基于MAHAFPS2700平臺的改裝汽車電動空調壓縮機可行性研究

王立功

摘要：針對傳統的內燃機輕型汽車在開啟空調制冷系統時車輛動力性能迅速降低、耗油量大幅度升高的問題，結合傳統汽車空調制冷系統及電源系統的特點，提出使用電動空調壓縮機代替皮帶驅動空調壓縮機的方案。并基于MAHA FPS2700平臺，試驗測試了發電機負載增加后對發動機輸出功率和油耗的變化情況，結果表明改裝電動壓縮機提高了整車動力性能、降低了油耗。

關鍵詞：電動空調壓縮機;MAHA FPS2700平臺;發動機輸出功率;油耗

0 ?引言

近年來，全球的能源結構逐漸由傳統化學能源向新能源傾斜，特別是純電力驅動快速發展，各國力圖在新一輪能源戰中搶占制高點。不過需要注意的是，盡管有些國家在政府文件中提及了燃油車禁售問題，實際上所謂“禁售燃油車”大多是環保部門或某一黨派的提議、提案，基本都停留在規劃和愿景層面，并沒有落到實處[1]。

由此看來燃油車將會在很長時間內存在，即使到了全面禁售燃油車的時間點，已經售出的大量的在用車輛會在十幾年甚至更長的時間內持續運行。

因此，針對燃油車輛的節能、降耗、減排再研究仍然很有必要。

1 ?研究背景

1.1 空調制冷系統介紹

傳統的汽車空調制冷系統是采用內燃機驅動的空調壓縮機推動制冷劑循環進行工作[2]，與其他的空調系統（如家用空調）相比，汽車空調制冷系統有以下特點：

①車輛的制冷系統基本是在自然環境的路面上移動中工作，流動的空氣、陽光的照射及發動機和路面熱輻射等原因造成汽車空調熱負荷較大，并且熱負荷變化幅度也大[3]。

②由于汽車空調的壓縮機均由發動機通過皮帶驅動，而發動機的轉速可從600～6500rpm變化，空調系統中制冷劑流量變化幅度大，這樣對系統的流量控制、系統的設計帶來困難。

③空調制冷系統運行時消耗發動機功率，影響發動機功率輸出，增加了燃油消耗。

④空調壓縮機安裝于震動較大并且在一定范圍內翻轉的發動機上，因此對壓縮機的強度、抗震性能及系統管路的撓度要求較高，并且制冷劑容易泄漏，影響整個系統的可靠性。

⑤要想開啟空調制冷系統必須啟動發動機。空調系統僅能在發動機工作的前提下才能運行，發動機處于停止的狀態，空調系統將無法工作[4]。

1.2 電源（發電機）系統現狀

傳統燃油汽車的發電機和空調壓縮機是由發動機通過皮帶驅動工作的，即發電機的轉速與發動機轉速是成正比的。因為車輛在運行的過程中發動機轉速變化幅度較大，發電機的發電量又必須保證發動機在怠速運轉時能滿足車輛最大用電量的需求，因此傳統燃油汽車發電機的（設計）功率儲備都較大。

但是車輛大部分時間是在以經濟轉速運行。所以車輛在發動機中、高速運行時，可能因為沒有大量電能消耗的需求而造成發電機的發電量較低，即發電機在車輛運行過程中的利用率不高。

2 ?擬采取的改進措施及可能帶來的問題

2.1 空調系統節能改進策略

基于傳統空調壓縮機的不足，本文將原車由發動機皮帶驅動的壓縮機改為電機驅動空調壓縮機——電動空調壓縮機。改進后的優勢：

①電動空調壓縮機不再安裝于發動機之上，對壓縮機的強度、抗震性能及整套系統管路的撓度要求降低，可降低系統造價、減少系統故障率[5]。

②電動空調壓縮機轉速控制非常方便，壓縮機轉速不再受發動機轉速制約。可以通過提高壓縮機轉速方法讓小排量的壓縮機滿足空調系統短時間內對制冷量的要求。減小了壓縮機排量，降低系統造價。

③電動空調壓縮機擺脫了對發動機的依賴，在一定時間段內可以實現開啟空調制冷系統而不用啟動發動機。

④電動空調壓縮機與發動機的沒有機械連接，可以緩解車輛開空調制冷時發動機動力不足的問題。

2.2 電源系統改進策略

針對傳統燃油汽車發電機利用率不高的問題，將原車額定電壓為12V的發電機改為功率相同的額定電壓48V發電機，并安裝一塊48V的適當容量的電池。通過提高發電機的利用率以滿足電動空調壓縮機用電需求。發電機連接電動空調壓縮機和48V電池，以維持電動空調壓縮機工作并給48V電池充電。DC/DC模塊把48V轉化為12V給原車12V電池充電并為其他低壓用電器提供電源。

另一方面電動空調壓縮機的使用也可能會帶來一系列問題。制冷系統改為電動空調壓縮機后在開啟空調制冷系統時勢必要增加發電機負載。本文主要針對以下兩點進行實驗驗證。

①發電機負荷的增加是否比原車設計開空調制冷消耗更大的發動機功率。

②發電機負載的增加是否比原車設計開空調制冷帶來更大的耗油量。

2.3 電動空調壓縮機電動機功率的確定

本研究以某一量產的純電動轎車為例，通過測試電動空調壓縮機的電流參數獲得功率。

測試前，將車輛放置于能夠自動調整溫度并能模擬陽光照射的環境（烤漆房）。將環境溫度設定為45℃，并且模擬陽光照射整個車身。啟動車輛，打開所有的車門及后備箱，待環境溫度穩定4小時后進行測試。

測試時，關閉所有車輛門窗及后備箱，空調設置為外循環、溫度24℃，從開啟空調壓縮機的瞬間開始計時，并每間隔1分鐘測量壓縮機電流，直到環境溫度到達設定溫度。此時車輛制冷系統的制冷量與車輛的熱負荷保持動態平衡，電動空調壓縮機電流趨于穩定。

P=UI（1）

式中：P為壓縮機功率;U為壓縮機電源電壓，320V;I為壓縮機電流。

壓縮機電源電壓為恒定值320V，電流隨時間而變化，通過式（1）可計算壓縮機消耗的功率，結果如表1所示。

數據表明：電動空調壓縮機在很長時間內的功率消耗在400W左右，僅僅是在電動空調壓縮機開啟的很短時間內功率接近800W。因為有蓄電池的存在，蓄電池可以在開啟電動空調壓縮機的初期與發電機一起給電動空調壓縮機供電或者單獨給壓縮機供電。又考慮到整車低壓12V電源是48V電源經過DC-DC獲得的，在DC-DC轉變的過程中會產生能量消耗。

基于以上兩種原因，開啟電動空調壓縮機后發電機的負載增加量不會大于800W。我們按照發電機負載增加800W進行發電機負載增大時對車輛的功率和油耗影響進行測試和數據評價是可行的。

3 ?測試平臺及工況簡介

3.1 測試平臺簡介

FPS2700是德國馬哈（MAHA）公司制造的適用于軸重2700kg及以下的兩輪驅動（前輪驅動或者后輪驅動）輕型車輛檢測用底盤測功機，可以對發動機功率、牽引功率、底盤輸出功率等進行測試;可以在恒速、恒轉速、恒牽引力等模式下進行加載模擬;連續及離散功率測試;真實路況（風阻、滾動阻力、坡度等）模擬;與馬哈公司的尾氣及油耗設備配合可檢測尾氣及車輛油耗。本文中的發動機功率測試和各種不同工況的油耗測試均是在本設備上完成的。

3.2 測試工況IM240簡介

I/M（inspection and maintenance）制度是檢測在用輕型車排放控制系統工作是否正常的一整套程序。本試驗采用了I/M240工況進行油耗測試。I/M240測試工況是采用美國聯邦新車型式認定用測試規程FTP曲線0-333秒的兩個峰，經修改為240秒，因為I/M240工況下的測試結果與FTP結果有很好的相關性，所以本工況被大量使用。

4 ?測試方案設計

4.1 車輛選擇

測試車輛選擇運行年限、運行公里數不同的汽油發動機車輛，因為全球發動機逐步小型化，所以選擇車輛的發動機排量在1.4～2.0L。

4.2 功率測試

在MAHA FPS2700平臺上測試車輛分別在同一個溫度、濕度環境下檢測，每臺車輛在關閉空調、開啟空調和關閉空調同時將發電機負載增加電動空調壓縮機的最大功率，前者數據分別與后兩者數據之差即為傳統空調壓縮機和電動空調壓縮機所消耗的功率。

4.3 油耗測試

在MAHA FPS2700平臺上測試車輛分別在同一個溫度、濕度環境下檢測每臺車輛在關閉空調、開啟空調和關閉空調同時將發電機負載增加電動空調壓縮機的最大功率時的I/M240工況下的耗油量。后兩者數據分別與前者數據之差即為傳統空調壓縮機和電動空調壓縮機工作時所帶來的油耗增加數據。

4.4 測試及數據評價

MAHA FPS2700實驗室內設置自動溫控加熱裝置和新鮮空氣加熱注入裝置，以滿足開啟空調制冷系統所需要的溫度條件和發動機運行所需要的新鮮空氣。

每臺車輛可靠固定在MAHA FPS2700測功機上，并且在測功機上模擬每一臺車輛的道路負載系數，確保準確測量車輛在不同工況下的燃油消耗數量和發動機在不同狀態下發出的最大功率。然后連接油耗儀、OBD II數據線、潤滑油溫度傳感器、進氣溫度傳感器等附件;檢測、維修每臺車輛空調制冷系統，保證每臺車輛的空調制冷系統能工作正常;蓄電池兩端連接有開關控制的額定電壓12V、額定功率800W的純電阻性負載，用來模擬車輛加裝電動空調壓縮機時的電能消耗。文中僅提供起亞獅跑2.0的相關測試數據和曲線，測試結果如下：

①傳統空調壓縮機和發電機功率增加800W兩種情況下對車輛功率影響測試及結果。

在環境溫度40℃情況下分別測量空調開啟和空調關閉發電機負載增加800W三種狀態下車輛發動機的最大功率，獲得每臺車輛空調壓縮機消耗的功率、發電機負載增加800W消耗的功率。

圖中藍色曲線為輪邊功率，綠色為損耗功率，紫色為油耗率，紅色為修正后功率，橙色為發動機扭矩。圖1可知，空調開啟時功率損耗明顯加劇修正后功率為93.9kW;圖2，當空調關閉發電機負載增加800W時的修正后功率99.3kW，消耗的功率明顯小于傳統空調壓縮機功率。

計算每臺車輛空調壓縮機消耗的功率、發電機負載增加800W消耗的功率兩個功率占不開空調時發動機功率的百分數，如表2所示。

②傳統空調壓縮機和發電機負載增加800W兩種情況下對車輛油耗影響測試及結果。

在環境溫度40℃情況下分別測量空調開啟和空調關閉發電機負載增加800W三種狀態下每一臺車輛在I/M240工況下的燃油消耗數據。

紅色曲線為發動機總耗油量，橙色為瞬時百公里耗油量，綠色曲線為發動機轉速，藍色曲線為車輛速度。（圖3、圖4）

獲得每臺車輛開啟空調制冷系統和發電機負載增加800W所帶來的燃料消耗增加值，計算燃料消耗增加值占不開空調時車輛燃料消耗量的百分數，結果如表3所示。

③數據評價。

功率影響：車輛在運行過程中開啟空調制冷系統時傳統空調壓縮機所消耗的功率占車輛不開空調時發動機功率的7.16%，發電機功率增加800W所消耗的功率僅僅占車輛關閉空調時發動機功率的3.6%;加裝電動空調壓縮機后，車輛打開空調制冷系統時車輛的功率會比使用傳統空調壓縮機增加3.56%，即車輛開啟空調時動力下降得到了緩解。

油耗影響：空調制冷系統關閉與開啟空調制冷系統時相比，傳統空調壓縮機使車輛油耗增加30%，而發電機功率增加800W時車輛油耗僅僅增加12.6%。加裝電動空調壓縮機后車輛開空調制冷系統時車輛的燃料消耗會比使用傳統壓縮機要節省17.4%燃料。

因為車輛在運行過程中整車電壓接近14V，所以測試時實際發電機上增加的負載要大于900W，即實際加裝電動空調壓縮機后所消耗的功率不足3.6%，而燃料消耗增加不到12.6%，遠低于傳統空調消耗。

5 ?結論

本文分析了燃油汽車皮帶驅動壓縮機的空調制冷系統和電源系統的現狀及存在的問題，提出了用電動空調壓縮機代替皮帶驅動空調壓縮機的方案，借助FPS2700平臺設計了改進后對車輛功率和IM240工況油耗影響的相關測試試驗，測試結果表明開啟車輛空調制冷系統時采用電動空調壓縮機比采用皮帶驅動壓縮機車輛的動力增加3.56%，燃油消耗節省17.4%，改裝方案實際可行。

參考文獻：

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