淺析新能源客車電動(dòng)空調(diào)選型設(shè)計(jì)對(duì)整車主要性能的影響

王曦

上海萬象汽車制造有限公司 上海 201611

前言

目前市場(chǎng)當(dāng)中所能夠提供給新能源客車生產(chǎn)的空調(diào)系統(tǒng)，從屬于一般的汽車零部件行業(yè)，在市場(chǎng)發(fā)展當(dāng)中，空調(diào)生產(chǎn)廠商為了能夠進(jìn)一步擴(kuò)大市場(chǎng)影響力，主要采用“標(biāo)準(zhǔn)模式”以及“終端模式”兩種模式實(shí)現(xiàn)空調(diào)的供給，因此在客車生產(chǎn)和空調(diào)選型當(dāng)中，客車的生產(chǎn)單位需要深刻分析空調(diào)生產(chǎn)廠商的空調(diào)類型，結(jié)合生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)和生產(chǎn)需求進(jìn)行全面鑒別。

1 國內(nèi)新能源客車生產(chǎn)的電動(dòng)空調(diào)選型

1.1 國內(nèi)新能源空調(diào)的市場(chǎng)環(huán)境

在我國，新能源客車的研發(fā)主要以能源創(chuàng)新為基本原則，客車從形態(tài)擴(kuò)大和技術(shù)創(chuàng)新兩個(gè)方面，實(shí)現(xiàn)技術(shù)突破。國內(nèi)市場(chǎng)環(huán)境當(dāng)中，客車生產(chǎn)環(huán)節(jié)對(duì)于先進(jìn)的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行借鑒和吸收，并逐漸形成了能夠應(yīng)用于公共領(lǐng)域的全新新能源客車基本形態(tài)。目前我國應(yīng)用在城市公交、高檔觀光旅游的新能源客車普遍裝設(shè)有空調(diào)系統(tǒng)，這類空調(diào)系統(tǒng)除了能夠滿足客車的行駛需求之外，同時(shí)還能夠大幅度控制客車運(yùn)行過程中的能源消耗，實(shí)現(xiàn)環(huán)境保護(hù)。與此同時(shí)，由于客車需求，長度在8米及以下的客車生產(chǎn)將逐漸被市場(chǎng)所淘汰，大部分客車開始邁入到10-11米車長生產(chǎn)序列之中。不過由于技術(shù)因素和市場(chǎng)因素影響，雖然裝配有空調(diào)系統(tǒng)的客車可以實(shí)現(xiàn)節(jié)能效果，但是其所采用的空調(diào)設(shè)計(jì)裝配方式仍然是傳統(tǒng)的非獨(dú)立頂置策略。因此在市場(chǎng)當(dāng)中，新能源客車的電動(dòng)空調(diào)設(shè)備的選擇，主要以這一類型的空調(diào)為主。

1.2 國內(nèi)市場(chǎng)可選新能源空調(diào)設(shè)備

在目前國內(nèi)的汽車零部件生產(chǎn)供應(yīng)環(huán)境當(dāng)中，新能源客車在市場(chǎng)當(dāng)中主要可以引進(jìn)并完成裝配生產(chǎn)的空調(diào)設(shè)備主要集中在國外品牌代理、外商獨(dú)資以及國內(nèi)制造商的三個(gè)方面。其中國外品牌代理主要為一些國內(nèi)小公司，其主營業(yè)務(wù)為對(duì)外貿(mào)易。這種公司缺乏技術(shù)優(yōu)勢(shì)，主營產(chǎn)品價(jià)格偏高，缺少售后。因此在近幾年逐漸被市場(chǎng)淘汰；外商獨(dú)資品牌為國外高技術(shù)水平的空調(diào)品牌，其中美國大冷王、日本富士、韓國萬都等，都是在國內(nèi)擁有技術(shù)優(yōu)勢(shì)和市場(chǎng)影響力的品牌。不過由于其成本較高，產(chǎn)品定位集中在高檔生產(chǎn)，因此國內(nèi)客車當(dāng)中，僅有部分高檔旅游客車生產(chǎn)采用這類品牌空調(diào)裝置；國內(nèi)制造商所生產(chǎn)的空調(diào)裝置為新能源客車生產(chǎn)主要選購的空調(diào)品牌，相比于外商獨(dú)資品牌，國產(chǎn)品牌更具價(jià)格優(yōu)勢(shì)，其中預(yù)斯、科林、松芝等，在國內(nèi)市場(chǎng)份額較高[1]。不過在空調(diào)生產(chǎn)技術(shù)方面，與國外廠商仍然存在差距，因此其節(jié)能效果相對(duì)較弱。

2 新能源客車的電動(dòng)空調(diào)設(shè)計(jì)

為了能夠?qū)照{(diào)選型裝置在實(shí)際的客車生產(chǎn)設(shè)計(jì)當(dāng)中的影響進(jìn)行分析，本文將市場(chǎng)當(dāng)中某國產(chǎn)品牌的空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行了與公共客車生產(chǎn)相互結(jié)合的設(shè)計(jì)工作，通過對(duì)其制冷和制熱情況的觀察，了解其可能產(chǎn)生的對(duì)于整車性能的影響。

2.1 新能源客車電動(dòng)空調(diào)的設(shè)置方式選擇

隨著發(fā)展，客車的底部空間被逐漸縮小，因此原有的客車空調(diào)分體式系統(tǒng)不再適用于客車生產(chǎn)。在客車設(shè)計(jì)當(dāng)中，轉(zhuǎn)而采用頂置方式，進(jìn)行非獨(dú)立的空調(diào)裝設(shè)。這種裝設(shè)方式也成為目前客車設(shè)計(jì)當(dāng)中的主流。在頂置空調(diào)當(dāng)中，空調(diào)主機(jī)內(nèi)部的冷凝器、蒸發(fā)器以及壓縮機(jī)分別位于前、后和中間位置，并借助電控裝置進(jìn)行控制，空調(diào)則在控制當(dāng)中借助交流風(fēng)機(jī)完成作業(yè)。在新能源客車應(yīng)用中，這種頂置模式十分普遍，且具有一定的節(jié)能價(jià)值[2]。

本文在進(jìn)行空調(diào)選型設(shè)計(jì)時(shí)，選用了國內(nèi)具有市場(chǎng)影響力的一線品牌設(shè)備，設(shè)備本身所擁有的變頻能力可以利用渦旋壓縮技術(shù)，改變?cè)械捻斨醚b設(shè)模式，從而將空調(diào)機(jī)組安裝進(jìn)客車的中腔部分，空調(diào)內(nèi)部則借助直流變頻的方式，完成驅(qū)動(dòng)，在提高了節(jié)能水平的同時(shí)，還大幅度優(yōu)化了系統(tǒng)能效。

這種裝設(shè)方式主要仰賴于某品牌的空調(diào)設(shè)備技術(shù)優(yōu)勢(shì)，在該空調(diào)設(shè)備內(nèi)部，擁有驅(qū)動(dòng)控制一體裝置VFD-BH以及空調(diào)專用變頻器VFD-BA。其中VFD-BH依托環(huán)保理念，進(jìn)行了PLC程序容量的擴(kuò)容，改變了原有的空調(diào)工藝邏輯，同時(shí)借助PLC程序完成了EMC濾波器的設(shè)置，端口十分豐富，提高了控制水平[3]。專用一體機(jī)裝置可以借助直流電壓完成對(duì)于電子膨脹閥裝置的控制，以此來帶動(dòng)系統(tǒng)風(fēng)機(jī)，提高客車空調(diào)使用效率。而BFD-BA變頻器裝置則借助內(nèi)建PLC的策略，實(shí)現(xiàn)了小型化的網(wǎng)絡(luò)共享。變頻器能夠根據(jù)客車行駛的客觀環(huán)境，通過阻燃材料，控制空調(diào)進(jìn)風(fēng)量，實(shí)現(xiàn)對(duì)于客車的整體保護(hù)。

2.2 新能源客車的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)空調(diào)裝置的主要控制策略為一般的開關(guān)控制，客車在運(yùn)行過程中，可以由司機(jī)對(duì)客車駕駛艙內(nèi)部的中控單位按鈕進(jìn)行選擇，通過調(diào)整開關(guān)的方式，進(jìn)行空調(diào)裝置的啟停處理。隨著變頻空調(diào)裝置的應(yīng)用，傳統(tǒng)的開關(guān)控制方式已經(jīng)無法從根本上滿足客車空調(diào)裝置的需求，單純地依靠開關(guān)裝置來進(jìn)行空調(diào)啟停，既不符合變頻控制策略，同時(shí)又不滿足客車新能源狀態(tài)下的能源調(diào)整和節(jié)能減排要求。因此筆者在進(jìn)行新能源客車電動(dòng)空調(diào)設(shè)計(jì)時(shí)，結(jié)合了原有變頻PID設(shè)計(jì)方式，進(jìn)行了控制策略的改良。

PID控制策略主要應(yīng)對(duì)變頻裝置的控制需求，控制中心借助誤差比例分析，實(shí)現(xiàn)微分線性組合，從而將輸出量調(diào)整至預(yù)設(shè)數(shù)值，實(shí)現(xiàn)對(duì)于變頻裝置波動(dòng)問題的有效抑制。在整個(gè)控制過程中，變頻裝置需要借助P、I、D三組參數(shù)的設(shè)定來進(jìn)行控制變量的輸出，不過由于客車所采用的空調(diào)系統(tǒng)本身結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，引起其內(nèi)部非線性狀態(tài)難以借助精準(zhǔn)的PID完成參數(shù)設(shè)置，因此在相關(guān)技術(shù)研發(fā)當(dāng)中，開展了眾多的基于客車空調(diào)系統(tǒng)的控制策略研究。筆者主要結(jié)合工作經(jīng)驗(yàn)和相關(guān)研討經(jīng)驗(yàn)，提出了應(yīng)用于所選類型空調(diào)裝置的模糊PID控制理論，利用模糊PID控制方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)于空調(diào)系統(tǒng)的有效控制和處理，最大限度地發(fā)揮空調(diào)裝置的實(shí)際作用。

筆者所采用的模糊PID控制策略，主要結(jié)合空調(diào)裝置自身的壓縮機(jī)功率狀態(tài)來進(jìn)行模糊分析規(guī)則的編寫。模糊分析規(guī)則當(dāng)中需要對(duì)于客車行駛過程中的環(huán)境溫差以及溫差變化情況做出分辨和接析，并實(shí)現(xiàn)突破數(shù)學(xué)模型下的環(huán)境適應(yīng)性。與此同時(shí)，通過調(diào)整模糊控制參數(shù)的方式，使PID規(guī)則可以與客車空調(diào)的權(quán)重參數(shù)相互適應(yīng)，實(shí)現(xiàn)更為穩(wěn)定的參數(shù)控制能力。在具體的控制方法中，模糊規(guī)則下的PID調(diào)整根據(jù)環(huán)境變化規(guī)律和壓縮機(jī)模糊影響進(jìn)行分析，形成權(quán)重辨別，并引導(dǎo)壓縮機(jī)完成對(duì)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的變速要求，使其能夠在環(huán)境溫度調(diào)整當(dāng)中，保障空調(diào)環(huán)境溫度變化能力的同時(shí)，最大限度地降低能源消耗，達(dá)到節(jié)能減排的根本目標(biāo)。

3 新能源客車空調(diào)選型設(shè)計(jì)對(duì)于整車性能的影響分析

本文所選用的某型號(hào)變頻空調(diào)裝置通過裝配方式改良和模糊PID控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，在保障了節(jié)能水平的基礎(chǔ)上，達(dá)到了整車空調(diào)性能的提高目的。通過對(duì)制冷、制熱兩個(gè)方面的指標(biāo)總結(jié)，可以歸納出新能源客車空調(diào)選型設(shè)計(jì)的影響價(jià)值。

3.1 制冷能力分析

在完成了空調(diào)選型設(shè)計(jì)之后，筆者根據(jù)客車行駛狀態(tài)下的變室溫方式，進(jìn)行了變頻空調(diào)制冷效果的總結(jié)。結(jié)果顯示，變頻空調(diào)設(shè)備在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中，模擬真實(shí)狀態(tài)下夏季32攝氏度室外溫度時(shí)，壓縮機(jī)達(dá)到3300rpm，此時(shí)制冷效果最為優(yōu)異，車內(nèi)環(huán)境溫度可以控制在20攝氏度左右，為體感舒適的涼爽狀態(tài)。此時(shí)空調(diào)外風(fēng)機(jī)控制電壓為6V，電能消耗水平相較傳統(tǒng)客車空調(diào)系統(tǒng)為低，表明具有良好的節(jié)能效果。

3.2 制熱能力分析

筆者同樣利用變室溫的方式，開展了空調(diào)系統(tǒng)的制熱能力分析。在室外溫度模擬為-3攝氏度后，利用變頻空調(diào)控制將車內(nèi)溫度調(diào)整為體感舒適的20攝氏度，此時(shí)空調(diào)裝置的外風(fēng)機(jī)控制電壓僅為6.2V，節(jié)能效果明顯。當(dāng)進(jìn)行室外溫度提升改變時(shí)。空調(diào)壓縮機(jī)出風(fēng)口溫度出現(xiàn)上升，壓縮比下降，因此在本次變頻空調(diào)的設(shè)計(jì)當(dāng)中，變頻空調(diào)的性能優(yōu)勢(shì)主要集中體現(xiàn)在低溫環(huán)境制熱當(dāng)中。

結(jié)論：綜上所述。變頻空調(diào)裝置通過改良裝配技術(shù)和調(diào)整控制策略，可以提高其在新能源客車當(dāng)中的應(yīng)用實(shí)力，對(duì)于新能源客車的行駛來說，借助變頻控制策略實(shí)現(xiàn)對(duì)于環(huán)境溫度的調(diào)整，最終達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)下的車內(nèi)溫度控制，能夠進(jìn)一步降低空調(diào)能耗，發(fā)揮變頻空調(diào)的節(jié)能作用。

3.3 車體熱濕性能的改善

變頻空調(diào)在客車當(dāng)中的應(yīng)用能夠幫助改善客車車體內(nèi)部原有的熱濕環(huán)境，從而提高客車實(shí)際使用的性能。一般來說，客車內(nèi)部的熱濕性能主要包括客車所面對(duì)的太陽輻射、室內(nèi)外溫差、客車乘客的人體散熱、發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)備熱量等。傳統(tǒng)客車由于缺少變頻空調(diào)裝置，在實(shí)際行駛當(dāng)中這部分熱量會(huì)在封閉空間當(dāng)中積聚，造成濕熱水平上升，客車整體性能下降。而在本文所開展的客車電動(dòng)空調(diào)的選型設(shè)計(jì)，在客車室內(nèi)溫濕度控制方面，能夠取得較為優(yōu)異的效果，對(duì)于客車整體運(yùn)行性能來說，是一項(xiàng)巨大的提升措施。以夏季場(chǎng)景為例，溫濕度環(huán)境的形成主要來自于太陽輻射。太陽光直接照射導(dǎo)致車內(nèi)密封環(huán)境下的溫度快速升高，客車車體的隔熱壁無法滿足隔熱需求，導(dǎo)致照射熱以及對(duì)流換熱兩個(gè)部分的熱量全部集中到車體當(dāng)中。經(jīng)過測(cè)算，在不開啟空調(diào)的封閉運(yùn)行的客車內(nèi)部，室內(nèi)溫度可以達(dá)到35攝氏度甚至更高，且長時(shí)間運(yùn)行狀態(tài)下受到發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)熱和人群密集的影響，溫度攀升速度極快。一般車載空調(diào)對(duì)于空間內(nèi)部溫度環(huán)境的改善能力相對(duì)有限，同時(shí)車載空調(diào)的耗能水平較高，無法應(yīng)對(duì)太陽輻射狀態(tài)下的溫濕度變化情況進(jìn)行有效控制。而本文所進(jìn)行的車載變頻空調(diào)設(shè)計(jì)則借助溫度控制PID技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)于車內(nèi)溫濕度環(huán)境的有效遏制，并能夠根據(jù)環(huán)境溫度和太陽照射溫度變化規(guī)律做出快速調(diào)節(jié)，全面提高了車輛的整體性能。