基于电动变频空调的燃油车节油能力研究

王子洲，李敬恩，徐 扬，石秀勇，胡志远

（1.同济大学汽车学院，上海 201804；2.山东朗进科技股份有限公司，济南 271100）

空调是汽车的最大耗能附件。车辆开空调行驶时，空调功率约占发动机输出功率的10%～20%，能耗约占整车油耗的30%。截止2020年12月，全国汽车保有量达2.81亿辆，燃油车占比达98%以上，年消耗汽油约1.27亿吨。按美国再生能源研究室2004年对美国汽车空调油耗占全年燃油消耗量5.5%进行估算，我国汽车空调系统每年消耗成品汽油约1 000万吨，采取措施降低汽车空调系统油耗是实现燃油车节能减排的有效方式之一，有利于降低燃油车的碳排放。

国内外学者对汽车空调系统进行了大量研究，现有的研究主要集中于车辆空调系统与油耗的关系与优化方法。MAYDA等研究了燃油车行驶过程中空调系统对发动机的影响。ZHANG Da等研究了空调系统对整车油耗、排放的影响。PATRICK等通过构建整车模型研究了发动机与汽车油耗的关系。与燃油车普遍采用的机械式空调相比，电动变频空调具有排量小、能耗低和质量轻等特点，将电动空调应用于燃油车上能有效降低其空调油耗。王立功等比较了使用皮带轮空调和改用电动空调的燃油车的动力性和空调油耗，结果表明，使用电动压缩机比皮带轮压缩机在同样负载下能增加动力3.76%、节油17.4%。DAHLAN等使用12 V铅酸电池为空调系统供电，试验发现电动压缩机在降低能耗的同时能实现更好的能量控制。电动变频空调应用于燃油车实际循环的空调油耗改善潜力研究未见报道。

目前有关汽车发电机的研究着重于发电机本体转速及效率的控制，对发电机与汽车实际行驶工况关联进行控制的研究较少。蔡艳波等通过对智能发电机的控制实现整车的用电管理，提高车辆的燃油经济性。徐春建立发电机电子自动调节器，控制发电机任意转速下的发电量，降低车辆油耗和排放。

本文提出一种将电动变频涡旋压缩机应用于燃油车的方案，以配置变排量压缩机的某燃油车为研究对象，建立使用变排空调系统和电动空调系统的整车仿真模型，仿真分析该车在WLTC、CLTC循环工况下的空调油耗，探索电动空调的节油潜力；同时采用选择工况发电策略，提高发电过程的能量转换效率，进一步降低空调油耗。

1 燃油车电动空调系统方案

本文研究的燃油车使用机械式变排空调，发动机通过皮带轮直接为压缩机供能，车辆主要参数见表1。

表1 整车主要参数

电动变频空调系统结构如图1所示。采用电动变频空调系统后，压缩机更换为电动变频压缩机布置于原车空调压缩机位置并沿用原车空调系统蒸发器、冷凝器等部件。增加48 V锂电池为电动压缩机供能，保留原车12 V电池，为空调之外的其他电气设备供电，在48 V电池与12 V电池间增加DC/DC转换器，通过48 V电池为电动压缩机供电和12 V电池充电。同时，在发动机与发电机间增加发电控制器，根据48 V电池荷电状态（SOC）值和发动机转速控制发电机励磁线圈的电流，以控制发电机输出的通断。

图1 电动变频空调系统结构

2 建立仿真模型

通过GT-SUITE软件分别建立使用两种空调系统的整车模型，通过仿真研究原车空调和电动空调系统的油耗变化，分析电动空调系统的节油能力。

2.1 整车模型搭建

原车仿真模型由驾驶员模块、车身模块、发动机模块和空调系统模块构成，使用电动空调后在模型中增加电池模块与发电机模块，仿真模型结构如图2所示。

图2 仿真模型结构

该车原车采用机械斜盘式变排量压缩机，排量范围为5～140 cm/转，通过试验得到该压缩机脉谱图并建立模型。发动机与压缩机通过皮带轮机械连接，传动比为1.18，压缩机的转速由发动机决定，由发动机供能。电动空调系统使用某公司先进电动变频压缩机，电动变频压缩机排量为25 cm，通过该压缩机试验数据在模型中建立电动压缩机模块。此时压缩机与发动机解耦，转速不再相关，由48 V电池供能。通过空调模块模拟空调零部件的换热、车厢换热和压缩机功耗。整车仿真模型如图3所示。其中，发动机模块为台架试验获得的万有特性数据建立的平均值模型，驾驶员模块采用前向仿真方法建立，发电机模块根据原车发电机效率MAP建立，电池模块根据内阻模型建立，空调模块由蒸发器、冷凝器、压缩机、热力膨胀阀和其他辅助部件（车厢模块、鼓风机、空调管路、空调控制器等）组成。采用比例积分微分控制（Proportional-Integral-Derivative Control，PID）控制空调系统，以车内温度和设定温度偏差作为输入。其余模块均根据实车数据建立。

图3 整车仿真模型

2.2 模型标定

本文采用NEDC循环试验数据进行模型标定。NEDC循环车速瞬变性相对较少，工况相对简单，试验误差也较小，因此，采用NEDC循环试验数据对模型进行标定的准确性更高。

空调油耗测量试验在带有阳光模拟系统的整车试验室中进行，为消除试验误差，试验重复2次。试验时，首先进行20 min速度为90 km/h的预运行热车，接着打开阳光模拟系统，浸车保温30 min，随后开始NEDC工况开空调油耗试验。以车厢内降温曲线、发动机燃油消耗率和百公里油耗作为标定参数，对建立的模型进行标定。试验环境参数见表2，试验系统结构如图4所示。

图4 试验系统结构

表2 试验环境参数

NEDC循环下，打开空调时仿真和试验油耗结果见表3。由表3可知，油耗和降温时间的误差均低于5%，满足工程分析要求。

表3 整车模型仿真结果

NEDC循环下，打开空调时车厢内温度变化曲线和燃油瞬态消耗率的仿真和试验结果如图5所示。车辆的降温过程及瞬态燃油消耗率仿真和试验结果基本一致，与试验结果比较，仿真误差均小于5%。当车厢温度降至目标温度后，由于控制策略的影响，车内温度有一定的波动，此时空调处于低负荷状态，波动对整车的油耗几乎无影响。

图5 模型与试验对比

电动压缩机模型根据某公司的电动涡旋式压缩机构建，通过试验获得该压缩机在GBT22068—2018《汽车空调用电动压缩机总成》COP测试工况下的输入功率、制冷功率等参数，测试结果如图6所示。电动压缩机模型在后续仿真部分进行验证。

图6 电动变频压缩机参数

3 仿真结果分析

3.1 电动空调系统与变排空调对比

3.1.1 油耗对比

对模型分别进行NEDC、WLTC、CLTC循环仿真，结果见表4。

由表4可知，NEDC循环下，变频空调系统的空调油耗为0.397 L/100 km，按汽油热值3.4×10J/L换算，约3.73 kWh/100 km，与李维伟的研究结果中3.49 kWh/100 km相似。仿真结果中空调系统总能耗为0.138 kWh，NEDC循环总里程为11 022 m，空调系统实际能耗按热值换算后为0.411 kWh，总效率为33.6%，可理解为发动机平均效率38%，发电过程总平均效率为88%，与建模参数基本相符，因此，电动空调系统模型可靠。

表4 不同空调系统仿真结果

在WLTC循环下，该车使用机械变排空调百公里油耗为6.551 L/100 km，相对不开空调时增加0.95 L/100 km（即为空调系统油耗），增加16.96%；使用电动变频空调百公里油耗为5.835 L/100 km，相对不开空调时增加0.234 L/100 km，仅增加了4.01%。CLTC循环中，使用机械变排空调百公里油耗为7.286 L/100 km，相对不开空调时升高1.343 L/100 km，升高16.96%；使用电动变频空调时百公里油耗为6.261 L/100 km，相对不开空调时升高0.318 L/100 km，仅升高5.08%。行驶过程中，电动空调系统油耗在两个循环下相对机械空调系统油耗分别降低75.4%与76.3%，按照我国汽车空调系统年耗油1 000万吨计算，每年可节省燃料汽油约750万吨。

使用变排及变频空调时压缩机转速及功率如图7所示。由图7可知，采用电动变频压缩机后，电动变频压缩机与发动机解耦，转速不再和发动机转速相关，直接由电池供电，在降温初期即可运行在高转速、高功率工况；变排压缩机通过皮带轮与发动机机械连接，压缩机转速随发动机转速变化而变化。为避免发动机低转速并承担较大负荷时熄火，变排空调在降温初始阶段无法处于高功率工况。在时间占比约89%的维持温度阶段，电动压缩机平均功率约360W，机械变排压缩机平均功率超过1100W，大于电动压缩机。以上原因导致电动空调系统的油耗降低。

图7 压缩机工况对比

循环过程中发动机的功率如图8所示。由图可知，采用电动空调系统后，发动机不再直接为空调系统供能，而是通过发电机为锂电池系统充电，进而由电池为空调供能，循环过程中发动机输出功率普遍小于变排空调系统，整车油耗降低。

图8 发动机功率对比

3.1.2 制冷效果对比

图9为车厢内的温度变化情况，由图可知，电动变频空调在同功率下能效比（COP）高于机械变排空调，降温初始阶段电动变频空调能以较低功率达到与变排空调相同的制冷效果。这是因为，机械变排压缩机的转速由发动机决定，并随着转速变化调整斜盘角度以调节压缩活塞行程，从而使压缩机的制冷能力与车内制冷需求匹配。在实车测试中，机械变排压缩机空调部分时间段制冷功率大于制冷需求，使维持温度阶段的车内温度进一步降低。电动空调因压缩机能根据控制策略自由调整转速，可较好地将车内温度维持在目标值。

图9 车厢内温度对比

3.2 选择工况发电策略

3.2.1 策略拟定

在汽车行驶过程中，由于工况的实时变化，发动机瞬时燃油经济性随之变化。使用NEDC、WLTC、CLTC三种循环工况下的发动机工况模拟车辆实际行驶工况，等间隔提取500组瞬时发动机工况数据如图10所示。由图可知，NEDC、WLTC、CLTC三种循环工况下，发动机主要运行在1 350～2 000 r/min转速、20～100 Nm转矩工况。此时，发电机由发动机提供的机械能发电，当发动机在燃油经济性差的工况下发电可以视作发动机进行低效率发电，能量转换效率相对较低，产生相同的电量需要更多的油耗。选择工况发电是保证产生足够电量的前提下，选出部分发动机燃油经济性较差的区间停止发电机工作，从而变相提高发电机发电效率以达到节油的目的。该车在发动机低转速（850～1350 r/min）工况下的燃油经济性普遍较差，因此，选择通过转速进行区间筛选，使发电机在发动机低转速区间时停止发电。

图10 发动机工况分布

选择工况发电策略控制逻辑如图11所示。锂电池的最佳工作SOC区间为0.3～0.7，过充和过放均不利于锂电池使用寿命，在策略中加入锂电池SOC作为参数。当SOC达到0.7时停止发电，48 V锂电池作为供电源；当SOC低于0.3时，发电机在设定转速区间工作，直到电池SOC回到0.7后发电机停止工作。考虑到实际运行过程中存在发动机长期处于设定发电转速区间外工况，为防止锂电池电量过低或用尽，设置电池SOC降低为0.2时强制发电，即此时发电机在发动机全转速区间发电，SOC回到0.3时重新执行选择工况发电策略。

图11 选择工况发电控制逻辑

3.2.2 应用选择工况发电策略仿真

对使用电动空调后的整车进行全工况发电和采用选择工况发电策略两种方案在WLTC、CLTC循环下进行仿真分析。图12为采用选择工况发电策略发电机的功率及转速。由于各个循环中都存在发动机转速位于850～1350 r/min的工况区间，因此，采用选择工况发电策略后发电机会间歇性停止工作。由于发电机工作时间相对较短，所以使用选择工况发电策略后发电机能耗降低，整车油耗进一步降低。

图12 发电机工况对比

图13为两种发电策略下电池SOC值的变化，其中a为采取选择工况发电策略，b为全工况发电。发电机工况不同导致循环过程中发电机工作时间不同、发电量不同，电池SOC的变化不同。设定循环开始时SOC均为0.3，循环结束时，WLTC循环两种方案的SOC分别为0.404和0.681，CLTC循环两种方案SOC分别为0.511和0.687，差值分别为40.7%和25.6%，低转速区间段越多差值越大。两者均相对于循环开始时的0.3有所增加，因此，采取选择工况发电策略的条件下仍能产生足够电量。

图13 电池SOC对比

图15为采取不同策略的油耗仿真结果。采用选择工况发电策略后，发电机在循环过程中总发电量比全工况发电略有减少，并且减少了发动机的低效率区间的发电，油耗减少。仿真结果表明：对WLTC循环，采用选择工况发电策略后百公里油耗为5.825 L/100 km，空调系统油耗为0.224 L/100 km，相对全工况发电减少4.3%，相对原车变排空调减少76.4%；对CLTC循环，采用选择工况发电策略后百公里油耗为6.261 L/100 km，空调系统油耗为0.297 L/100 km，相对全工况发电减少6.6%，相对原车变排空调减少77.9%，采用选择工况发电策略后，电动空调系统油耗进一步降低。

图14 油耗对比

4 结论

提出了在燃油车上采用48 V锂电池系统、电动变频空调系统，并将空调系统由发动机供能转变为电池供能的方案，对该方案的油耗进行了仿真分析。结果表明，与原车变排空调系统相比，电动变频空调系统的WLTC循环空调系统油耗可降低75.4%，CLTC循环下空调系统油耗降低76.3%。同时在该方案的基础上提出了选择工况发电策略，采用选择发电策略后，电动空调系统WLTC、CLTC循环的空调油耗进一步降低4.3%和6.6%。对燃油车使用电动空调系统和选择工况发电策略具有较好的节油潜力。此外，相对于目前市场上大量定排量空调系统，该方案的节能效果将更加显著。