CN202480828U - 车用电动空调系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种节能型的车用电动空调系统。该车用电动空调系统包括空调机组(1)、空调变频器(2)、高压发电机(3)、发电机控制器(4)、储能器(5)，所述空调机组(1)为设置于汽车顶部的一体化空调机组，所述高压发电机(3)由汽车发动机曲轴(6)通过皮带驱动，所述发电机控制器(4)分别连接所述高压发电机(3)、所述空调变频器(2)和所述储能器(5)，所述储能器(5)与所述空调变频器(2)连接。本实用新型用于燃油汽车上可节油18％以上。

Description

车用电动空调系统

技术领域

本实用新型涉及汽车空调领域，特别是涉及一种车用电动空调系统。 

背景技术

为满足人们不断提高的舒适性要求，空调系统已成为现代汽车上必不可少的设备。 

传统燃油车上装置的车用空调系统多采用分体式布置，空调压缩机多采用活塞式压缩机，安装在发动机前端由发动机曲轴通过皮带传动来驱动，该压缩机能效比较低，约为2.5～2.8，消耗发动机功率约6KW；冷凝器、冷凝风机和蒸发器、蒸发风机安装于车顶，冷凝风机和蒸发风机由发动机曲轴带动的24V低压励磁发电机来供电，冷凝风机和蒸发风机均采用小安装角的高速风机，噪音大，且空调系统制冷产生的冷风需经汽车车厢内的冷气通道吹入车厢，存在能量的损失，再则，低压励磁发电机的利用率较低，约为60%，因此，用3KW的发电机驱动冷凝风机和蒸发风的运行需消耗发动机功率约5KW。综上，普通的空调系统消耗功率约为11Kw，综合能效比仅为1.7～1.8，以公交车每天行驶14小时计，空调消耗的能量约150Kw·h，耗油约40升，占燃油车每天用油的30%左右，在等红灯等状况下停车时若要空调不停止运行，还要求发动机不熄火怠速运转，并且其怠速时的功率设计要比不装空调的燃油车发动机怠速功率大，使装有空调系统的燃油车即使不使用空调，其耗油量也比不装空调的燃油车大很多。另外，分体式布置的空调系统制冷剂循环管道很长，容易造成制冷剂泄漏，不仅造成浪费且污染环境，而且空调安装工序复杂。 

发明内容

本实用新型所要解决的问题是克服上述现有技术的缺陷，提供一种节能型的车用电动空调系统。 

本实用新型的技术方案是：本实用新型包括空调机组、空调变频器、高压发电机、发电机控制器、储能器，所述空调机组为设置于汽车顶部的一体化空 调机组，所述发电机由汽车发动机曲轴通过皮带驱动，所述发电机通过所述发电机控制器与所述空调变频器和所述高压储能器电连接，所述高压储能器与所述空调变频器电连接。 

所述高压发电机采用永磁发电机，所述皮带采用同步带。 

所述发电机包含高速绕组和低速绕组，其中，所述高速绕组由三组线圈星形连接组成，所述低速绕组是由所述高速绕组的三组线圈再各串联连接一组线圈组成。 

所述发电机控制器包括整流模块、绕组选择开关、BUCK电路、主控PCB，所述整流模块输入端分别连接所述高速绕组和所述低速绕组的输出端，所述整流模块输出端连接所述BUCK电路的输入端，所述BUCK电路的输出端连接所述高压储能器,所述主控PCB中设置有发电机转速监控模块、绕组选择模块、PWM输出控制模块、电流采集模块、电压采集模块，所述发电机转速监控模块连接发电机转速传感器、所述PWM输出控制模块和所述绕组选择开关，所述绕组选择开关连接所述整流模块，所述PWM输出控制模块连接所述BUCK电路控制其输出；所述电流采集模块连接所述PWM输出控制模块和串联在所述BUCK电路输出端的电流互感器；所述电压采集模块并联在所述BUCK电路（43）输出端并连接所述PWM输出控制模块。 

所述BUCK电路由IGBT模块、续流二级管和电感组成。 

所述储能器采用346V/70AH的锂离子电池模块。 

所述发电机控制器中设置有DC/DC转换模块，所述发电机控制器通过该DC/DC转换模块连接车载24V低压电池。 

所述空调机组包括机壳、压缩机、冷媒储液罐、冷凝器、冷凝风机、蒸发器、蒸发风机、导流圈，所述机壳内由隔板隔成前腔和后腔，所述冷凝器以上部向后倾斜的方式设置于所述前腔的前部，对应所述冷凝器在机壳前部设置相适配的冷风进口，所述冷凝风机、所述压缩机和冷媒储液罐均设置于所述前腔内中部，对应所述冷凝风机在机壳上部设置相适配的热风出口，所述蒸发器和所述蒸发风机设置于所述后腔内，所述蒸发器设置所述蒸发风机的周圈，对应所述蒸发器和所述蒸发风机在所述机壳下部从汽车车厢内连接所述导流圈，所 述导流圈内圈下部中央设置热气进口，所述导流圈下部外圈设置冷气出口。 

所述冷凝风机采用转速为600～800转/分钟的轴流风机，其风叶的进口安装角为0～50°、出口安装角为90°～150°；所述蒸发风机采用转速为600～800转/分钟的离心风机，其风叶的进口安装角为0～50°、出口安装角为100～160°。 

所述压缩机采用卧式电动涡旋压缩机或卧式转子式压缩机。 

本实用新型采用上述方案，能产生如下所述的有益效果： 

1.发电效率高、系统结构简单、易于实现：本实用新型用高压发电机可以安装在普通空调压缩机的位置，由发动机曲轴通过皮带驱动，高压发电机采用永磁发电机或高效励磁发电机，大大提高了发电效率；本实用新型发电机控制器分别连接高压发电机、空调变频器和储能器，储能器又与空调变频器连接，高压发电机发出的电经发电机控制器输出高压直流电，再经空调变频器驱动空调机组运行，也可直接给储能器充电后由储能器经空调变频器驱动空调机组运行；高压发电机也可以取代原低压发电机装置于原车载低压发电机的位置，再在发电机控制器中设置DC/DC转换模块，发电机控制器通过该DC/DC转换模块连接车载24V低压电池，以供汽车上的低压电器用电。 

2.节能：本实用新型的冷凝器以上部向后倾斜的方式设置于冷凝室的前部，可在汽车前进时使空气流有效的对冷凝器进行冷却；冷凝风机和蒸发风机均采用低转速风机，冷凝风机和蒸发风机的风叶均具有较大的安装角，具有较大的迎风面积，使风机不需要有太大转速即能有较大的风量，使得电机消耗很低的功率（据实际测量，本实用新型的冷凝风机和蒸发风机消耗能量为0.22KW）就能达到预期的通风量，而且噪音小；空调吹出的冷气由导流圈直接吹入汽车车厢，降低了能量损失；本实用新型的压缩机采用卧式电动涡旋压缩机或卧式转子式压缩机，可由动力电池组作电源通过空调控制器直接驱动，与现有普通车用电动空调相比，具有较高的能效比，（据实际测量，本实用新型的压缩机能效比高达3.35，约为现有普通电动空调的1.6倍），其功率消耗（实测为5KW左右）约为普通电动空调的60%时即可达到相同的制冷效果；与现有的燃油车 上空调相比，少了机械的传动部件，减少了传动器件的能量损耗；相比风道送风的分体式空调系统，减少冷媒循环管道，杜绝冷媒泄漏，节省原料且环保。综上所述，本实用新型的空调装置于燃油车上时，节油率可达18%以上，同时因空调系统的运行不受发动机的影响，可在停车时停止运行发动机，新车设计时可选用功率较小的发动机，进一步降低能耗。 

3.重量轻：本实用新型将空调机组进行一体化设计，结构简单、体积小、重量轻，安装简便，本实用新型的空调机组重量（仅200kg）约是普通电动空调的60%，电动大巴每减少130kg重量即可减少1.0%的用电量，相当于减少了电池的费用，进一步节约了成本。 

4.低噪音：本实用新型的冷凝风机和蒸发风机均采用低速转速电机，有效地降低了噪音，可将车厢内空调噪音控制在45分贝以下。 

附图说明

图1是本实用新型的结构框图； 

图2是本实用新型发电机控制器的结构框图； 

图3是本实用新型发电机控制器的电路原理简图； 

图4是本实用新型发电机转速与输出电压的关系图； 

图5是本实用新型发电机发出的电经发电机控制器后输出的电流（即充电电流）和输出功率与发电机转速的关系图； 

图6是本实用新型空调机组的立体结构示意图； 

图7是本实用新型机组的结构分解示意图； 

图8是本实用新型空调单元运行时的空气流向示意图。 

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的实施例作具体详述。 

如图1所示，本实用新型包括空调机组1、空调变频器2、高压发电机3、发电机控制器4、储能器5。 

高压发电机3可安装于原空调压缩机的位置，由汽车发动机曲轴6通过皮带驱动，高压发电机3采用永磁发电机，相比原低压励磁发电机，大大地提高 了发电效率，皮带采用同步带相比传统的V型带，提高了传动效率。 

发电机3通过发电机控制器4连接高压储能器5和空调变频器2。发电机3发出的电经发电机控制器4输出稳定的直流高压电供给空调变频器2；高压储能器5采用346V/70AH的锂离子电池模块，经发电机控制器4输出的直流高压电也可直接给高压储能器5充电后由高压储能器5给空调变频器2供电。 

发电机3也可以安装在原24V车载低压发电机的位置并取代之，在发电机控制器4中还设置有DC/DC转换模块，发电机控制器4通过该DC/DC转换模块连接车载24V低压电池7，以供汽车上的低压用电设备用电。 

发电机3包含高速绕组和低速绕组，其中，所述高速绕组由三组线圈L1、L2、L3星形连接组成，所述低速绕组是由所述高速绕组的三组线圈L1、L2、L3再各自串联连接一组线圈L4、L5、L6组成。如图4所示为发电机转速与输出电压的关系图，由图看出，包含双绕组的发电机1输出电压可利用率区域得到了大大的拓宽。 

如图2、图3所示，发电机控制器4包括整流模块、绕组选择开关、BUCK电路43和主控PCB 44，所述绕组选择开关采用IGBT模块BG1。 

整流模块包括由二极管D1、D2、D3、D4、D5、D6组成的整流电路41和由二极管D7、D8、D9、D10、D11、D12组成的整流电路42，其中整流电路41的输入端连接高速绕组的输出端，整流电路42连接低速绕组的输出端，整流电路42的输出端连接绕组选择开关BG1后与整流电路41的输出端相并联，发电机1发出的电经整流模块整流，再经电容C1滤波后得到一个直流电流输给BUCK电路，BUCK电路43由IGBT模块BG2、续流二级管D13和电感L7组成，BUCK电路输出端串联设置电流互感器，BUCK电路43经电容C2滤波后输出稳定的高压直流电可供空调变频器2用电，也可给高压储能器5充电；BUCK电路43的输出端还连接有DC/DC转换模块，可给车载24V低压电池7充电。 

主控PCB 44中设置有发电机转速监控模块、绕组选择模块、PWM输出控制模块、电压采集模块、电流采集模块，发电机转速监控模块连接发电机转速传感器、PWM输出控制模块和绕组选择开关BG1，PWM输出控制模块连接BUCK电路43、电压采集模块和电流采集模块，电流采集模块连接串联于BUCK电路43 输出端的电流互感器，电压采集模块连接并联在BUCK电路43输出端的电压分压采样电阻R1、R2。 

发电机控制器4的充电控制原理： 

当汽车发动机曲轴6带动发电机3旋转时，发电机转子做切割磁力线的运动产生感应电势，通过接线端子引出接入回路中，便产生了交变的电流，低速绕组产生的电流经整流电路42整流后流过绕组选择开关BG1，高速绕组产生的电流经整流电路41整流后与低速绕组产生的电流并联再经电容C1滤波后，得到一个直流电流，电流流进IGBT模块BG2，BG2对此电流进行了PWM脉宽调制，当PWM ON时，电流流过IGBT模块BG2、电感L7、二极管D13对高压储能器5充电，此时L7开始储能，由于电感的作用，使得此时的电流形成一个上升的过程；当PWM OFF时，IGBT模块BG2关断，由于L7中储存了电量，所以电流经二极管D13、高压储能器5，二极管D13放电，此时的电流形成一个下降的过程；如此重复这两个过程，因此在L7端产生一个连续的三角波电流波型；此电流流过电流互感器后，产生一个信号送到电流取样电路中进行处理，当输出的电流大于恒流值时，主控PCB 44减小PWM ON时间，即占空比减小，当输出的电流小于恒流值时，主控PCB 44增加PWM ON的时间，即占空比增加，从而达到恒流充电的效果。为防止储能部件出现过充现象，当电压采样模块测出高压储能器5电压过高时，由主控PCB 44控制IGBT模块BG2关断，停止对其充电。 

如图4所示，由于发电机3是与发动机联动的，随着发动机转速而变化，发电机3输出的电压也跟着变化。怠速时，发电机3输出电压低，满足不了储能部件的充电要求（车用电池电压范围346V～370V），加之，怠速时发动机带载能力不足，此时强行带载发电，容易熄火，所以理想方案应定在800rpm以上才进行充电。联动发动机运行在低速区时，如图3中所示的BG1闭合，此时发电机3的高速绕组与低速绕组共同参与发电，800rpm～1400rpm时输出电压从300多伏上升到600伏，假如此时转速再加快时，输出电压就会超过600伏，电压过高容易损坏电路中的元器件，为了克服这个问题，当转速超过1400rpm 时，如图3中所示的BG1断开，此时，发电机中的低速绕组不参与发电，输出电压下降到安全范围；此时进入发动机的高速区，发电机只有高速绕组参与发电。如图5所示，由于发动机在不同的转速下的带载能力不同，如采用固定恒流充电的话，在低转速时，负荷过大，动力不足，高转速时，发电效果不好等。所以发电机3对高压储能器5的恒流充电电流及其输出功率不能固定为一个点，应跟根不同的转速动态调整恒流点。 

发电机控制器5供电给空调变频器2的控制原理： 

发电机3发出的电流经整流滤波后，通过BUCK电路43调节后，再经C2滤波后，提供给空调变频器2，当发电机3电压升高时，此时电压采集模块测试出输出的电压高于恒压基准点，主控PCB 44减小PWM输出的占空比，输出电压下降，当发电机3电压降低时，电压采样模块测试出输出的电压低于恒压基准点，主控PCB 44增加PWM输出的占空比，输出电压上升，形成恒压供电过程。但由于发电机不同转速的带载能力有所差异，为了防止带载过重造成发电机3打滑或与发电机联动的发动机熄火等现象，使得用电设备断续工作，可在电路中加入了受发电机3转速控制的空调功率调节模块，当主控PCB 44检测到转速低时，输出信号控制空调变频器2，减小空调的输出功率，当转速高时，输出信号控制空调变频器2，增加空调的输出功率，使负荷能满足发电机3的发电要求。 

如图6所示，空调机组1为设置于汽车顶部的一体化空调机组。 

如图7所示，空调机组1包括机壳101、压缩机102、冷媒储液罐103、冷凝器104、冷凝风机105、蒸发器106、蒸发风机107、导流圈108，机壳101包括上壳1011、底盘1012、隔板1013、面板1014，所述机壳101内由隔板1013隔成前腔和后腔，冷凝器104以上部向后倾斜的方式设置于前腔的前部，对应冷凝器104在上壳1011前部设置相适配的冷风进口，冷风进口处设有加强骨架1015；冷凝风机105设置于前腔内中部，对应冷凝风机105在上壳1011上部设置相适配的热风出口，热风出口处装置有隔栅1016，压缩机102和冷媒储液罐103分别设置于冷凝风机105两侧，压缩机102采用卧式电动涡旋压缩机 或卧式转子压缩机；蒸发器106和所述蒸发风机107设置于后腔内，蒸发器106设置于蒸发风机107的周圈，蒸发器106下部装有接水盘109，对应蒸发器106和蒸发风机107在底盘1012下部从汽车车厢内连接导流圈108，导流圈108内圈下部中央设置热气进口处装置有过滤网1081，过滤网1081下部装置面板1014，导流圈108下部外圈设置冷气出口；压缩机102、储液罐103、冷凝器104、蒸发器106通过管道相连通，管道上设置干燥过滤器20及膨胀阀21。 

冷凝风机105采用转速为600～800转/分钟的轴流风机，其风叶的进口安装角为0～50°、出口安装角为90°～150°；蒸发风机107采用转速为600～800转/分钟的离心风机，其风叶的进口安装角为0～50°、出口安装角为100～160°。 

如图8所示为空调机组运行时的空气流向示意图，在冷凝风机105的作用下，车顶前部的冷风通过冷风进口经冷凝器104加热后进入机壳101前腔，再从热风出口吹出；在蒸发风机107的作用下，车厢内的热空气经热气进口进入机壳101后腔，再流经蒸发器106变为冷空气从冷气出口吹入车厢以调节车厢内空气为乘客提供舒适温度。 

Claims (10)

1.一种车用电动空调系统，包括空调机组（1）、空调变频器（2），其特征在于：它还包括高压发电机（3）、发电机控制器（4）、高压储能器（5），所述空调机组（1）为设置于汽车顶部的一体化空调机组，所述发电机（3）由汽车发动机曲轴（6）通过皮带驱动，所述发电机（3）通过所述发电机控制器（4）与所述空调变频器（2）和所述高压储能器（5）电连接，所述高压储能器（5）与所述空调变频器（2）电连接。

2.根据权利要求1所述的车用电动空调系统，其特征在于：所述发电机（3）采用交流永磁发电机，所述皮带采用同步带。

3.根据权利要求2所述的车用电动空调系统，其特征在于：所述发电机（3）包含高速绕组和低速绕组，其中，所述高速绕组由三组线圈星形连接组成，所述低速绕组是由所述高速绕组的三组线圈再各串联连接一组线圈组成。

4.根据权利要求3所述的车用电动空调系统，其特征在于：所述发电机控制器（4）包括整流模块、绕组选择开关、BUCK电路（43）、和主控PCB（44），所述绕组选择开关采用IGBT模块（BG1），所述整流模块输入端分别连接所述高速绕组和所述低速绕组的输出端，所述整流模块输出端连接所述BUCK电路（43）的输入端，所述BUCK电路（43）的输出端连接所述高压储能器（5）,所述主控PCB（44）中设置有发电机转速监控模块、绕组选择模块、PWM输出控制模块、电流采集模块、电压采集模块，所述发电机转速监控模块连接发电机转速传感器、所述PWM输出控制模块和所述绕组选择开关（BG1），所述绕组选择开关（BG1）连接所述整流模块，所述PWM输出控制模块连接所述BUCK电路（43）控制其输出；所述电流采集模块连接所述PWM输出控制模块和串联在所述BUCK电路（43）输出端的电流互感器；所述电压采集模块并联在所述BUCK电路（43）输出端并连接所述PWM输出控制模块。

5.根据权利要求4所述的车用电动空调系统，其特征在于：所述BUCK电路（23）由IGBT模块（BG2）、续流二级管（D13）和电感（L7）组成。 

6.根据权利要求1所述的车用电动空调系统，其特征在于：所述储能器（5）采用346V/70AH的锂离子电池模块。

7.根据权利要求1所述的车用电动空调系统，其特征在于：所述发电机控制器（4）中设置有DC/DC转换模块，所述发电机控制器（4）通过该DC/DC转换模块连接车载24V低压电池（7）。

8.根据权利要求1或2或3或4所述的车用电动空调系统，其特征在于：所述空调机组（1）包括机壳（101）、压缩机（102）、冷媒储液罐（103）、冷凝器（104）、冷凝风机（105）、蒸发器（106）、蒸发风机（107）、导流圈（108），所述机壳（101）内由隔板隔成前腔和后腔，所述冷凝器（104）以上部向后倾斜的方式设置于所述前腔的前部，对应所述冷凝器（104）在机壳（101）前部设置相适配的冷风进口，所述冷凝风机（105）设置于所述前腔内中部，对应所述冷凝风机（105）在机壳（101）上部设置相适配的热风出口，所述压缩机（102）和冷媒储液罐（103）分别设置于所述冷凝风机（105）两侧，所述蒸发器（106）和所述蒸发风机（107）设置于所述后腔内，所述蒸发器（106）设置所述蒸发风机（107）的周圈，对应所述蒸发器（106）和所述蒸发风机（107）在所述机壳（101）下部从汽车车厢内连接所述导流圈（108），所述导流圈（108）内圈下部中央设置热气进口，所述导流圈（108）下部外圈设置冷气出口。

9.根据权利要求8所述的车用电动空调系统，其特征在于：所述冷凝风机（105）采用转速为600～800转/分钟的轴流风机，其风叶的进口安装角为0～50°、出口安装角为90°～150°；所述蒸发风机（107）采用转速为600～800转/分钟的离心风机，其风叶的进口安装角为0～50°、出口安装角为100～160°。

10.根据权利要求8所述的车用电动空调系统，其特征在于：所述压缩机（102）采用卧式电动涡旋压缩机或卧式转子式压缩机。 

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