毛翼 张海焕 张磊

（泛亚汽车技术中心有限公司）

汽车安装空调是为了在任何时候和行驶条件下，能为乘员提供舒适的车内环境，并预防和去除附在挡风玻璃上面的雾、霜或冰雪，以确保驾驶员的视野清晰与行驶安全[1]。随着汽车工业的发展，人们对汽车空调节能越来越重视，功耗大户压缩机自然成为各种节能方案的焦点。汽车空调的压缩机根据排量是否可以调节分为定排量压缩机和变排量压缩机。对于装备变排量压缩机的系统，国内学者不仅对零部件进行较多的优化研究[2-3]，而且在控制算法的设计和优化方面也做了较多工作[4-6]，达到节能的目的。而对于汽车定排量压缩机系统的节能关注较少，文章基于车用空调箱温度调节的原理，通过理论分析和试验验证，对装备定排量压缩机的空调系统的控制策略进行优化，对于空调系统节能具有现实指导意义。

1 定排量压缩机的使用环境和问题

由于成本优势，定排量空调压缩机在经济型轿车的手动电动空调和自动空调系统上都被广泛应用。定排量空调压缩机的开关控制，除了和常规的环境温度、用户操作、空调高压及节气门的开度相关外，还有一个重要的传感器EAT sensor（蒸发器热敏电阻）来测量蒸发器出风温度，空调控制器或ECM（发动机控制模块）或BCM（车身控制模块）根据EAT sensor采集到温度信号对压缩机进行保护。

图1示出定排量压缩机空调系统示意图。从图1可以看出，在控制过程中，蒸发器表面的温度信号传入ECC（空调控制器），经过计算之后输出压缩机开关信号至ECM，并由ECM实现压缩机开关控制和保护，压缩机关闭时蒸发器表面的温度为结霜温度点。

图1 定排量压缩机空调系统示意图

传统压缩机控制策略通常将定排量压缩机的结霜温度点设置为固定值，压缩机恢复运行的温度通常比结霜点温度高2℃，即也是固定值，这样会迫使压缩机在各种负荷下，都能工作直到蒸发器温度低于结霜点温度。在无阳光、低负荷工况下，汽车空调出风口温度需求一般在10～30℃，蒸发器吹出的冷风需要通过空调箱加热芯体加热，才能满足出风口的要求。这一过程会造成压缩机长期处于工作状态，使压缩机功耗增加。

2 节能原理和控制策略

图2示出空调箱温度控制的原理图。来自汽车外部的空气（外循环）或内部的空气（内循环），温度为Tin，首先经过蒸发器芯体进行降温到2℃，然后根据出风口温度需要加热到Tout（出风口温度），在低负荷工况下，汽车空调出风口目标温度一般在10～30℃，当出风口目标温度恒定时，经过蒸发器芯体出口的空气温度越低，越不利于节能，图2中虚线温度曲线为传统定排量压缩机控制温度表现，实线是蒸发器温度为10℃的定排量压缩机控制温度表现。当定排量压缩机控制温度曲线工作在上述实线和虚线之间时，就可以节省压缩机的功耗。节约的能量为压缩机控制温度曲线和图2中虚线（2℃的控制温度）间的积分面积。

图2 空调箱混风和节能原理图

压缩机是空调系统的主要功耗部件，为了达到节能目的，在不影响出风口温度的前提下，提高蒸发器出口温度是可以探究的方向，为了更好地说明定排量压缩机节能策略的原理，图3示出空气流经空调箱的焓-湿变化示意图[7]。

图3 空气流经空调箱的混风焓-湿图（相对湿度100%）

传统的压缩机控制策略，Tes（蒸发器设定温度）为固定值，流经空调箱的空气状态必须经过状态2，对应迁移路线为1-2-3，空调系统负荷为ma（h1-h2）；新的定排量压缩机控制策略根据出风口温度目标值调节Tes，流经空调箱的空气状态不一定会经过状态2，对应迁移路线为1-5-4，空调系统负荷为ma（h1-h5）；新的定排量压缩机控制策略相对于传统的控制策略，空调系统的负荷减少ma（h5-h1）。对于状态5是根据用户设定温度计算得出。其中：ma/（kg/s）为流经空调箱的空气质量流量 ；h1，h2，h3，h4，h5为空气状态点 1，2，3，4，5 焓值（kJ/kg）。

为了不影响客户的舒适度，同时达到节能的目的，必须有相应的控制逻辑协调压缩机和温度风门的工作。图4示出控制算法的概要流程。不同于传统控制逻辑的Tes是固定不变的，新的控制算法的Tes是根据用户设定温度和环境温度的不同进行计算，然后和当前测量的蒸发器空气侧出口温度进行比较，进而控制压缩机开关；用户可以直接感知的空调箱出风口温度的控制，是根据用户设定温度和环境温度计算出空调箱出风口目标温度，然后和当前测量的空调箱出风口温度进行比较，通过PID（比例、积分、微分运算）控制器计算出温度风门的位置，进而在最短的时间内，完成空调箱出风口温度的控制。

3 试验方法和结果分析

为了更好地分析和验证上述定排量压缩机节能控制策略，对某款使用定排量压缩机的手动空调系统的汽车进行道路测试，道路环境选择在国内具有典型意义的海南进行。选择空调负荷相对较低的试验工况：环境温度为27～30℃、车速为80 km/h、阳光强度为100～800 W/m2、鼓风机挡位为3挡、吹面模式、压缩机开启、外循环。

为了更好地对比新定排量压缩机控制策略和传统压缩机控制策略的不同，在不同的用户设定温度下，分别使用恒定的蒸发器温度设定值和变化的蒸发器温度设定值，如表1和图5所示。

表1 恒定和可变蒸发器目标温度策略 ℃

图5 蒸发器温度跟随目标温度变化曲线

在上述设定工况下，分别对2种定排量压缩机控制策略进行测试，测试过程中设定温度分别为16，17，18，19，20 ℃，每个温度挡位稳定 30 min，测试结果，如表2所示。

表2 恒定和改变蒸发器目标温度测试结果

从表2可以看出，在保证出风口温度相同的情况下，传统定排量压缩机控制策略的蒸发器出口温度稳定在3.5℃左右，压缩机的工作时间占比为71%；而对于新的定排量压缩机控制策略，蒸发器出口温度随用户设定温度的变化而变化（见表1），压缩机的工作时间占比也随用户设定温度的变高而明显下降，对于本试验工况，压缩机工作时间占比下降23%（见表2）。压缩机工作时间减少了，汽车油耗相应的也降低了。

定排量压缩机改变蒸发器温度的控制策略，对降低空调系统能耗提供了很大的帮助，但同时又存在以下缺点。

1）蒸发器温度越高，混风出来的空气出现异味几率越大。试验证明，当蒸发器的设定温度高于10℃，车内乘客很容易嗅到出风口空气的潮味。

2）蒸发器温度越高，压缩机吸合断开的频次就会增加，压缩机吸合断开时离合器产生的噪声，会对车内乘客产生影响。新的定排量压缩机控制策略，因为蒸发器设定温度的升高，定排量压缩机开启、关闭的次数会有所上升，从而引起噪声的增加。工程上，一般接受小于3次/min的开关循环，试验数据在Tmas为12℃时，改变Tes，压缩机开关次数是2.5次/min，新控制策略下的压缩机没有超过工程的经验值。

3）蒸发器温度越高，压缩机吸合断开的频次就会增加，当频次超出某一个值时，发动机瞬间吸合压缩机工作产生的累积能耗，比长时间带动压缩机工作更耗能，并且会对压缩机造成损伤。

4 结论

在传统定排量压缩机控制中，一直都是恒定蒸发器目标温度的控制策略，没有与用户的需求进行衔接，以至于出现能量的浪费。文章的控制策略突破了传统思维局限，引入机电控制中的有效工作负载周期控制思想，使改进后的定排量压缩机控制策略达到了变排量压缩机的控制效果。此控制策略使定排量压缩机空调系统具有了变排量系统的节能优势。但为了发挥该策略的最优功效，同时最大限度的避开其缺点，需要在标定过程中注意以下2点。

1）压缩机吸合断开频次，在标定蒸发器温度目标值时，要求不能超过3次/min。当压缩机吸合断开频次超出3次/min时，产生的噪声对车内影响比较明显，此时就需要降低蒸发器温度目标值。

2）蒸发器温度升高，出风口空气产生的潮气越明显。新的定排量压缩机控制策略，蒸发器设定温度随用户设定温度而变，但最大值不宜超过10℃，超出10℃潮气将会影响乘客的舒适性。

为了使空调系统能耗和乘客舒适性达到最佳状态，在标定Tes时，需要固定Tmas，然后选取压缩机吸合断开频次≤3次/min，且蒸发器温度≤10℃的点，此时的Tmas就是最佳值。