CN105620223A - 一种用于混合动力空调的电动机控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于混合动力空调的电动机控制方法，所述混合动力空调包括压缩机、扭矩分配装置，一发动机与一电动机通过所述扭矩分配装置驱动所述压缩机，所述发动机停止工作期间，由所述电动机驱动所述压缩机；所述发动机驱动所述压缩机期间，所述电动机不停止工作。因而电动机可以为发动机提供辅助的驱动力，使发动机转速与空调压缩机转速解耦，能够根据空调压缩机自身的效率特点，选择更高效的驱动方式，提高能量利用效率。

Description

一种用于混合动力空调的电动机控制方法

技术领域

本发明涉及空调控制领域，尤其是一种用于混合动力车辆的空调控制方法。

背景技术

为了兼顾混合动力车辆的驱动模式特点和使用者对空调的随时性需求，目前混合动力车辆中一般使用电动空调。但是电动空调使用蓄电池进行供电，即使利用发动机启动时对蓄电池进行供电，也不能保证蓄电池中随时都有足够的电量对空调进行随时供电。对于大型车辆如客车、公交车，空调的供应空间范围大，需要压缩机输出较大的功率，蓄电池供电不足的情况更为明显。对于混合动力专用空调，目前研发还在初级阶段，但是其主要思路都是结合电动空调和机械空调的特点：当发动机怠速(停止)时使用电动机驱动空调压缩机，发动机启动后利用发动机直接带动空调压缩机旋转。存在如下问题：

1.需使用可变容积压缩机或双压缩室压缩机，二者都会导至成本升高。

2.发动机驱动空调压缩机时属于直接机械驱动，压缩机输出效率与发动机转速有一定的关系，发动机驱动压缩机时不能由压缩机自由地选择其高效转速区，造成能量的浪费；

3.电动机驱动与发动机驱动切换过程存在驱动力突变，使压缩机转速突然升高或降低，减少压缩机使用寿命；

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于混合动力空调驱动的电动机控制方法。该混合动力空调一方面能够被发动机驱动，另一方面能够被电动机所驱动。本发明的特点在于，所述电动机提供驱动力并不限于发动机停止工作期间，因而在发动机驱动空调期间，电动机能够提供辅助的动力，以减小驱动空调的能量消耗。

为了实现以上目的，根据本发明的方法，一种用于混合动力空调的电动机控制方法，所述混合动力空调包括压缩机、扭矩分配装置，一发动机与一电动机通过所述扭矩分配装置驱动所述压缩机，所述发动机停止工作期间，由所述电动机驱动所述压缩机；所述发动机驱动所述压缩机期间，所述电动机不停止工作。所述的“电动机不停止工作”是对应“电机停止工作”非言，所谓“电机停止工作”是指电机停止电流供应，任其自由转动；除此之外的电机正转、反转、转子因电流供应而抱死、机械抱死等都属于“电动机不停止工作”的范围。因而电动机可以为发动机提供辅助的驱动力，使发动机转速与空调压缩机转速解耦，能够根据空调压缩机自身的效率特点，选择更高效的驱动方式，提高能量利用效率。

根据本发明的一个实施例，所述发动机驱动所述压缩机期间，所述电动机以如下方式工作：发动机转速低于阈值V₀时，电动机以增加压缩机转速的方式工作；发动机转速等于阈值V₀时，电动机抱死不转动；发动机转速高于阈值V₀时，电动机以降低压缩机转速的方式工作。由于电动机的辅助作用，能够提供更舒适的制冷效果，使空调压缩机一直以理想或恒定的功率输出，避免车舱内出现“骤冷”环境变化。

根据上述实施例，所述阈值V₀由压缩机的目标转速确定。压缩机实时确定目标转速，即是实时确定环境需求，根据此环境需求来决定发动机应当提供的动力输出，当不足此输出时，由电动机补足；当高于此输出时，由电动机消耗，进一步提高车舱的舒适度。

根据上述实施例，所述阈值V₀也可以为一确定值。由于压缩机效率特性已经是我可以确定的，即在某一区间其效率呈现最大值，而发动机在车辆驱动过程中也可以一直保持某一转速区间(这由车辆驱动控制策略决定)，所以在这种情况下不必要实时进行压缩机转速计算，只需要固定压缩机的输出即可，即固定发动机对压缩机驱动转速阈值V₀，降低空调控制的复杂程度。

根据本发明的另一种实施方式，其中所述压缩机包括制冷济流体压缩腔室和以及能够被机械驱动的压缩杆，所述方法包括多个步骤，所述多个步骤包括预先检测发动机介入，在发动机介入前降低电动机转速、包括确定压缩机目标转速，和确定电动机工作方式。

根据本发明的又一种实施方式，所述发动机停止工作是由车辆发动机的自动停止和重新起动功能确定的自动停止。

根据本发明的又一种实施方式，所述发动机停止工作是由车辆加速请求确定，如检测制动踏板的状态。

附图说明

以下通过非限制性示例给出的关于附图的描述将解释本发明以及其可以被实现的方式。

图1是包括具有单个压缩腔室压缩机的混合动力车用空调回路图。

10是发动机，11是发动机皮带轮，12是发动机ECU，20是扭矩分配装置，30是空调压缩机，31是蒸发器，32是冷凝器，33是空调ECU，40是电动机，41是电动机控制器，42是动力电源。

具体实施方式

图1是混合动力车辆用空调的运行回路，包括制冷用压缩机30，用于将流体制冷剂压缩成高温高压气体，经循环回路流经冷凝器32，，初始为气相的制冷剂以液态离开冷凝器32。在图1的示例中，冷凝器32可以是水类型交换器，或直接由外部空气冷却的空气类型交换器。

制冷剂流体之后进入蒸发器31之前被冷却，之后，通过鼓风机(图中未示出)将制冷剂温度效应吹向车舱内，使车辆的车舱空间与冷却剂之间发生热交换。制冷剂流体从蒸发器31离开时被重新加热，随后被返回至压缩机30，以执行新的循环。

以上过程是空调压缩机工作的一般流体回路过程，对于任何类型的压缩机都是以该方式进行流体循环的，此处说明只是为了更好地理解本发明技术方案，并不是对本发明技术方案所做的限定。

如图1所示，空调压缩机30可以是容积式压缩机，往复式压缩机，离心式压缩机的任意一种，以容积式压缩机为例，包括压缩杆与腔室，其中腔室用于容缩制冷剂流体，压缩杆用于改变腔室的体积。压缩杆能够被车辆的发动机的曲轴的经由皮带和带轮11驱动，所述皮带和带轮11通过离合器(图中未示出)机械地链接到压缩杆，而且，在另一种情况下，压缩杆同样能够被车辆单独设置的电动机40所驱动。

在本发明中，发动机10与压缩机30、电动机40与压缩机30之间还应当设置有扭矩分配装置20。所谓扭矩分配装置是用于将发动机10和电动机40的扭矩以合理的比例进行分配并输出，以使压缩机30能够获得需要的合适的扭矩。事实上，所谓扭矩分配装置还是一种转速分配装置，使发动机和电动机分别以不同的转速输入，以使压缩杆获得需要的合适转速。具体地讲，该扭矩分配装置应当具有至少2个可独立输入的扭矩输入端1和扭矩输入端2，分别连接发动机曲轴和电动机机轴；具有至少1个输出端，连接空调压缩机的压缩杆。该扭矩分配装置的扭矩输入端1和扭矩输入端2与输出端之间具有固定的扭矩值代数关系，可以是线性或非线性的。根据上述的启示，该扭矩分配装置可以是行星排结构，一般包括太阳轮、齿圈、行星架作为动力输入和输出端，例如，以太阳轮和齿圈分别作为动力输入端，以行星架作为动力输出端。该扭矩分配装置还可以是具有平行轴和齿轮结构的双动力输入变速器，这种变速器具有两个平行的输入轴以及一个输出轴，已在专利文件中已有记载，且符合本发明所应用的混合动力空调的动力驱动特点。

对于混合动力车辆，空调的驱动方面与普通燃油/气车辆并不相同。一般发动机的曲轴与皮带轮相机械连接，压缩机的压缩杆通过皮带和皮带轮被发动机驱动，二者之间形成固定的扭矩或转速传动比。而发动机的转速决定于车辆运行工况，转速变化频繁剧烈，导致空调压缩机的转速也被迫时高时低地变化。此时空调作为“附属”部件，不能自主调节其输出功率，使车舱内环境呈出“不舒适”的状态。混合动力车辆的出现，使这种“不舒适”更加明显，因为混合动力车辆在一些情况下，空调压缩机不再由车辆的发动机驱动，且因此，空调回路停止操作并不能再保证维持车舱内部的舒适温度，尤其是在由用于发动机的自动停止和起动的系统确定的发动机停止阶段期间的情况。

已有的针对混合动力空调控制的解决方案是使用发动机-电动机两用空调，即发动机驱动期间由发动机机械驱动空调压缩机，发动机停止期间由电动机驱动空调压缩机。但是这种两用空调并不能改变发动机驱动期间的空调压缩机转速不独立，车舱温度不舒适的问题。为了确保空调在车舱中的持续性以及车舱的舒适性，发动机驱动空调压缩机时应当充分考虑到空调压缩机所“需要”输出的功率，而不是使空调压缩机被动地接受“必须”输出的功率。

为了空调压缩机转速不能独立于发动机转速的问题，本发明提供了一种用于控制混合动力车辆空调的方法，该方法包括检测发动机转速的步骤，在发动机转速大于0的状态下，电动机不停止工作。使用这种方法，可以使电动机与发动机转速耦合，使耦合后的输出转速满足环境温度对空调压缩机的转速需求。

需要说明的是，基于混合动力车辆驱动的特点，一般车辆由静止启动至低速行驶时，由于在该工况区域内发动机燃油效率较低，发动机并不启动，此时由车辆驱动电机进行车辆驱动；至车速达到一定值，或者驾驶员有强烈的加速意愿时，发动机被迫启动，参与车辆驱动。混合动力空调就是结合了车辆驱动的这一特点，使发动机停机期间，利用电机驱动空调压缩机，而发动机启动后，主要利用发动机的能量驱动压缩机。故在整个空调运行过程中，电机的角色可能由两部分构成：主要驱动功能和辅助驱动功能。

所谓的驱动功能模式下，电动机按照空调的需求以指定的功率向空调压缩机输出，这是大多数电动空调的工作方式，在本发明中不再赘述。

所谓的辅助驱动功能模式下，由于发动机已经启动，并向扭矩分配装置输出扭矩和转速，此时空调压缩机接收的功率已经不仅仅来自于电动机，还来自于发动机。为了使发动机的功率灵活地传递于压缩机，电动机的作用是分享一部分发动机的转速，或者向发动机提供一部分辅助转速。假设某一时刻，发动机转速为V₁，该参数由车辆行驶工况决定，电动机转速为V₂，压缩机需求转速为V₃，扭矩分配装置中由发动机端输入轴至压缩机端输出轴的速比为n₁，由电动机端输入轴至压缩机端输出轴的速比为n₂，则上述参数应当满足：

V₁n₁+V₂n₂+V₃＝0

由于发动机转速V₁由车辆工况确定，n₁、n₂速比由扭矩分配装置决定，所以通过调节电动机转速V₂的大小及方向，可以任意调节输出至压缩机的转速V₃。

故本发明提供的电机控制方法还包括以如下方式工作：设置一发动机转速阈值V₀，若发动机转速V₁<V₀时，电动机以增加输出转速V₃的方式工作，此时电动机从动力电源获取电能，转化成机械能以增加输出转速V₃；若发动机转速V₁＝V₀，电动机抱死不转动，可以采用机械的抱死方式或者电磁抱死方式；若发动机转速V₁>V₀时，电动机以降低输出转速V₃的方式工作，此时电动机回收多余的机械能，用于给动力电源充电。通过上述方式运行电动机，能够使输出转速V₃，即压缩机转速控制在适当的范围内。

所述压缩机的适当转速范围，可以是考虑到(车辆)外部温度、阳光和相对湿度程度，车内温度以及向空调输入的目标温度命令。根据上述参数，绘制出达到目标温度压缩机的功率-速度曲线，从该曲线上选取压缩机效率最高的转速范围，即为压缩机的适当转速范围。上述的压缩机的功率-速度曲线可以是与压缩机本身特性相关的固定曲线，也可能是基于条件变化的压缩机不同时刻所表现出来的功率-速度曲线，这并不影响本发明方法的实施。当然，还存在另一种情况，在考虑到同样功率等级的压缩机的特性相差不大的情况下，指定压缩机的转速范围，省去了重新绘制曲线的步骤，使控制更加简单。

根据以上分析，本发明的发动机驱动空调压缩机过程中，使电动机保持不停止工作的方法涉及到多个步骤，所述多个步骤包括

1)预先检测发动机介入，在发动机介入前降低电动机转速。在发动机停止的情况下，由电动机驱动空调压缩机。故在发动机启动时，车辆车舱大体上已经处于较为舒适的温度，如果此时电动机继续保持驱动功能模式转速不变，发动机的介入将使压缩机转速突然增大，车辆空调将出现“瞬间骤冷”的感觉，而且空调运行声音变大，破坏用户体验。在发动机介入前，先将电动机转速调至合适的范围，然后将发动机引入压缩机驱动，就能避免出现上述的情况。发动机介入的预先检测可以通过发动机ECU发送的转速信号(也可能通过CAN总线接收)，也可以直接通过来自于踏板的加速信号获取。

2)确定压缩机目标转速。该步骤事实上是确定一个转速范围，通过计算测量，也可以直接设定，通过该转速范围，结合发动机转速，以对电动机进行相应的控制。

3)确定电动机的工作模式。通过压缩机目标转速和发动机的转速控制电动机的工作模式为转动或者不转动，以增加输出转速V₃的方式工作或以降低输出转速V₃的方式工作。

由于本发明方法中电动机大部分工作时间提供辅助驱动力，电动机的实际功率可以适当地处于较低的数据范围内，可以设想使用具有或不具有电刷的电动机，其由低电压直流电流(特别是由车辆的12V网络提供)供电，也可以由混合动力车辆驱动电机的动力电池(一般动力电池电压300-600V)供电，电流源可以是动力电池或者装备有或不装备有储存电容器的额外单元。

Claims (7)

1.一种用于混合动力空调的电动机控制方法，所述混合动力空调包括压缩机、扭矩分配装置，一发动机与一电动机通过所述扭矩分配装置驱动所述压缩机，其特征在于，所述发动机停止工作期间，由所述电动机驱动所述压缩机；

所述发动机驱动所述压缩机期间，所述电动机不停止工作。

2.根据权利要求1所述用于混合动力空调的电动机控制方法，其特征在于，所述发动机驱动所述压缩机期间，所述电动机以如下方式工作：

发动机转速低于阈值V₀时，电动机以增加压缩机转速的方式工作；

发动机转速等于阈值V₀时，电动机抱死不转动；

发动机转速高于阈值V₀时，电动机以降低压缩机转速的方式工作。

3.根据权利要求2所述用于混合动力空调的电动机控制方法，其特征在于，所述阈值V₀由压缩机的目标转速确定。

4.根据权利要求2所述用于混合动力空调的电动机控制方法，其特征在于，所述阈值V₀为一确定值。

5.根据权利要求1所述用于混合动力空调的电动机控制方法，其中所述压缩机包括制冷济流体压缩腔室和以及能够被机械驱动的压缩杆，所述方法包括多个步骤，所述多个步骤包括预先检测发动机介入，在发动机介入前降低电动机转速、包括确定压缩机目标转速，和确定电动机工作方式。

6.根据权利要求1所述用于混合动力空调的电动机控制方法，所述发动机停止工作是由车辆发动机的自动停止和重新起动功能确定的自动停止。

7.根据权利要求1所述用于混合动力空调的电动机控制方法，所述发动机停止工作是由车辆加速请求确定。