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详解电动汽车空调的特点与维修（上）
随着科技的发展和节约能源的需求，我国电动汽车的应用日益增多。目前，在我国乃至全球所有千万人口级的大城市中，深圳是使用新能源汽车最多的城市，其具有LNG液化天然气和CNG压缩天然气为燃料的汽车、多种形式的电动汽车、各类强混及弱混电动汽车、纯电动大客车和纯电动出租车等。我国南部地区，天气十分炎热，汽车全年使用空调的频率极高，电动车的空调故障维修也逐渐增多，但多数维修人员对电动车并不十分了解，在维修电动汽车的空调时往往束手无策。本文分上、下两期介绍电动汽车空调的主要特点，并结合实际介绍电动汽车空调的维修安全注意事项及通过案例分享维修的体会。
传统燃油汽车由发动机作为动力源，而强混合电动汽车不以发动机作为主要动力源，与这两者不同，电动汽车没有发动机，所以电动汽车空调呈现一些新特点。
一、采用涡旋式压缩机
现代电动汽车已不再安装内燃机，或主要不以发动机作为动力源，显然空调制冷的压缩机大多已不能以发动机来驱动，而改由电动机来驱动。这种驱动方式取消了传统的外驱式皮带轮，电动机一般与压缩机组装为二体，形成全封闭的结构，其内部结构如图1所示。这种结构形式灵活方便，可装置在发动机室的任何位置，而且电动机与压缩机可采取同轴驱动，不会出现传统驱动方式的皮带打滑、压缩机转速与发动机转速不同步的现象。由于电动机同轴驱动压缩机，可通过调节电动机转速改变压缩机转速，实现空调压缩机排量及制冷量的灵活控制。封闭式的驱动结构，只有电源线及进出气管与外部联系，泵气装置运行的可靠性较高，故障率较低。
电动汽车空调的制冷系统与传统汽车基本相同，主要由一体化压缩机、冷凝器、膨胀阀、蒸发器和储液干燥器等五大部件组成，另外还增加了电气系统的空调驱动器。
使用泵气效率较高的涡旋式压缩机是电动汽车空调的一个共同特点，与其他诸多类型的空调压缩机如斜盘式、曲柄连杆式、叶片式等压缩机相比，涡旋式压缩机具有振动小、嗓声低、使用寿命长、重量轻、转速高、效率高、外形尺寸小等多个优点，更符合电动汽车的空调使用要求。
1．基本构造和原理
涡旋式压缩机包括一个定涡盘和一个动涡盘，这两个相互啮合的涡盘，其线型是相同的，它们相互错开180°安装在一起，即相位角相差180°。涡旋式压缩机的工作原理如图2所示，其定涡盘是固定在机架上，而动涡盘由电机直接驱动。动涡盘是不能自转的，只能围绕定涡盘作很小回转半径的公转运动。当驱动电机旋转带动动涡盘公转时，制冷气体通过滤芯吸入到定涡盘的外围部分，随着驱动轴的旋转，动涡盘在定涡盘内按轨迹运转，使动、定涡盘之间形成由外向内体积逐渐缩小的六个腔（图2）: A腔、B腔、C腔、D腔、E腔和F腔，制冷气体在动、定涡盘所组成的六个月牙形压缩腔内被逐步压缩，最后从定盘中心孔通过阀片将被压缩后的制冷气体连续排出。
在压缩机整个工作过程过程中，所有工作腔均由外向内逐渐变小且处于不同的压缩状况，从而保证涡旋式压缩机能连续不断地吸气、压缩和排气。虽然涡旋式压缩机每次排出制冷剂的气量较小，其排出量约为27～30cm3，但由于其动涡盘可作高达r/min的公转，所以它的总排量足够大，能满足车辆空调制冷的需求，当然压缩机的功耗也较大，可达4～7Kw。
2．运行特点
涡旋压式缩机的运行特点如下：①从图2中可见、涡旋压缩机不需要进气阀，只有排气阀，这样可简化压缩机的结构，并且消除打开气阀的压力损失，可提高压缩效率；②涡旋压缩机的余隙容积接近零，所谓余隙容积是指经压缩机压缩后不能被完全排出的气体，显然余隙容积大则压缩机的工作效率低。涡旋压缩机被吸入的气体几乎可完全被排出，容积效率能达到98%，相比传统的往复活塞式压缩机，由于活塞头部与汽缸盖间存在一定的间隙形成余隙容积，使得其效率只有70％左右；③涡旋压缩机的工作过程较平稳，从吸气、压缩到排气，动涡盘要用三圈才能完成一个压缩循环，而且压缩机在任何角度都有三个腔同时在工作，吸气、压缩、排气同时进行。而活塞式压缩机吸气行程和排气行程功耗少，压缩行程功耗却较大，造成运转不平稳，且活塞作往复运动时有阀片敲击现象，这使得振动和噪声均达到一定的幅值；④涡旋压缩机的排气阀处于压缩机的中部，采取扁平阀的结构，排气管接口和进气管接口装在一体化压缩机壳体的两端，只需通过管道就可与外部装接；⑤这种压缩机和控制单元，可利用制冷循环低压气流中的残余冷气进行冷却，根据温度和压力条件，使之得以有效降温，保证了压缩机的正常运转，温度不致过高。
3．显著优点
涡旋式压缩机的显著优点如下：①可方便以变排量方式运行，由于采取三相永磁电机直接驱动压缩机的方式，只需改变输入驱动电机的电源频率，就可改变电机的转速，使压缩机的排气量改变，而且涡旋式压缩机比较节能，单位制冷量可减少10％～13％的功率消耗；②排气连续、工作十分平稳、扭矩变动小、运转时振动小、噪声低；③结构简单、零件数少、体积小、质量轻、能高速旋转、运转寿命长，它使用的主要零部件仅为往复活塞式压缩机的1/10。
此外，有的混合电动汽车为保证空调的可靠运行，同时也为节省驱动电力，会采用 “双空调压缩机”的结构形式，包括电机驱动的空调压缩机和汽油机驱动的压缩机（图3）。当内燃机运转时由发动机带动传统机械压缩机工作，而在汽车纯电行驶模式下则用电机驱动压缩机，以保证空调在两种行驶模式下均可正常使用。为隔离两个压缩机的工作，两者均装有制冷剂的单向阀。
二、以三相永磁同步电机作为驱动
从上所述可知，驱动电动汽车空调压缩机运转的是三相永磁同步电机，而向空调三相电机供电的则应是三相高压交流电。电动汽车的电池只能提供直流电，为此必须要将电池直流电转换为交流电，这个任务就由变频器承担，由它产生向空调压缩机和三相永磁同步电机的交流电源。
1．三相永磁同步电机的特点
三相永磁同步电机在电动汽车上使用较多，特别是驱动汽车行驶的动力就是由三相永磁同步电机提供的，维修人员了解这种电机的特点对维修工作很有帮助。电动汽车在不同历史时期采用了不同的电机，最早采用成本较低的直流电机，但它存在换向火花、高负载下转速受限制、体积大、经常需要维修等缺点，不能用于封闭式空调压缩机的驱动电机。而三相永磁同步电机具有体积小、质量轻、运转效率高、节省电能、可采用变频调速、运转极可靠且远高于直流电机的6倍，维护保养费用低等特点，所以现代封闭式空调压缩机首选三相永磁同步电机。
2．三相永磁同步电机的工作原理
三相永磁同步电机主要由定子与转子组成，利用通电的定子绕组产生旋转磁场，作用于永磁转子上形成磁拉力而同步旋转。电机定子通入三相对称交流电，从而在定子与转子的气隙间产生旋转磁场，不论定子旋转磁场与永磁转子起始时相对位置如何，定子的旋转磁极与转子的磁极间，总是会产生磁力拖动转子同步旋转。由于转子有磁极，在极低频率下也能旋转运行，所以它比异步电机的调速范围更宽。永磁同步电机转子同步转速可用公式计算：n同＝60fs/pn，此公式中，n同为电机转子的同步转速，fs为定子线圈的供电频率，pn是电机转子的磁极对数。
三相永磁同步电机的原理示意图，如图4所示，中部圆圈表示永磁转子，永磁体按N、S磁极沿圆周径向交替排列，图上外部三个小线圈表示定子上输入的对称三相正弦波交流电，产生的旋转磁场与永磁转子相互作用拖动转子同步旋转，并力图使定子与转子的轴线对齐。图4中n0为电机的同步转速、T为转矩、θ为功率角。空调三相永磁同步电机转子的转速虽与定子的旋转磁场能同步运行，但当转子有负荷阻力时，会使电机转子与定子的磁场轴线间形成角差。功率角0表示转子与定子的磁场轴线间的夹角，负荷越大，功率角0也越大，它虽不影响转子的同步运转，但当负荷阻力超大时功率角0将造成转子失速停转。由于汽车空调的中小负荷起动与运行特性，不易使电机转子停转，故这种永磁同步电机适合空调作驱动使用，可靠地运用在一体化的空调压缩机中，使用寿命较长。
3．变频器的作用
电动汽车空调的三相永磁同步电机，其定子需要通入三相交流电，但电动汽车上只有高压直流电池，所以需要变频器将直流电转化为交流电。电动空调的变频器使用了6个IGBT场效应管，它是绝缘栅双极型晶体管，属于电压控制类器件，其特点是栅极的驱动功率小而饱和压降低，在电力系统和变流技术上广泛使用。IGBT管的导通或截止受控于其上的栅极电压，就能造成IGBT的源极与漏极间的通路或断路状况。如图5所示，当6个IGBT的栅极按一定规律轮流加上占空比脉冲调制控制电压时，就会让电池的直流高压电流经过变频器，在输出端形成三相正弦交流电流，利于三相永磁同步电机平稳运转，产生的转矩以驱动空调压缩机。图5中与IGBT管并联的二极管是电机三相绕组的续流二极管，起保护IGB下管的作用。
4．调节制冷剂的排量
通过控制永磁同步电机定子各相绕组的通电频率及电流大小，可高精度调节电机转子的转速与转矩，并能直接控制压缩机的转速，达到调节制冷剂的排量，以适合汽车运行对空调系统的不同工况要求。图6反映了输入电机的三相交流电的波形，图6的上图表示三相交流电的频率高，这会使得驱动电机的转速上升，电压的幅值大则会使电机的驱动转矩更强。而图6的下图则反之，电机的转速与输出转矩均较低。
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