電動汽車空調的特點與維修(上)

◆文/廣東 汪貴行 汪學森

隨著科技的發展和節約能源的需求，我國電動汽車的應用日益增多。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，天氣十分炎熱，汽車全年使用空調的頻率極高，電動車的空調故障維修也逐漸增多，但多數維修人員對電動車并不十分了解，在維修電動汽車的空調時往往束手無策。本文分上、下兩期介紹電動汽車空調的主要特點，并結合實際介紹電動汽車空調的維修安全注意事項及通過案例分享維修的體會。

傳統燃油汽車由發動機作為動力源，而強混合電動汽車不以發動機作為主要動力源，與這兩者不同，電動汽車沒有發動機，所以電動汽車空調呈現一些新特點。

一、采用渦旋式壓縮機

現代電動汽車已不再安裝內燃機，或主要不以發動機作為動力源，顯然空調制冷的壓縮機大多已不能以發動機來驅動，而改由電動機來驅動。這種驅動方式取消了傳統的外驅式皮帶輪，電動機一般與壓縮機組裝為一體，形成全封閉的結構，其內部結構如圖1所示。這種結構形式靈活方便，可裝置在發動機室的任何位置，而且電動機與壓縮機可采取同軸驅動，不會出現傳統驅動方式的皮帶打滑、壓縮機轉速與發動機轉速不同步的現象。由于電動機同軸驅動壓縮機，可通過調節電動機轉速改變壓縮機轉速，實現空調壓縮機排量及制冷量的靈活控制。封閉式的驅動結構，只有電源線及進出氣管與外部聯系，泵氣裝置運行的可靠性較高，故障率較低。

電動汽車空調的制冷系統與傳統汽車基本相同，主要由一體化壓縮機、冷凝器、膨脹閥、蒸發器和儲液干燥器等五大部件組成，另外還增加了電氣系統的空調驅動器。

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

1.基本構造和原理

渦旋式壓縮機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°。渦旋式壓縮機的工作原理如圖2所示，其定渦盤是固定在機架上，而動渦盤由電機直接驅動。動渦盤是不能自轉的，只能圍繞定渦盤作很小回轉半徑的公轉運動。當驅動電機旋轉帶動動渦盤公轉時，制冷氣體通過濾芯吸入到定渦盤的外圍部分，隨著驅動軸的旋轉，動渦盤在定渦盤內按軌跡運轉，使動、定渦盤之間形成由外向內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排出。

在壓縮機整個工作過程過程中，所有工作腔均由外向內逐漸變小且處于不同的壓縮狀況，從而保證渦旋式壓縮機能連續不斷地吸氣、壓縮和排氣。雖然渦旋式壓縮機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9000～13000r/min的公轉，所以它的總排量足夠大，能滿足車輛空調制冷的需求，當然壓縮機的功耗也較大，可達4～7kW。

2.運行特點

渦旋壓式縮機的運行特點如下：①從圖2中可見，渦旋壓縮機不需要進氣閥，只有排氣閥，這樣可簡化壓縮機的結構，并且消除打開氣閥的壓力損失，可提高壓縮效率；②渦旋壓縮機的余隙容積接近零，所謂余隙容積是指經壓縮機壓縮后不能被完全排出的氣體，顯然余隙容積大則壓縮機的工作效率低。渦旋壓縮機被吸入的氣體幾乎可完全被排出，容積效率能達到98%，相比傳統的往復活塞式壓縮機，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渦旋壓縮機的工作過程較平穩，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，而且壓縮機在任何角度都有三個腔同時在工作，吸氣、壓縮、排氣同時進行。而活塞式壓縮機吸氣行程和排氣行程功耗少，壓縮行程功耗卻較大，造成運轉不平穩，且活塞作往復運動時有閥片敲擊現象，這使得振動和噪聲均達到一定的幅值；④渦旋壓縮機的排氣閥處于壓縮機的中部，采取扁平閥的結構，排氣管接口和進氣管接口裝在一體化壓縮機殼體的兩端，只需通過管道就可與外部裝接；⑤這種壓縮機和控制單元，可利用制冷循環低壓氣流中的殘余冷氣進行冷卻，根據溫度和壓力條件，使之得以有效降溫，保證了壓縮機的正常運轉，溫度不致過高。

3.顯著優點

渦旋式壓縮機的顯著優點如下：①可方便以變排量方式運行，由于采取三相永磁電機直接驅動壓縮機的方式，只需改變輸入驅動電機的電源頻率，就可改變電機的轉速，使壓縮機的排氣量改變，而且渦旋式壓縮機比較節能，單位制冷量可減少10%～13%的功率消耗；②排氣連續、工作十分平穩、扭矩變動小、運轉時振動小、噪聲低；③結構簡單、零件數少、體積小、質量輕、能高速旋轉、運轉壽命長，它使用的主要零部件僅為往復活塞式壓縮機的1/10。

此外，有的混合電動汽車為保證空調的可靠運行，同時也為節省驅動電力，會采用“雙空調壓縮機”的結構形式，包括電機驅動的空調壓縮機和汽油機驅動的壓縮機(圖3)。當內燃機運轉時由發動機帶動傳統機械壓縮機工作，而在汽車純電行駛模式下則用電機驅動壓縮機，以保證空調在兩種行駛模式下均可正常使用。為隔離兩個壓縮機的工作，兩者均裝有制冷劑的單向閥。

二、以三相永磁同步電機作為驅動

從上所述可知，驅動電動汽車空調壓縮機運轉的是三相永磁同步電機，而向空調三相電機供電的則應是三相高壓交流電。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換為交流電，這個任務就由變頻器承擔，由它產生向空調壓縮機和三相永磁同步電機的交流電源。

1.三相永磁同步電機的特點

三相永磁同步電機在電動汽車上使用較多，特別是驅動汽車行駛的動力就是由三相永磁同步電機提供的，維修人員了解這種電機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，最早采用成本較低的直流電機，但它存在換向火花、高負載下轉速受限制、體積大、經常需要維修等缺點，不能用于封閉式空調壓縮機的驅動電機。而三相永磁同步電機具有體積小、質量輕、運轉效率高、節省電能、可采用變頻調速、運轉極可靠且遠高于直流電機的6倍，維護保養費用低等特點，所以現代封閉式空調壓縮機首選三相永磁同步電機。

2.三相永磁同步電機的工作原理

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

三相永磁同步電機的原理示意圖，如圖4所示，中部圓圈表示永磁轉子，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，產生的旋轉磁場與永磁轉子相互作用拖動轉子同步旋轉，并力圖使定子與轉子的軸線對齊。圖4中n0為電機的同步轉速、T為轉矩、θ為功率角。空調三相永磁同步電機轉子的轉速雖與定子的旋轉磁場能同步運行，但當轉子有負荷阻力時，會使電機轉子與定子的磁場軸線間形成角差。功率角θ表示轉子與定子的磁場軸線間的夾角，負荷越大，功率角θ也越大，它雖不影響轉子的同步運轉，但當負荷阻力超大時功率角θ將造成轉子失速停轉。由于汽車空調的中小負荷起動與運行特性，不易使電機轉子停轉，故這種永磁同步電機適合空調作驅動使用，可靠地運用在一體化的空調壓縮機中，使用壽命較長。

3.變頻器的作用

電動汽車空調的三相永磁同步電機，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化為交流電。電動空調的變頻器使用了6個IGBT場效應管，它是絕緣柵雙極型晶體管，屬于電壓控制類器件，其特點是柵極的驅動功率小而飽和壓降低，在電力系統和變流技術上廣泛使用。IGBT管的導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6個IGBT的柵極按一定規律輪流加上占空比脈沖調制控制電壓時，就會讓電池的直流高壓電流經過變頻器，在輸出端形成三相正弦交流電流，利于三相永磁同步電機平穩運轉，產生的轉矩以驅動空調壓縮機。圖5中與IGBT管并聯的二極管是電機三相繞組的續流二極管，起保護IGBT管的作用。

4.調節制冷劑的排量

通過控制永磁同步電機定子各相繞組的通電頻率及電流大小，可高精度調節電機轉子的轉速與轉矩，并能直接控制壓縮機的轉速，達到調節制冷劑的排量，以適合汽車運行對空調系統的不同工況要求。圖6反映了輸入電機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，這會使得驅動電機的轉速上升，電壓的幅值大則會使電機的驅動轉矩更強。而圖6的下圖則反之，電機的轉速與輸出轉矩均較低。(未完待續)