新能源汽車與燃油汽車空調壓縮機結構分析

黃志添

（佛山市鴻運交通技工學校，廣東 佛山528000）

隨著環境問題和能源問題日益突出，各國人們開始把目光從傳統的燃油汽車轉向新能源汽車，中國作為能源消費大國，發展新能源汽車產業是低碳經濟時代必然的選擇。壓縮機是汽車空調制冷系統的心臟，其作用是壓縮制冷劑，向制冷系統輸出源源不斷的動力。新能源汽車空調系統與傳統燃油汽車空調系統由于動力源不同，導致壓縮機技術、機構組成和控制系統有所區別。本文介紹新能源汽車空調與傳統燃油汽車的結構區別，與讀者一起探索汽車空調壓縮機的組成及工作原理。

1 汽車空調系統的工作原理

新能源汽車和傳統燃油汽車的空調系統工作原理相同。利用制冷制（雪種）的物理變化，通過壓縮、放熱、節流、吸熱4個環節不斷循環，從而達到降低車廂溫度的目的，如圖1所示。

1）壓縮過程：通過空調壓縮機將制冷劑壓縮成高溫高壓的氣體。

2）放熱過程：高溫高壓的氣體通過冷凝器時，熱量通過冷凝器上的鋁管和鋁片釋放到大氣中，為了更好地散熱，都會在冷凝器后面增加散熱風扇，提高散熱效率，經過散熱后，高溫高壓的氣體會變為低溫高壓的液體。

3）節流過程：液體通過儲液干燥罐進行過濾，將制冷劑中的水分和金屬粉末吸附下來，流出純凈的液體制冷劑；高壓液體制冷劑進入膨脹閥，管路變大，壓力減少，溫度降低，制冷劑以霧狀進入蒸發器。

圖1 制冷系統工作原理

4）吸熱過程：在蒸發器中的制冷劑繼續由液體轉化為氣體，在轉化的過程中，需要吸收大量的熱，從而將蒸發器周圍的空氣降溫，變成冷空氣，鼓風機將冷空氣吹進駕駛室。

空調系統4個環節周而復始地進行，從而達到降低車廂內溫度，讓車內的人員在大熱天也能感受到清涼的快樂。

2 汽車空調系統的基本組成

汽車空調系統由壓縮機、冷凝器、儲液干燥罐、壓力開關、膨脹閥、蒸發器、系統維修接口等組成，如圖2所示。各部件的作用如下。

1）壓縮機：將低溫低壓的制冷劑氣體壓縮成高溫高壓的氣體。

圖2 汽車空調系統

2）冷凝器：將高溫高壓的制冷劑氣體散熱后變成高壓液態的制冷劑。

3）儲液干燥罐：過濾水分和雜質。

4）壓力開關：當系統壓力正常時，壓力開關導通，壓縮機正常工作；系統壓力導常時，斷開壓縮機電路，保護壓縮機。

5）膨脹閥：節流、降壓、自動調節流量。高壓液體制冷劑經節流變為氣液混合體流進蒸發器。

6）蒸發器：熱交換器，膨脹閥噴出的霧狀制冷劑在蒸發器內蒸發，吸收蒸發器空氣中的熱量，使蒸發器周圍的空氣降溫，達到制冷的目的。

7）檢修接口：用于連接壓力表，方便對系統進行加壓、抽真空、加制冷劑等操作。高壓接口安裝在高壓管上，多為細管，連接著壓縮機、冷凝器和儲液干燥罐。低壓接口安裝在低壓管上，多為粗管，連接著蒸發器和壓縮機。

新能源汽車與純燃油汽車最大的區別在于采用不同驅動類型的壓縮機，新能源汽車采用電動壓縮機，而純燃油汽車則采用發動機帶動的機械式壓縮機，其它部件區別不大。

3 新能源汽車壓縮機組成

新能源汽車空調系統主要采用電力驅動，為了提高性能，將電動機、變頻器與壓縮機組裝成一體，形成全封閉結構。

圖3 比亞迪電動壓縮機（工作電壓653V）

1）新能源汽車電動壓縮機如圖3所示。由渦旋式壓縮機、三相永磁同步電機、高壓電源線、變頻器、通信接口、制冷劑輸出口、制冷劑輸入口、殼體等部件組成。不同車型，壓縮機的工作電壓不同，在直流電壓200～700V之間，一般在壓縮機的銘牌上有標示工作電壓、使用制冷劑的型號等重要信息。

新能源汽車電動壓縮機工作原理：動力電池向壓縮機變頻器供電，變頻器將直流電轉化為交流電，向三相永磁同步電機輸出交流電，三相永磁同步電機帶動渦旋式壓縮機運轉，將低壓氣體制冷劑壓縮成高壓氣體。

2）渦旋式壓縮機結構如圖4所示。由一個靜渦盤和一個動渦盤組成，兩個函數方程型線的動、靜渦盤相互咬合而成相互嚙合，相互錯開180°安裝。

圖4 渦旋式壓縮機

渦旋式壓縮機工作原理如圖5所示。靜渦盤固定在外殼不動，電機偏心軸驅動動渦盤。動渦盤不作旋轉，而是作小范圍形位移，靜渦盤與動渦盤之間的相對位置不斷變化，壓縮制冷劑，形成高壓，從壓縮機輸出口排出。

圖5 渦旋式壓縮機工作原理

3）三相永磁同步電機如圖6所示。由定子、轉子和端蓋等部件組成。定子由硅鋼片和漆包銅線組成，采用三相繞組結構，與普通感應電機基本相同；轉子由硅鋼片和絕緣擋板疊片壓制而成，并在轉子安裝永磁鐵，整個轉子帶有強磁特性。

三相永磁同步電機工作原理如圖7所示：三相交流高壓電輸入電機定子，定子產生旋轉磁場，轉子中的永久磁鐵受到旋轉磁場的吸引產生轉矩，從而拖動永磁轉子旋轉。通過改變交流電流的頻率，可以改變電機的轉速，同步電機轉速公式：

式中：n——電機轉速；fs——供電頻率；pn——轉子磁極對數。通過改變三相交流其中二相輸入順序，可以改變電機的轉動方向。

圖6 三相永磁同步電機

圖7 三相永磁同步電機工作原理

三相永磁同步電機特點：利用磁場產生動力，沒有電刷，沒有換向火花，減少了機械運動帶來的磨損，因而相對于直流電機壓縮機和機械壓縮機更耐用。相對于傳統壓縮機，具有尺寸小、質量輕、轉矩大、無電刷、高速性能好、結構牢固等優點。

圖8 變頻器

4）變頻器如圖8所示。新能源汽車的動力電池提供高壓直流電，而三相永磁同步電機為交流電機，要將直流電DC轉變為交流電AC，這個工作需要變頻器完成。電動空調變頻器承受高電壓、大電流、高頻變化，起重要作用的電子元件名叫絕緣柵雙極型晶體管（IGBT場效應管）。電動空調變頻器需要使用6個IGBT場效應管。IGBT場效應管是由BJT（雙極型三極管）和MOS（絕緣柵型場效應管）組成的復合全控型電壓驅動式功率半導體器件，IGBT場效應管具有驅動電流較大和低導通壓降兩方面的優點，驅動功率小而飽和壓降低。非常適合應用于直流電壓為600V及以上的變流系統如交流電機。

變頻器工作原理如圖9所示。變頻器通信接口連接著空調控制單元，變頻器根據空調控制單元的控制信號，高頻控制IGBT管導通或截止，不斷改變電路，將直流電改變為交流電，輸入三相繞組電子，產生變化的磁場，拖動永磁轉子旋轉。通過改變輸出電流的頻率和大小，從而改變電機的轉速和轉矩（圖10），從而實現變頻控制。

圖9 變頻器工作原理圖

4 傳統燃油汽車壓縮機組成

傳統燃油汽車一般使用機械式壓縮機，壓縮機由發動機提供動力。壓縮機與發動機用皮帶相連，發動機帶動壓縮機運轉，如圖11所示。此類壓縮機具有結構簡單、生產和維修成本低、制冷量大等優點，缺點是需要發動機提供動力，降低了發動機的功率。

1）傳統燃油汽車擺盤式壓縮機的組成如圖12所示：由吸盤、皮帶輪、電磁離合器、前端蓋、驅動軸、軸承、擺盤、楔形傳動板、活塞、缸體、閥體、閥片、調節閥、后端蓋、固定螺栓等部件組成。

2）動力傳動：壓縮機皮帶輪通過皮帶與發動機相連。發動機轉動，帶動壓縮機皮帶輪旋轉。①當空調系統不工作時，電磁離合器不通電，吸盤與皮帶輪分開，此時壓縮機的皮帶輪空轉，不消耗發動機動力。②當空調系統工作時，電磁離合器通電產生強磁場，吸盤在磁場力的吸引下，緊緊地壓著皮帶輪，皮帶輪帶動吸盤旋轉，吸盤與壓縮機的驅動軸花鍵連接，從而帶動驅動軸旋轉，空調制冷系統工作。

電磁離合器如圖13所示。由硅鋼片和漆包銅線繞制而成，通電時產生強磁場。電磁離合器的正極連著壓縮機繼電器，壓縮機繼電器受空調系統控制單元控制；壓縮機負極通過殼體搭鐵。

3）壓縮制冷制過程：吸盤帶動驅動軸轉運，通過傳動機構，將旋轉運動轉化為活塞往復運動。現代轎車主要使用軸向活塞壓縮機，有擺盤式和斜盤式兩種壓縮機。①擺盤式壓縮機如圖14所示。驅動軸帶動楔形傳動板旋轉，楔形傳動板擠壓搖板，搖板不作旋轉運動，而是作“翹翹板”式的來回搖動。搖板通過萬向節和連桿帶動活塞作往復運動。②斜盤式壓縮機如圖15所示。驅動軸帶動斜盤旋轉，斜盤推動活

圖10 變頻器輸出的頻率決定電機的轉速

圖11 傳統燃油汽車壓縮機塞作往復運動。

圖12 擺盤式壓縮機部件

4）閥體如圖16所示。由閥門、閥片、限位板等部件組成，進氣閥只能進不能出，排氣閥只能出不能進。5小結1）動力的區別：新能源汽車壓縮機采用電力驅動的電動壓縮機，傳統燃油汽車壓縮機采用由發動機驅動的機械壓縮機。

圖13 壓縮機電磁離合器

圖14 擺盤式壓縮機

圖15 斜盤式壓縮機

圖16 閥體

2）外觀的區別：新能源汽車壓縮機沒有皮帶輪，有兩根橙色的電源線，有一束線束連著空調控制單元；傳統燃油汽車壓縮機帶著皮帶輪，在皮帶輪后側有一根電源線接到壓縮機繼電器，繼電器受空調控制單元控制。

3）性能的區別：新能源汽車壓縮機電力驅動，由空調變頻器控制輸出功率，更容易實現變頻控制，性能穩定，生產和維修成本高；傳統燃油汽車壓縮機為機械式壓縮機，結構簡易，生產和維修成本低，制冷量不容易控制。

隨著汽車技術不斷發展，需要我們不斷學習、不斷總結、不斷思考，才能更好地掌握新技術，指導生產工作。