方金湘

（湖南岳陽(yáng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系，湖南 岳陽(yáng) 414000）

全直流變頻電動(dòng)客車(chē)空調(diào)器的研制

方金湘

（湖南岳陽(yáng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系，湖南 岳陽(yáng) 414000）

本文針對(duì)電動(dòng)客車(chē)空調(diào)機(jī)能效比低、交流電機(jī)電磁噪音大的情況，提出直接采用客車(chē)上高壓直流電源的永磁直流高效電動(dòng)機(jī)(壓縮機(jī)、冷凝風(fēng)機(jī)、蒸發(fā)風(fēng)機(jī)）的方式，對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和產(chǎn)品加工工藝進(jìn)行了優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了電機(jī)的高效無(wú)級(jí)調(diào)速，從而達(dá)到節(jié)能、噪音低的目的，開(kāi)發(fā)出滿(mǎn)足客車(chē)要求的空調(diào)系統(tǒng)。

能效比；永磁直流高效電動(dòng)機(jī)；無(wú)級(jí)調(diào)速；高效節(jié)能；噪音

在日益注重環(huán)保的今天，電動(dòng)車(chē)因其在能源安全、環(huán)境保護(hù)及可持續(xù)發(fā)展等方面的優(yōu)勢(shì)，受到了全世界的廣泛關(guān)注。尤其是對(duì)新一代的純電動(dòng)環(huán)保型汽車(chē)作為未來(lái)主要的潛在車(chē)型，擁有一套節(jié)能高效的空調(diào)系統(tǒng)對(duì)開(kāi)拓市場(chǎng)至關(guān)重要。

目前電動(dòng)客車(chē)空調(diào)機(jī)普遍采用交流變頻系統(tǒng)，電動(dòng)全封閉臥式渦旋壓縮機(jī)、冷凝風(fēng)機(jī)、蒸發(fā)風(fēng)機(jī)都采用交流電機(jī)，也有壓縮機(jī)采用直流變頻電動(dòng)全封閉臥式渦旋壓縮，風(fēng)機(jī)采用交流電機(jī)的，或風(fēng)機(jī)采用DC24V低壓直流無(wú)刷電機(jī)，都具有調(diào)頻、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，但由于以上方案都要使用變頻器，低壓直流無(wú)刷電機(jī)也要使用逆變器，需要消耗一定的電能，且交流電機(jī)的效率比較低，因而導(dǎo)致能效比很難提高。具體表現(xiàn)在：（1）電動(dòng)壓縮機(jī)及風(fēng)機(jī)都要采用變頻器或逆變器，需要一次電源轉(zhuǎn)換，需要消耗一定的電能，一般轉(zhuǎn)換效率在92%左右。在電動(dòng)客車(chē)上應(yīng)用，能耗問(wèn)題尤為突出。（2）交流電機(jī)的效率比較低，最高只能達(dá)80%左右，能效不能充分發(fā)揮，同時(shí)產(chǎn)生一定的電磁噪音。針對(duì)此種情況，對(duì)于電動(dòng)客車(chē)研制一款高效節(jié)能、噪音低的全直流變頻空調(diào)器非常必要。

1 直流變頻電動(dòng)客車(chē)空調(diào)器組成以及工作原理

1.1 空調(diào)器組成

針對(duì)上述存在的缺點(diǎn)和問(wèn)題加以改進(jìn)和創(chuàng)新，提供一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠、節(jié)能的空調(diào)機(jī)組，即直流變頻電動(dòng)客車(chē)空調(diào)機(jī)組，見(jiàn)圖1，包括壓縮機(jī)、四通閥、冷凝器芯、高壓直流冷凝風(fēng)機(jī)、電子膨脹閥、蒸發(fā)器芯、高壓直流蒸發(fā)風(fēng)機(jī)、汽液分離器、微電腦控制系統(tǒng)和制冷劑（R407c）。所述的壓縮機(jī)、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(guò)管道依次首尾相連，組成制冷劑通道，所述的制冷劑通道內(nèi)填充制冷劑（R407c），微電腦控制系統(tǒng)連接并控制壓縮機(jī)、四通閥和電子膨脹閥的運(yùn)行，其中，壓縮機(jī)為直流永磁電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的渦漩式全封閉臥式壓縮機(jī)，工作電源為DC600V，高壓直流冷凝風(fēng)機(jī)、高壓直流蒸發(fā)風(fēng)機(jī)的工作電源均為DC600V，所述的壓縮機(jī)采用V型永磁轉(zhuǎn)子，無(wú)磁損、不需磁化，為數(shù)字電機(jī)，所述的微電腦控制系統(tǒng)為數(shù)字轉(zhuǎn)換電路。電子膨脹閥包括脈沖電機(jī)開(kāi)關(guān)閥芯，制冷劑為R407c。

圖1 空調(diào)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(jī)吸入低溫低壓R407c制冷劑，通過(guò)客車(chē)高壓電源驅(qū)動(dòng)的動(dòng)靜渦旋盤(pán)壓縮為高溫高壓氣體排出，而進(jìn)入四通閥，通過(guò)四通閥后、高溫高壓氣體進(jìn)入室外換熱器中進(jìn)行冷卻，成為中溫高壓氣液混合制冷劑，液態(tài)制冷劑通過(guò)電子膨脹閥節(jié)流，節(jié)流后的液態(tài)制冷劑進(jìn)入室內(nèi)換熱器汽化，而形成低溫低壓的制冷劑，釋放出的熱量通過(guò)室內(nèi)換熱器和風(fēng)機(jī)傳到室內(nèi)，從而達(dá)到降低室內(nèi)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(jī)1中，周而復(fù)始，形成制冷循環(huán)。

制熱循環(huán)：高壓直流變頻壓縮機(jī)吸入低溫低壓R407c制冷劑，通過(guò)客車(chē)高壓電源驅(qū)動(dòng)的動(dòng)靜渦旋盤(pán)壓縮為高溫高壓氣體排出，進(jìn)入四通閥，通過(guò)四通閥后、高溫高壓氣體進(jìn)入室內(nèi)換熱器中進(jìn)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(guò)室內(nèi)換熱器和風(fēng)機(jī)傳到室內(nèi)，從而達(dá)到提高室內(nèi)溫度的目的；液態(tài)制冷劑通過(guò)膨脹閥節(jié)流，節(jié)流后的液態(tài)制冷劑進(jìn)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(guò)室外換熱器和風(fēng)機(jī)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(jī)中，周而復(fù)始，形成制熱循環(huán)。

2 壓縮機(jī)的選擇

壓縮機(jī)的性能直接影響系統(tǒng)的性能和經(jīng)濟(jì)性。壓縮機(jī)采用直流永磁電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的渦漩式全封閉臥式結(jié)構(gòu)，具有振動(dòng)小、效率高、高可靠性、噪音低、外形尺寸小等特點(diǎn)，降低了運(yùn)行成本。壓縮機(jī)直接采用客車(chē)上的DC600V電源，并送至功率模塊，模塊受控制器送來(lái)的控制信號(hào)控制，把模塊輸出受控的直流電源（無(wú)逆變環(huán)節(jié)）送至壓縮機(jī)的直流電機(jī)，控制壓縮機(jī)的排量，從而實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)變排量；壓縮機(jī)的直流電機(jī)采用了V型永磁轉(zhuǎn)子，無(wú)磁損，不需磁化，使磁力線集中，大大減少了轉(zhuǎn)換過(guò)程中的能量耗損，使壓縮機(jī)運(yùn)行更平穩(wěn)、更安靜、效率更高，比普通空調(diào)省電。變頻空調(diào)的壓縮機(jī)由變頻電機(jī)拖動(dòng)，電源變頻器輸出頻率變化的交流電給電動(dòng)機(jī)，使電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速可以根據(jù)室內(nèi)制冷量的需要而連續(xù)變化，最終壓縮機(jī)的制冷量達(dá)到連續(xù)變化的自動(dòng)控制，即精確滿(mǎn)足負(fù)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(jī)開(kāi)關(guān)閥芯，快速控制進(jìn)入蒸發(fā)器的制冷劑流量。

3 制冷劑選擇

相對(duì)R134a，R407c具有較高的容積制冷量，可以減少機(jī)組尺寸和重量。下面分別采用R134a和R407c對(duì)同一臺(tái)渦旋結(jié)構(gòu)壓縮機(jī)進(jìn)行性能測(cè)試，見(jiàn)圖2。

圖2 采用R134a和R407c對(duì)同一臺(tái)渦旋結(jié)構(gòu)壓縮機(jī)的性能曲線

冷凝溫度為55℃，蒸發(fā)溫度為-10～10℃范圍內(nèi)，環(huán)境溫度35℃，可以看出同一蒸發(fā)溫度時(shí)，R407c的制冷能力大于R134a。同時(shí)，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(zhì)，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(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的渦漩式全封閉臥式壓縮機(jī)，屬于高效數(shù)字直流變頻壓縮機(jī)，這種壓縮機(jī)采用數(shù)字信號(hào)控制，實(shí)現(xiàn)了壓縮機(jī)的低噪音高效運(yùn)轉(zhuǎn)，具體表現(xiàn)為：（1） 它摒棄了原有的“直流電壓→交流電壓→變轉(zhuǎn)速方式交流電機(jī)”的循環(huán)工作方式，采用先進(jìn)的“直流電壓→變轉(zhuǎn)速方式數(shù)字電機(jī)”控制技術(shù)，減少電流在工作中轉(zhuǎn)變次數(shù)，使電能轉(zhuǎn)化效率大大提高。（2）采用數(shù)字電機(jī)，數(shù)字電機(jī)是指采用數(shù)字脈沖信息控制且轉(zhuǎn)速非常精確的電機(jī)，在電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)和改變轉(zhuǎn)速期間，能夠?qū)崿F(xiàn)減速加速的完全控制，可以保證風(fēng)機(jī)以最佳方式進(jìn)行平穩(wěn)安靜地運(yùn)轉(zhuǎn)。同時(shí)避免了交流電機(jī)引起的交流噪音，大大降低了運(yùn)轉(zhuǎn)噪音。

微電腦控制系統(tǒng)以數(shù)字轉(zhuǎn)換電路代替原來(lái)的交流轉(zhuǎn)換電路，并能根據(jù)環(huán)境溫度變化，精確控制轉(zhuǎn)速，使壓縮機(jī)始終處于最佳運(yùn)行狀態(tài)。微電腦系統(tǒng)控制變頻壓縮機(jī)的同時(shí)，控制電子膨脹閥的開(kāi)啟度，保持適當(dāng)?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(jī)的轉(zhuǎn)速與膨脹閥的開(kāi)啟度相對(duì)應(yīng)，壓縮機(jī)的排氣量與膨脹閥的供液量相對(duì)應(yīng)，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(shí)現(xiàn)最高效率。同時(shí)系統(tǒng)設(shè)置了有效的接地保護(hù)，一旦意外接地，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)切斷高壓電源。

5 結(jié)語(yǔ)

全直流變頻空調(diào)，即空調(diào)的三大核心電機(jī)（變頻壓縮機(jī)電機(jī)、室內(nèi)風(fēng)扇電機(jī)、室外風(fēng)扇電機(jī)）均采用功能強(qiáng)大的直流電機(jī)，通過(guò)全直流控制模塊整合三大直流電機(jī)靈活的調(diào)節(jié)優(yōu)勢(shì)，再優(yōu)化匹配空調(diào)系統(tǒng)，將全直流變頻空調(diào)卓越的性能發(fā)揮得淋漓盡致。研制的空調(diào)機(jī)組的優(yōu)點(diǎn)如下。（1）節(jié)能效果明顯提高；（2）運(yùn)行噪音明顯降低；（3）空調(diào)運(yùn)行更可靠；（4）運(yùn)行調(diào)節(jié)更加精準(zhǔn)。成功設(shè)計(jì)制作出了樣機(jī)，為公司開(kāi)發(fā)了一款新的全直流變頻電動(dòng)客車(chē)頂置空調(diào)。經(jīng)過(guò)裝車(chē)驗(yàn)證，性能良好。我們將繼續(xù)完善，為電動(dòng)客車(chē)空調(diào)的進(jìn)一步完善開(kāi)發(fā)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

[1]金鵬.電動(dòng)汽車(chē)熱泵空調(diào)系統(tǒng)試驗(yàn)研究[J]. 華南理工大學(xué),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(xiàng)目已申報(bào)實(shí)用新型專(zhuān)利，授權(quán)專(zhuān)利號(hào)為ZL 2016 2 0401995.7，證書(shū)號(hào)：第5549444號(hào)。