壓直流蒸發(fā)風機的工作電源均為DC600V，所述的壓縮機采用V型永磁轉子，無磁損、不需磁化，為數(shù)字電機，所述的微電腦控制系統(tǒng)為數(shù)字轉換電路。電子膨脹閥包括脈沖電機開關閥芯，制冷劑為R407c。

圖1 空調器組成及工作原理

1.2 工作原理

制冷循環(huán)：高壓直流變頻壓縮機吸入低溫低壓R407c制冷劑，通過客車高壓電源驅動的動靜渦旋盤壓縮為高溫高壓氣體排出，而進入四通閥，通過四通閥后、高溫高壓氣體進入室外換熱器中進行冷卻，成為中溫高壓氣液混合制冷劑，液態(tài)制冷劑通過電子膨脹閥節(jié)流，節(jié)流后的液態(tài)制冷劑進入室內換熱器汽化，而形成低溫低壓的制冷劑，釋放出的熱量通過室內換熱器和風機傳到室內，從而達到降低室內溫度的目的；低溫低壓R407c制冷劑被吸入到高壓直流變頻壓縮機1中，周而復始，形成制冷循環(huán)。

制熱循環(huán)：高壓直流變頻壓縮機吸入低溫低壓R407c制冷劑，通過客車高壓電源驅動的動靜渦旋盤壓縮為高溫高壓氣體排出，進入四通閥，通過四通閥后、高溫高壓氣體進入室內換熱器中進行冷卻，成為中溫高壓氣液混合制冷劑，而釋放出的熱量通過室內換熱器和風機傳到室內，從而達到提高室內溫度的目的；液態(tài)制冷劑通過膨脹閥節(jié)流，節(jié)流后的液態(tài)制冷劑進入室外換熱器汽化而形成低溫低壓的制冷劑，釋放出的熱量通過室外換熱器和風機傳到室外；低溫低壓R407c制冷劑被吸入到高壓直流變頻壓縮機中，周而復始，形成制熱循環(huán)。

2 壓縮機的選擇

壓縮機的性能直接影響系統(tǒng)的性能和經(jīng)濟性。壓縮機采用直流永磁電動機驅動的渦漩式全封閉臥式結構，具有振動小、效率高、高可靠性、噪音低、外形尺寸小等特點，降低了運行成本。壓縮機直接采用客車上的DC600V電源，并送至功率模塊，模塊受控制器送來的控制信號控制，把模塊輸出受控的直流電源（無逆變環(huán)節(jié)）送至壓縮機的直流電機，控制壓縮機的排量，從而實現(xiàn)無級變排量；壓縮機的直流電機采用了V型永磁轉子，無磁損，不需磁化，使磁力線集中，大大減少了轉換過程中的能量耗損，使壓縮機運行更平穩(wěn)、更安靜、效率更高，比普通空調省電。變頻空調的壓縮機由變頻電機拖動，電源變頻器輸出頻率變化的交流電給電動機，使電動機的轉速可以根據(jù)室內制冷量的需要而連續(xù)變化，最終壓縮機的制冷量達到連續(xù)變化的自動控制，即精確滿足負荷變化。

為了配合制冷量的連續(xù)變化，制冷系統(tǒng)中采用了電子膨脹閥，由脈沖電機開關閥芯，快速控制進入蒸發(fā)器的制冷劑流量。

3 制冷劑選擇

相對R134a，R407c具有較高的容積制冷量，可以減少機組尺寸和重量。下面分別采用R134a和R407c對同一臺渦旋結構壓縮機進行性能測試，見圖2。

圖2 采用R134a和R407c對同一臺渦旋結構壓縮機的性能曲線

冷凝溫度為55℃，蒸發(fā)溫度為-10～10℃范圍內，環(huán)境溫度35℃，可以看出同一蒸發(fā)溫度時，R407c的制冷能力大于R134a。同時，它屬于安全環(huán)保制冷劑，由R32、R125、R134a組成的非共氟混合工質，低毒不可燃，屬于安全性制冷劑。

4 電控系統(tǒng)

使用直流永磁電動機驅動的渦漩式全封閉臥式壓縮機，屬于高效數(shù)字直流變頻壓縮機，這種壓縮機采用數(shù)字信號控制，實現(xiàn)了壓縮機的低噪音高效運轉，具體表現(xiàn)為：（1） 它摒棄了原有的“直流電壓→交流電壓→變轉速方式交流電機”的循環(huán)工作方式，采用先進的“直流電壓→變轉速方式數(shù)字電機”控制技術，減少電流在工作中轉變次數(shù)，使電能轉化效率大大提高。（2）采用數(shù)字電機，數(shù)字電機是指采用數(shù)字脈沖信息控制且轉速非常精確的電機，在電機轉動和改變轉速期間，能夠實現(xiàn)減速加速的完全控制，可以保證風機以最佳方式進行平穩(wěn)安靜地運轉。同時避免了交流電機引起的交流噪音，大大降低了運轉噪音。

微電腦控制系統(tǒng)以數(shù)字轉換電路代替原來的交流轉換電路，并能根據(jù)環(huán)境溫度變化，精確控制轉速，使壓縮機始終處于最佳運行狀態(tài)。微電腦系統(tǒng)控制變頻壓縮機的同時，控制電子膨脹閥的開啟度，保持適當?shù)闹评鋭┝髁?，從而直接改變蒸發(fā)器中制冷劑的流量，使其狀態(tài)發(fā)生改變，壓縮機的轉速與膨脹閥的開啟度相對應，壓縮機的排氣量與膨脹閥的供液量相對應，使熱度不至于太高，蒸發(fā)器的能力得到最大限度的發(fā)揮，從而使制冷系統(tǒng)實現(xiàn)最高效率。同時系統(tǒng)設置了有效的接地保護，一旦意外接地，系統(tǒng)會自動切斷高壓電源。

5 結語

全直流變頻空調，即空調的三大核心電機（變頻壓縮機電機、室內風扇電機、室外風扇電機）均采用功能強大的直流電機，通過全直流控制模塊整合三大直流電機靈活的調節(jié)優(yōu)勢，再優(yōu)化匹配空調系統(tǒng)，將全直流變頻空調卓越的性能發(fā)揮得淋漓盡致。研制的空調機組的優(yōu)點如下。（1）節(jié)能效果明顯提高；（2）運行噪音明顯降低；（3）空調運行更可靠；（4）運行調節(jié)更加精準。成功設計制作出了樣機，為公司開發(fā)了一款新的全直流變頻電動客車頂置空調。經(jīng)過裝車驗證，性能良好。我們將繼續(xù)完善，為電動客車空調的進一步完善開發(fā)打下堅實的基礎。

[1]金鵬.電動汽車熱泵空調系統(tǒng)試驗研究[J]. 華南理工大學,2015,(5).

U463

A

1671-0711（2017）12（上）-0173-02

湖南省教育廳課題，在研（2016.6-2018.12），本項目已申報實用新型專利，授權專利號為ZL 2016 2 0401995.7，證書號：第5549444號。