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从燃油车到电动汽车,空调压缩机也在“新能源化”

Hobby观察 来源:电子发烧友 作者:梁浩斌 2024-06-21 09:07 次阅读

电子发烧友网报道(文/梁浩斌)自1939年,首次在汽车上安装了机械式制冷空调后,空调燃油车到电动汽车,空调系统也产生了不小的变化。

空调压缩机的“新能源化”

在传统的燃油车上,用于制冷的空调压缩机主要是依靠发动机通过带动皮带驱动,即使在发动机怠速时也能运作。而电动汽车由于没有燃油发动机,空调压缩机就需要用到电机进行驱动。

同时,由于电动汽车的散热需求较大,包括电池、电机、主驱逆变器、BMS等都需要进行散热,而这些部件的散热除了传统的风冷之外,还需要空调压缩机参与到这部分的散热当中。

此前有机构对电动汽车进行夏季极端测试时,座舱内空调降温效果不明显,主要原因就是高温环境下空调系统压力增大,而为了系统正常运作,需要优先为电池包以及电机、逆变器等进行散热。

空调压缩机功率有限,由于优先级的不同,就导致了在极端高温环境下,电动车座舱空调降温效果不明显。

除了制冷之外,空调制热上也有所区别。因为燃油车的能量转换效率较低,一般来说会有近50%的能量以热量的形式释放出来,于是在冬天,这些“废热”就能够转变成空调的暖气,向座舱输送。

但电动汽车上,主驱电机配合逆变器的能量转换效率高达90%以上,动力电池在不同工况下发热量不稳定,这也意味着要回收这些核心部件的热量用于空调制热更加困难。

所以初期电动汽车上,空调制热是采用PTC加热,相当于在制冷空调的基础上,加上加热元件对吹出的空气进行加热。虽然结构简单,但这种加热方式能耗较高,会严重影响到车辆续航里程。

所以目前中高端的电动汽车,基本已经普及了热泵空调+PTC辅助的系统。热泵空调是在传统的压缩机制冷循环基础上,通过换向阀等换热器系统进行制冷和制热模式的切换,部分热泵空调系统还有余热回收通道,能够回收电池、电机、逆变器的废热。

现有的热泵空调又可以分为三种类型。第一种是蒸汽压缩式热泵系统,这是在传统的蒸汽压缩式制冷循环基础上通过换向阀进行制冷和制热模式的切换,实现车内空调制热的功能。不过,当室外环境温度过低时,这种热泵系统效率低,在北方冬天零下十多度的情况下,可能基本无法制热。

而为了解决冬季环境气温过低的制热工况,又出现了喷射补气式热泵系统,这是一种高效的热能转换技术,它通过喷射器(增压器)来提升系统的性能。在喷射补气式热泵中,部分排气的高温高压气体被引导至喷射器。喷射器将这部分排气与蒸发器出来的低温低压制冷剂混合。排气的高能量导致混合后的制冷剂温度和压力提升,但总体压力仍低于压缩机出口的压力。混合后的气体进入冷凝器,释放更多的热量,提高了系统的制热效率。同时,喷射器中由于高速气流造成的低压区,可以吸引更多的蒸发器侧的制冷剂进入冷凝器,增加了系统的循环量。

当然,喷射补气式热泵系统明显复杂性提高,成本也更高。

另外还有余热回收式热泵系统,这是在上面提到的热泵系统基础上,增加余热回收的通道,可以将电池、电机、逆变器等部件的低温热量转化为向车内空调供暖的热能,可以理解成能够将这些热量用于辅助热泵工作,降低系统能耗。

不过由于回收余热的管道增多,系统复杂度进一步提高,且对系统的控制策略要求很高。

电动汽车压缩机,跟随高压平台发展

在电动汽车中压缩机不仅仅是用于汽车座舱中的空调,而且是关系到整车三电系统的散热,因此运行功率较大,比如春秋季的压缩机功率消耗一般在300~1000W, 夏冬季多在1000~2500W。所以,作为关系到汽车驱动核心部件的空调压缩机,就被集成到整车的高压系统中,由核心电池包直接供电

比如此前电动汽车的平台电压普遍在400V左右,相应地电动汽车的空调压缩机的额定电压都在400V的水平。而最早用上800V电压平台的保时捷Taycan,最早就由于供应链问题,只能采用400V的空调压缩机,通过额外的DC-DC降压给压缩机供电。

在电动汽车上,由于空间限制,空调压缩机一般都像主驱系统一样,是一个多合一的系统,主要包括电机、机械涡旋结构和用于控制的功率模块

在400V时代,空调压缩机一般采用基于IGBT的IPM模块;但目前电动汽车的平台电压正在往800V发展,并已经大规模应用。所以空调压缩机,也需要像主驱一样,使用SiC功率器件。

尤其是空调压缩机长期运行在较轻负载的场景下,而SiC MOSFET的导通损耗相比硅IGBT更低,因此在低负载场景下的效率明显提升。

根据致瞻科技的数据,针对800V电压平台,因为1200V IGBT器件以及反并联二极管开关损耗特性较差,SiC MOSFET方案的优势更为明显。轻载情况下整体损耗仅为传统IGBT IPM方案的11%~17%,而在重载工况下则变为23%~27%左右。

所以我们可以看到,近年来电动汽车空调压缩机在往800V发展的过程中,基本都会采用SiC MOSFET器件。

小结:

在电动汽车发展的过程中,由于驱动形式的不同,电动汽车产业链相比燃油车已经固定的产业格局来说,会出现更多机会。包括在空调压缩机上,我们可以看到传统的家电巨头,美的、海信等近年都在加速布局电动汽车应用的产品,并已经实现量产上车。

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