刘文元 段振涛 姚红 梁海明
【摘要：】为了满足载货车司乘人员在驻车休息或停车待货时使用车载空调在驾驶室休息的需求，文章将某重型商用车配装的柴油发动机搭载的发电机改为发电-电动一体机，通过电机控制器使发电-电动一体机按车辆的使用场景在发电机与电动机两种工作模式下相互切换，并优化发动机曲轴与发电-电动一体机及空调压缩机之间的传动方式，使车载空调可以在发动机曲轴间接驱动与电机直接驱动两种方式间切换，以满足载货车发动机停机时司乘人员使用空调的要求。
【关键词：】车用空调;驻车空调;电动空调;发电-电动一体机
U260.9+2A591953
0 引言
隨着社会经济的发展，载货车驾乘舒适性的提升已经成为提高产品竞争力的方向之一。重型载货车多为长途运输，在其使用过程中经常会遇到堵车、装卸货、休息等非行驶状态，由于其使用场景的特殊性，司乘人员经常需要开启空调让驾驶室降温，而现有的载货车原车空调采用发动机皮带驱动，空调开启时发动机不能停机，发动机怠速的燃油消耗增加了车辆的使用成本，且易对环境造成污染。发动机怠速运转时燃烧不充分，排放的废气中含有CO等大量有害气体，积聚在车辆的周围对司乘人员的生命安全构成严重威胁。为了满足驻车时使用空调的需求，通过后期改装增加一套驻车空调，即利用电瓶供电的外挂空调来满足驻车时驾驶室的制冷需求。常见的有如下几种：（1）顶置式驻车空调采用一体机结构，安装在驾驶室天窗位置，结构简单，但运转噪声大，隔振与密封材料老化易导致密封处漏水;（2）背包式驻车空调采用了家用壁挂式空调的外形，外机挂在驾驶室背后，内外机距离短，效率高，但行车过程中的振动容易导致空调制冷铜管断裂;（3）并联式驻车空调安装一个独立的压缩机与冷凝器，并接入原车的空调系统，但安装难装大;（4）赵强[1]提出的双动力源车用空调压缩机传动系统利用行星齿轮机构，通过电机与发动机皮带的混合驱动既满足驻车空调的需求，又使系统结构得以简化。
在上述研究的基础上，本文通过对车载空调系统驻车时使用工况的分析，提出了一种新的驻车空调系统结构。结果表明，本文提出的方案具有结构简单、成本低的特点，具备很好的工程应用前景。
1 方案设计
本文通过将车载发电机改造成发电-电动一体机，并优化曲轴与发电-电动一体机、空调压缩机的传动方式，通过电机控制器在发动机停机时使发电-电动一体机作为电动机使用来驱动空调压缩机的运转，满足司乘人员驻车时使用空调的要求。其结构原理如图1所示。
当发动机工作时，发动机曲轴皮带轮通过传动皮带Ⅰ及单向皮带轮带动发电-电动一体机、电机皮带轮一起旋转，此时发电-电动一体机工作在发电机状态，为整车电器供电及电瓶充电，同时通过传动皮带Ⅱ带动电磁离合器空转;当驾驶员通过空调控制系统开启空调时，电磁离合器吸合带动空调压缩机工作为驾驶室制冷。
当发动机停机时，驾驶员通过空调控制系统开启空调需满足两个条件：
（1）电机控制器需要检测并确认发动机停止运转信号。
（2）电机控制器需要检测电瓶电压，当电瓶电压>22.5 V时才可启动空调，以避免空调系统过度消耗蓄电池电量导致整车无法启动。
当上述条件满足时，电机控制器使发电-电动一体机工作在电动机模式下，由电瓶供电驱动发电-电动一体机运转，并由电机皮带轮、传动皮带Ⅱ带动电磁离合器壳空转。同时，空调控制器控制电磁离合器吸合带动空调压缩机工作为驾驶室制冷，并控制电子风扇运转，此时发电-电动一体机上的电机皮带轮外圈因为传动皮带Ⅰ的阻力作用保持静止，内圈则随电机一起旋转。
2 主要参数
本文方案基于某品牌的所配装的11 L国六柴油发动机所搭载的电动机及空调压缩机进行方案设计，发动机、发电机、空调压缩机的主要性能参数如表1～3所示。
2.1 发动机的性能参数
2.2 发电机的性能参数
2.3 空调压缩机的主要参数
排量为155 cc的空调压缩机在工况为Pd/Ps=1.650/0.284 MPa（A），SC/SH=5/10 ℃时的性能如表4、图2所示。
3 设计校核
根据表1～3的数据可以计算出原车发动机曲轴皮带轮直径D曲轴、电机皮带轮直径D电机、空调压缩机皮带轮直径D压缩机的比为：
由此可知，当发动机工作时，空调压缩机的最低及最高工作转速分别如下：
n压缩机min=D曲轴D压缩机×n怠速Ⅱ=206119×800=1 385（r/min）
n压缩机max=D曲轴D压缩机×n=206119×1 900=3 289（r/min）
当发动机停止工作时，发电-电动一体机驱动空调压缩机工作，需综合考虑空调制冷性能、系统续航能力及成本。因商用车供电系统采用24 V电源，由P=U×I可知，当电机功率过大时会导致供电线路的电流过大，而电流过大会引起线路发热。为避免供电线路过热产生安全事故，需采用大直径线缆供电;为了提高驻车时空调系统的使用时间，需采用多组电瓶并联的方案来增大蓄电池的容量。因此，驻车时用电驱动空调压缩机不能一味地追求制冷性能，应在满足用户基本需求的情况下尽量减少蓄电池电量的消耗。根据市场调查结果[2]，当室外温度为35 ℃时，驾驶室温度维持在26 ℃左右，用户在驾驶室休息时感觉较为满意。因此，将驾驶室温度维持在26 ℃作为驻车时空调压缩机的制冷量需求，来核算发电-电动一体机在作为电动机使用时的输出功率。
重型卡车驾驶室开启空调维持驾驶室内温度为26 ℃时，夏季时驾驶室各时刻总体冷负荷如表5所示[3]。
由表5可知，驾驶室需要的最大冷负荷为4 094 w;根据图2所示，当空调压缩机制冷量在4 094 w时，空调压缩机转速为n′压缩机=1 454 r/min，需要消耗的功耗为P′压缩机=1.8 kW;由表2、表3电机皮带轮直径D电机与压缩机皮带轮直径D压缩机可求得电机转速为：
n电机=D压缩机D电机×n′压缩机=11960×1 454=2 884（r/min）
根据电机改造要求，取电机设计转速为3 000（r/min）。
考虑电机的效率、传动损失及功率储备要求，发电-电动一體机的额定功率按压缩机的实际需求功率的1.1倍计算，可知发电-电动一体机的额定功率为：
P电机=1.1×P压缩机=1.1×1.8=1.98 kW
综上，改造后的发电-电动一体机的性能参数如表6所示，即可满足驻车空调的使用要求。
目前驻车空调后装市场根据用户需求，加装的最大容量的蓄电池为Q=220 AH，商用车采用U=24 V电压供电系统，可以测算出驻车时采用蓄电池给发电-电动一体机供电驱动空调压缩时最短可连续使用的时间t为：
t=Qp电机×U=2201 980×24=2.67 h
4 结语
综上所述，采用发电-电动一体机对现有载货车辆的空调系统进行改造，只需对发动机上的发电机、空调压缩机布置方案进行局部优化，即可完成对整车动力系统的重新配套。此方案无须改变整车空调系统布置及零件，不影响整车的生产效率，整车厂对方案变更的可接受程度较高。由于方案优化只涉及发动机上的零件，针对售后市场需加装驻车空调的客户，具有改装成本低、方案简单的特点，无车辆的外观改变引起的违法风险。本方案共用了原车空调系统且在不改变其制冷性能的条件下，解决了载货车用户驻车或停车待货时在驾驶室休息的舒适性难题。现有载货车辆车载蓄电池最大的容量为220 AH，按本方案的电机功率核算，蓄电池的电量仅能维持驻车空调系统持续工作3 h左右，与用户实际希望在不启动发动机的情况下使用8 h的时长存在差异。目前可根据具体的客户需求，通过并联蓄电池来增大电池容量的方案来提高续航能力。但此方案会使整车成本及空载质量增加，影响车辆的燃油经济性及载货重量。因此，除了优化空调系统的能效比外，后续改进方向主要是通过PI控制[4]来优化电驱动空调压缩机工作时的能耗，以及提升车辆驾驶室绝热保温性能来降低车辆驾驶室的总冷负荷。
参考文献：
[1]赵 强.双动力源车用空调压缩机传动系统研究[J].青岛大学学报，2019（4）：66-70.
[2]李育方.双空调系统在商用卡车上的应用[J].装备制造技术，2020（4）：136-138.
[3]陈家祥，王宜义.空调车室传热数学模型及冷负荷计算[J].西安交通大学学报，1992（1）：117-124.
[4]梁长飞，孔令静，伍晓苏.基于PI控制的电动汽车低能耗电动空调策略研究[J].汽车电子，2020（10）：35-38.
猜你喜欢 发电 “发电”环球时报(2022-06-15)2022-06-15光伏发电“照亮”乡村振兴路老区建设(2022年6期)2022-04-14含风光发电的互联电力系统自动发电控制论述科学家(2021年24期)2021-04-25利用寒冷夜空发电的奇妙设备疯狂英语·新阅版(2020年3期)2020-09-22会发电的“大风车”七彩语文·低年级(2020年3期)2020-04-14风/光互补发电系统的优化设计智富时代(2018年2期)2018-05-02风/光互补发电系统的优化设计智富时代(2018年2期)2018-05-02随身携带的小发电机军事文摘·科学少年(2016年8期)2016-11-02自行车发电中学科技(2016年8期)2016-09-27垃圾发电的潜力瞭望东方周刊(2016年26期)2016-07-19