王子洲，李敬恩，徐 揚(yáng)，石秀勇，胡志遠(yuǎn)

（1.同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院，上海 201804；2.山東朗進(jìn)科技股份有限公司，濟(jì)南 271100）

空調(diào)是汽車的最大耗能附件。車輛開(kāi)空調(diào)行駛時(shí)，空調(diào)功率約占發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率的10%～20%，能耗約占整車油耗的30%。截止2020年12月，全國(guó)汽車保有量達(dá)2.81億輛，燃油車占比達(dá)98%以上，年消耗汽油約1.27億噸。按美國(guó)再生能源研究室2004年對(duì)美國(guó)汽車空調(diào)油耗占全年燃油消耗量5.5%進(jìn)行估算，我國(guó)汽車空調(diào)系統(tǒng)每年消耗成品汽油約1 000萬(wàn)噸，采取措施降低汽車空調(diào)系統(tǒng)油耗是實(shí)現(xiàn)燃油車節(jié)能減排的有效方式之一，有利于降低燃油車的碳排放。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)汽車空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行了大量研究，現(xiàn)有的研究主要集中于車輛空調(diào)系統(tǒng)與油耗的關(guān)系與優(yōu)化方法。MAYDA等研究了燃油車行駛過(guò)程中空調(diào)系統(tǒng)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的影響。ZHANG Da等研究了空調(diào)系統(tǒng)對(duì)整車油耗、排放的影響。PATRICK等通過(guò)構(gòu)建整車模型研究了發(fā)動(dòng)機(jī)與汽車油耗的關(guān)系。與燃油車普遍采用的機(jī)械式空調(diào)相比，電動(dòng)變頻空調(diào)具有排量小、能耗低和質(zhì)量輕等特點(diǎn)，將電動(dòng)空調(diào)應(yīng)用于燃油車上能有效降低其空調(diào)油耗。王立功等比較了使用皮帶輪空調(diào)和改用電動(dòng)空調(diào)的燃油車的動(dòng)力性和空調(diào)油耗，結(jié)果表明，使用電動(dòng)壓縮機(jī)比皮帶輪壓縮機(jī)在同樣負(fù)載下能增加動(dòng)力3.76%、節(jié)油17.4%。DAHLAN等使用12 V鉛酸電池為空調(diào)系統(tǒng)供電，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)電動(dòng)壓縮機(jī)在降低能耗的同時(shí)能實(shí)現(xiàn)更好的能量控制。電動(dòng)變頻空調(diào)應(yīng)用于燃油車實(shí)際循環(huán)的空調(diào)油耗改善潛力研究未見(jiàn)報(bào)道。

目前有關(guān)汽車發(fā)電機(jī)的研究著重于發(fā)電機(jī)本體轉(zhuǎn)速及效率的控制，對(duì)發(fā)電機(jī)與汽車實(shí)際行駛工況關(guān)聯(lián)進(jìn)行控制的研究較少。蔡艷波等通過(guò)對(duì)智能發(fā)電機(jī)的控制實(shí)現(xiàn)整車的用電管理，提高車輛的燃油經(jīng)濟(jì)性。徐春建立發(fā)電機(jī)電子自動(dòng)調(diào)節(jié)器，控制發(fā)電機(jī)任意轉(zhuǎn)速下的發(fā)電量，降低車輛油耗和排放。

本文提出一種將電動(dòng)變頻渦旋壓縮機(jī)應(yīng)用于燃油車的方案，以配置變排量壓縮機(jī)的某燃油車為研究對(duì)象，建立使用變排空調(diào)系統(tǒng)和電動(dòng)空調(diào)系統(tǒng)的整車仿真模型，仿真分析該車在WLTC、CLTC循環(huán)工況下的空調(diào)油耗，探索電動(dòng)空調(diào)的節(jié)油潛力；同時(shí)采用選擇工況發(fā)電策略，提高發(fā)電過(guò)程的能量轉(zhuǎn)換效率，進(jìn)一步降低空調(diào)油耗。

1 燃油車電動(dòng)空調(diào)系統(tǒng)方案

本文研究的燃油車使用機(jī)械式變排空調(diào)，發(fā)動(dòng)機(jī)通過(guò)皮帶輪直接為壓縮機(jī)供能，車輛主要參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 整車主要參數(shù)

電動(dòng)變頻空調(diào)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。采用電動(dòng)變頻空調(diào)系統(tǒng)后，壓縮機(jī)更換為電動(dòng)變頻壓縮機(jī)布置于原車空調(diào)壓縮機(jī)位置并沿用原車空調(diào)系統(tǒng)蒸發(fā)器、冷凝器等部件。增加48 V鋰電池為電動(dòng)壓縮機(jī)供能，保留原車12 V電池，為空調(diào)之外的其他電氣設(shè)備供電，在48 V電池與12 V電池間增加DC/DC轉(zhuǎn)換器，通過(guò)48 V電池為電動(dòng)壓縮機(jī)供電和12 V電池充電。同時(shí)，在發(fā)動(dòng)機(jī)與發(fā)電機(jī)間增加發(fā)電控制器，根據(jù)48 V電池荷電狀態(tài)（SOC）值和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制發(fā)電機(jī)勵(lì)磁線圈的電流，以控制發(fā)電機(jī)輸出的通斷。

圖1 電動(dòng)變頻空調(diào)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 建立仿真模型

通過(guò)GT-SUITE軟件分別建立使用兩種空調(diào)系統(tǒng)的整車模型，通過(guò)仿真研究原車空調(diào)和電動(dòng)空調(diào)系統(tǒng)的油耗變化，分析電動(dòng)空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)油能力。

2.1 整車模型搭建

原車仿真模型由駕駛員模塊、車身模塊、發(fā)動(dòng)機(jī)模塊和空調(diào)系統(tǒng)模塊構(gòu)成，使用電動(dòng)空調(diào)后在模型中增加電池模塊與發(fā)電機(jī)模塊，仿真模型結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 仿真模型結(jié)構(gòu)

該車原車采用機(jī)械斜盤(pán)式變排量壓縮機(jī)，排量范圍為5～140 cm/轉(zhuǎn)，通過(guò)試驗(yàn)得到該壓縮機(jī)脈譜圖并建立模型。發(fā)動(dòng)機(jī)與壓縮機(jī)通過(guò)皮帶輪機(jī)械連接，傳動(dòng)比為1.18，壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速由發(fā)動(dòng)機(jī)決定，由發(fā)動(dòng)機(jī)供能。電動(dòng)空調(diào)系統(tǒng)使用某公司先進(jìn)電動(dòng)變頻壓縮機(jī)，電動(dòng)變頻壓縮機(jī)排量為25 cm，通過(guò)該壓縮機(jī)試驗(yàn)數(shù)據(jù)在模型中建立電動(dòng)壓縮機(jī)模塊。此時(shí)壓縮機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)解耦，轉(zhuǎn)速不再相關(guān)，由48 V電池供能。通過(guò)空調(diào)模塊模擬空調(diào)零部件的換熱、車廂換熱和壓縮機(jī)功耗。整車仿真模型如圖3所示。其中，發(fā)動(dòng)機(jī)模塊為臺(tái)架試驗(yàn)獲得的萬(wàn)有特性數(shù)據(jù)建立的平均值模型，駕駛員模塊采用前向仿真方法建立，發(fā)電機(jī)模塊根據(jù)原車發(fā)電機(jī)效率MAP建立，電池模塊根據(jù)內(nèi)阻模型建立，空調(diào)模塊由蒸發(fā)器、冷凝器、壓縮機(jī)、熱力膨脹閥和其他輔助部件（車廂模塊、鼓風(fēng)機(jī)、空調(diào)管路、空調(diào)控制器等）組成。采用比例積分微分控制（Proportional-Integral-Derivative Control，PID）控制空調(diào)系統(tǒng)，以車內(nèi)溫度和設(shè)定溫度偏差作為輸入。其余模塊均根據(jù)實(shí)車數(shù)據(jù)建立。

圖3 整車仿真模型

2.2 模型標(biāo)定

本文采用NEDC循環(huán)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行模型標(biāo)定。NEDC循環(huán)車速瞬變性相對(duì)較少，工況相對(duì)簡(jiǎn)單，試驗(yàn)誤差也較小，因此，采用NEDC循環(huán)試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行標(biāo)定的準(zhǔn)確性更高。

空調(diào)油耗測(cè)量試驗(yàn)在帶有陽(yáng)光模擬系統(tǒng)的整車試驗(yàn)室中進(jìn)行，為消除試驗(yàn)誤差，試驗(yàn)重復(fù)2次。試驗(yàn)時(shí)，首先進(jìn)行20 min速度為90 km/h的預(yù)運(yùn)行熱車，接著打開(kāi)陽(yáng)光模擬系統(tǒng)，浸車保溫30 min，隨后開(kāi)始NEDC工況開(kāi)空調(diào)油耗試驗(yàn)。以車廂內(nèi)降溫曲線、發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗率和百公里油耗作為標(biāo)定參數(shù)，對(duì)建立的模型進(jìn)行標(biāo)定。試驗(yàn)環(huán)境參數(shù)見(jiàn)表2，試驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 試驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

表2 試驗(yàn)環(huán)境參數(shù)

NEDC循環(huán)下，打開(kāi)空調(diào)時(shí)仿真和試驗(yàn)油耗結(jié)果見(jiàn)表3。由表3可知，油耗和降溫時(shí)間的誤差均低于5%，滿足工程分析要求。

表3 整車模型仿真結(jié)果

NEDC循環(huán)下，打開(kāi)空調(diào)時(shí)車廂內(nèi)溫度變化曲線和燃油瞬態(tài)消耗率的仿真和試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。車輛的降溫過(guò)程及瞬態(tài)燃油消耗率仿真和試驗(yàn)結(jié)果基本一致，與試驗(yàn)結(jié)果比較，仿真誤差均小于5%。當(dāng)車廂溫度降至目標(biāo)溫度后，由于控制策略的影響，車內(nèi)溫度有一定的波動(dòng)，此時(shí)空調(diào)處于低負(fù)荷狀態(tài)，波動(dòng)對(duì)整車的油耗幾乎無(wú)影響。

圖5 模型與試驗(yàn)對(duì)比

電動(dòng)壓縮機(jī)模型根據(jù)某公司的電動(dòng)渦旋式壓縮機(jī)構(gòu)建，通過(guò)試驗(yàn)獲得該壓縮機(jī)在GBT22068—2018《汽車空調(diào)用電動(dòng)壓縮機(jī)總成》COP測(cè)試工況下的輸入功率、制冷功率等參數(shù)，測(cè)試結(jié)果如圖6所示。電動(dòng)壓縮機(jī)模型在后續(xù)仿真部分進(jìn)行驗(yàn)證。

圖6 電動(dòng)變頻壓縮機(jī)參數(shù)

3 仿真結(jié)果分析

3.1 電動(dòng)空調(diào)系統(tǒng)與變排空調(diào)對(duì)比

3.1.1 油耗對(duì)比

對(duì)模型分別進(jìn)行NEDC、WLTC、CLTC循環(huán)仿真，結(jié)果見(jiàn)表4。

由表4可知，NEDC循環(huán)下，變頻空調(diào)系統(tǒng)的空調(diào)油耗為0.397 L/100 km，按汽油熱值3.4×10J/L換算，約3.73 kWh/100 km，與李維偉的研究結(jié)果中3.49 kWh/100 km相似。仿真結(jié)果中空調(diào)系統(tǒng)總能耗為0.138 kWh，NEDC循環(huán)總里程為11 022 m，空調(diào)系統(tǒng)實(shí)際能耗按熱值換算后為0.411 kWh，總效率為33.6%，可理解為發(fā)動(dòng)機(jī)平均效率38%，發(fā)電過(guò)程總平均效率為88%，與建模參數(shù)基本相符，因此，電動(dòng)空調(diào)系統(tǒng)模型可靠。

表4 不同空調(diào)系統(tǒng)仿真結(jié)果

在WLTC循環(huán)下，該車使用機(jī)械變排空調(diào)百公里油耗為6.551 L/100 km，相對(duì)不開(kāi)空調(diào)時(shí)增加0.95 L/100 km（即為空調(diào)系統(tǒng)油耗），增加16.96%；使用電動(dòng)變頻空調(diào)百公里油耗為5.835 L/100 km，相對(duì)不開(kāi)空調(diào)時(shí)增加0.234 L/100 km，僅增加了4.01%。CLTC循環(huán)中，使用機(jī)械變排空調(diào)百公里油耗為7.286 L/100 km，相對(duì)不開(kāi)空調(diào)時(shí)升高1.343 L/100 km，升高16.96%；使用電動(dòng)變頻空調(diào)時(shí)百公里油耗為6.261 L/100 km，相對(duì)不開(kāi)空調(diào)時(shí)升高0.318 L/100 km，僅升高5.08%。行駛過(guò)程中，電動(dòng)空調(diào)系統(tǒng)油耗在兩個(gè)循環(huán)下相對(duì)機(jī)械空調(diào)系統(tǒng)油耗分別降低75.4%與76.3%，按照我國(guó)汽車空調(diào)系統(tǒng)年耗油1 000萬(wàn)噸計(jì)算，每年可節(jié)省燃料汽油約750萬(wàn)噸。

使用變排及變頻空調(diào)時(shí)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速及功率如圖7所示。由圖7可知，采用電動(dòng)變頻壓縮機(jī)后，電動(dòng)變頻壓縮機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)解耦，轉(zhuǎn)速不再和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速相關(guān)，直接由電池供電，在降溫初期即可運(yùn)行在高轉(zhuǎn)速、高功率工況；變排壓縮機(jī)通過(guò)皮帶輪與發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械連接，壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速隨發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化而變化。為避免發(fā)動(dòng)機(jī)低轉(zhuǎn)速并承擔(dān)較大負(fù)荷時(shí)熄火，變排空調(diào)在降溫初始階段無(wú)法處于高功率工況。在時(shí)間占比約89%的維持溫度階段，電動(dòng)壓縮機(jī)平均功率約360W，機(jī)械變排壓縮機(jī)平均功率超過(guò)1100W，大于電動(dòng)壓縮機(jī)。以上原因?qū)е码妱?dòng)空調(diào)系統(tǒng)的油耗降低。

圖7 壓縮機(jī)工況對(duì)比

循環(huán)過(guò)程中發(fā)動(dòng)機(jī)的功率如圖8所示。由圖可知，采用電動(dòng)空調(diào)系統(tǒng)后，發(fā)動(dòng)機(jī)不再直接為空調(diào)系統(tǒng)供能，而是通過(guò)發(fā)電機(jī)為鋰電池系統(tǒng)充電，進(jìn)而由電池為空調(diào)供能，循環(huán)過(guò)程中發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率普遍小于變排空調(diào)系統(tǒng)，整車油耗降低。

圖8 發(fā)動(dòng)機(jī)功率對(duì)比

3.1.2 制冷效果對(duì)比

圖9為車廂內(nèi)的溫度變化情況，由圖可知，電動(dòng)變頻空調(diào)在同功率下能效比（COP）高于機(jī)械變排空調(diào)，降溫初始階段電動(dòng)變頻空調(diào)能以較低功率達(dá)到與變排空調(diào)相同的制冷效果。這是因?yàn)?，機(jī)械變排壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速由發(fā)動(dòng)機(jī)決定，并隨著轉(zhuǎn)速變化調(diào)整斜盤(pán)角度以調(diào)節(jié)壓縮活塞行程，從而使壓縮機(jī)的制冷能力與車內(nèi)制冷需求匹配。在實(shí)車測(cè)試中，機(jī)械變排壓縮機(jī)空調(diào)部分時(shí)間段制冷功率大于制冷需求，使維持溫度階段的車內(nèi)溫度進(jìn)一步降低。電動(dòng)空調(diào)因壓縮機(jī)能根據(jù)控制策略自由調(diào)整轉(zhuǎn)速，可較好地將車內(nèi)溫度維持在目標(biāo)值。

圖9 車廂內(nèi)溫度對(duì)比

3.2 選擇工況發(fā)電策略

3.2.1 策略擬定

在汽車行駛過(guò)程中，由于工況的實(shí)時(shí)變化，發(fā)動(dòng)機(jī)瞬時(shí)燃油經(jīng)濟(jì)性隨之變化。使用NEDC、WLTC、CLTC三種循環(huán)工況下的發(fā)動(dòng)機(jī)工況模擬車輛實(shí)際行駛工況，等間隔提取500組瞬時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)工況數(shù)據(jù)如圖10所示。由圖可知，NEDC、WLTC、CLTC三種循環(huán)工況下，發(fā)動(dòng)機(jī)主要運(yùn)行在1 350～2 000 r/min轉(zhuǎn)速、20～100 Nm轉(zhuǎn)矩工況。此時(shí)，發(fā)電機(jī)由發(fā)動(dòng)機(jī)提供的機(jī)械能發(fā)電，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)在燃油經(jīng)濟(jì)性差的工況下發(fā)電可以視作發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行低效率發(fā)電，能量轉(zhuǎn)換效率相對(duì)較低，產(chǎn)生相同的電量需要更多的油耗。選擇工況發(fā)電是保證產(chǎn)生足夠電量的前提下，選出部分發(fā)動(dòng)機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性較差的區(qū)間停止發(fā)電機(jī)工作，從而變相提高發(fā)電機(jī)發(fā)電效率以達(dá)到節(jié)油的目的。該車在發(fā)動(dòng)機(jī)低轉(zhuǎn)速（850～1350 r/min）工況下的燃油經(jīng)濟(jì)性普遍較差，因此，選擇通過(guò)轉(zhuǎn)速進(jìn)行區(qū)間篩選，使發(fā)電機(jī)在發(fā)動(dòng)機(jī)低轉(zhuǎn)速區(qū)間時(shí)停止發(fā)電。

圖10 發(fā)動(dòng)機(jī)工況分布

選擇工況發(fā)電策略控制邏輯如圖11所示。鋰電池的最佳工作SOC區(qū)間為0.3～0.7，過(guò)充和過(guò)放均不利于鋰電池使用壽命，在策略中加入鋰電池SOC作為參數(shù)。當(dāng)SOC達(dá)到0.7時(shí)停止發(fā)電，48 V鋰電池作為供電源；當(dāng)SOC低于0.3時(shí)，發(fā)電機(jī)在設(shè)定轉(zhuǎn)速區(qū)間工作，直到電池SOC回到0.7后發(fā)電機(jī)停止工作?？紤]到實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中存在發(fā)動(dòng)機(jī)長(zhǎng)期處于設(shè)定發(fā)電轉(zhuǎn)速區(qū)間外工況，為防止鋰電池電量過(guò)低或用盡，設(shè)置電池SOC降低為0.2時(shí)強(qiáng)制發(fā)電，即此時(shí)發(fā)電機(jī)在發(fā)動(dòng)機(jī)全轉(zhuǎn)速區(qū)間發(fā)電，SOC回到0.3時(shí)重新執(zhí)行選擇工況發(fā)電策略。

圖11 選擇工況發(fā)電控制邏輯

3.2.2 應(yīng)用選擇工況發(fā)電策略仿真

對(duì)使用電動(dòng)空調(diào)后的整車進(jìn)行全工況發(fā)電和采用選擇工況發(fā)電策略兩種方案在WLTC、CLTC循環(huán)下進(jìn)行仿真分析。圖12為采用選擇工況發(fā)電策略發(fā)電機(jī)的功率及轉(zhuǎn)速。由于各個(gè)循環(huán)中都存在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速位于850～1350 r/min的工況區(qū)間，因此，采用選擇工況發(fā)電策略后發(fā)電機(jī)會(huì)間歇性停止工作。由于發(fā)電機(jī)工作時(shí)間相對(duì)較短，所以使用選擇工況發(fā)電策略后發(fā)電機(jī)能耗降低，整車油耗進(jìn)一步降低。

圖12 發(fā)電機(jī)工況對(duì)比

圖13為兩種發(fā)電策略下電池SOC值的變化，其中a為采取選擇工況發(fā)電策略，b為全工況發(fā)電。發(fā)電機(jī)工況不同導(dǎo)致循環(huán)過(guò)程中發(fā)電機(jī)工作時(shí)間不同、發(fā)電量不同，電池SOC的變化不同。設(shè)定循環(huán)開(kāi)始時(shí)SOC均為0.3，循環(huán)結(jié)束時(shí)，WLTC循環(huán)兩種方案的SOC分別為0.404和0.681，CLTC循環(huán)兩種方案SOC分別為0.511和0.687，差值分別為40.7%和25.6%，低轉(zhuǎn)速區(qū)間段越多差值越大。兩者均相對(duì)于循環(huán)開(kāi)始時(shí)的0.3有所增加，因此，采取選擇工況發(fā)電策略的條件下仍能產(chǎn)生足夠電量。

圖13 電池SOC對(duì)比

圖15為采取不同策略的油耗仿真結(jié)果。采用選擇工況發(fā)電策略后，發(fā)電機(jī)在循環(huán)過(guò)程中總發(fā)電量比全工況發(fā)電略有減少，并且減少了發(fā)動(dòng)機(jī)的低效率區(qū)間的發(fā)電，油耗減少。仿真結(jié)果表明：對(duì)WLTC循環(huán)，采用選擇工況發(fā)電策略后百公里油耗為5.825 L/100 km，空調(diào)系統(tǒng)油耗為0.224 L/100 km，相對(duì)全工況發(fā)電減少4.3%，相對(duì)原車變排空調(diào)減少76.4%；對(duì)CLTC循環(huán)，采用選擇工況發(fā)電策略后百公里油耗為6.261 L/100 km，空調(diào)系統(tǒng)油耗為0.297 L/100 km，相對(duì)全工況發(fā)電減少6.6%，相對(duì)原車變排空調(diào)減少77.9%，采用選擇工況發(fā)電策略后，電動(dòng)空調(diào)系統(tǒng)油耗進(jìn)一步降低。

圖14 油耗對(duì)比

4 結(jié)論

提出了在燃油車上采用48 V鋰電池系統(tǒng)、電動(dòng)變頻空調(diào)系統(tǒng)，并將空調(diào)系統(tǒng)由發(fā)動(dòng)機(jī)供能轉(zhuǎn)變?yōu)殡姵毓┠艿姆桨?，?duì)該方案的油耗進(jìn)行了仿真分析。結(jié)果表明，與原車變排空調(diào)系統(tǒng)相比，電動(dòng)變頻空調(diào)系統(tǒng)的WLTC循環(huán)空調(diào)系統(tǒng)油耗可降低75.4%，CLTC循環(huán)下空調(diào)系統(tǒng)油耗降低76.3%。同時(shí)在該方案的基礎(chǔ)上提出了選擇工況發(fā)電策略，采用選擇發(fā)電策略后，電動(dòng)空調(diào)系統(tǒng)WLTC、CLTC循環(huán)的空調(diào)油耗進(jìn)一步降低4.3%和6.6%。對(duì)燃油車使用電動(dòng)空調(diào)系統(tǒng)和選擇工況發(fā)電策略具有較好的節(jié)油潛力。此外，相對(duì)于目前市場(chǎng)上大量定排量空調(diào)系統(tǒng)，該方案的節(jié)能效果將更加顯著。