從燃油車到電動汽車，空調(diào)壓縮機(jī)也在“新能源化”

電子發(fā)燒友網(wǎng)報(bào)道（文/梁浩斌）自1939年，首次在汽車上安裝了機(jī)械式制冷空調(diào)后，空調(diào)燃油車到電動汽車，空調(diào)系統(tǒng)也產(chǎn)生了不小的變化。

空調(diào)壓縮機(jī)的“新能源化”

在傳統(tǒng)的燃油車上，用于制冷的空調(diào)壓縮機(jī)主要是依靠發(fā)動機(jī)通過帶動皮帶驅(qū)動，即使在發(fā)動機(jī)怠速時(shí)也能運(yùn)作。而電動汽車由于沒有燃油發(fā)動機(jī)，空調(diào)壓縮機(jī)就需要用到電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動。

同時(shí)，由于電動汽車的散熱需求較大，包括電池、電機(jī)、主驅(qū)逆變器、BMS等都需要進(jìn)行散熱，而這些部件的散熱除了傳統(tǒng)的風(fēng)冷之外，還需要空調(diào)壓縮機(jī)參與到這部分的散熱當(dāng)中。

此前有機(jī)構(gòu)對電動汽車進(jìn)行夏季極端測試時(shí)，座艙內(nèi)空調(diào)降溫效果不明顯，主要原因就是高溫環(huán)境下空調(diào)系統(tǒng)壓力增大，而為了系統(tǒng)正常運(yùn)作，需要優(yōu)先為電池包以及電機(jī)、逆變器等進(jìn)行散熱。

空調(diào)壓縮機(jī)功率有限，由于優(yōu)先級的不同，就導(dǎo)致了在極端高溫環(huán)境下，電動車座艙空調(diào)降溫效果不明顯。

除了制冷之外，空調(diào)制熱上也有所區(qū)別。因?yàn)槿加蛙嚨哪芰哭D(zhuǎn)換效率較低，一般來說會有近50%的能量以熱量的形式釋放出來，于是在冬天，這些“廢熱”就能夠轉(zhuǎn)變成空調(diào)的暖氣，向座艙輸送。

但電動汽車上，主驅(qū)電機(jī)配合逆變器的能量轉(zhuǎn)換效率高達(dá)90%以上，動力電池在不同工況下發(fā)熱量不穩(wěn)定，這也意味著要回收這些核心部件的熱量用于空調(diào)制熱更加困難。

所以初期電動汽車上，空調(diào)制熱是采用PTC加熱，相當(dāng)于在制冷空調(diào)的基礎(chǔ)上，加上加熱元件對吹出的空氣進(jìn)行加熱。雖然結(jié)構(gòu)簡單，但這種加熱方式能耗較高，會嚴(yán)重影響到車輛續(xù)航里程。

所以目前中高端的電動汽車，基本已經(jīng)普及了熱泵空調(diào)+PTC輔助的系統(tǒng)。熱泵空調(diào)是在傳統(tǒng)的壓縮機(jī)制冷循環(huán)基礎(chǔ)上，通過換向閥等換熱器系統(tǒng)進(jìn)行制冷和制熱模式的切換，部分熱泵空調(diào)系統(tǒng)還有余熱回收通道，能夠回收電池、電機(jī)、逆變器的廢熱。

現(xiàn)有的熱泵空調(diào)又可以分為三種類型。第一種是蒸汽壓縮式熱泵系統(tǒng)，這是在傳統(tǒng)的蒸汽壓縮式制冷循環(huán)基礎(chǔ)上通過換向閥進(jìn)行制冷和制熱模式的切換，實(shí)現(xiàn)車內(nèi)空調(diào)制熱的功能。不過，當(dāng)室外環(huán)境溫度過低時(shí)，這種熱泵系統(tǒng)效率低，在北方冬天零下十多度的情況下，可能基本無法制熱。

而為了解決冬季環(huán)境氣溫過低的制熱工況，又出現(xiàn)了噴射補(bǔ)氣式熱泵系統(tǒng)，這是一種高效的熱能轉(zhuǎn)換技術(shù)，它通過噴射器（增壓器）來提升系統(tǒng)的性能。在噴射補(bǔ)氣式熱泵中，部分排氣的高溫高壓氣體被引導(dǎo)至噴射器。噴射器將這部分排氣與蒸發(fā)器出來的低溫低壓制冷劑混合。排氣的高能量導(dǎo)致混合后的制冷劑溫度和壓力提升，但總體壓力仍低于壓縮機(jī)出口的壓力?；旌虾蟮臍怏w進(jìn)入冷凝器，釋放更多的熱量，提高了系統(tǒng)的制熱效率。同時(shí)，噴射器中由于高速氣流造成的低壓區(qū)，可以吸引更多的蒸發(fā)器側(cè)的制冷劑進(jìn)入冷凝器，增加了系統(tǒng)的循環(huán)量。

當(dāng)然，噴射補(bǔ)氣式熱泵系統(tǒng)明顯復(fù)雜性提高，成本也更高。

另外還有余熱回收式熱泵系統(tǒng)，這是在上面提到的熱泵系統(tǒng)基礎(chǔ)上，增加余熱回收的通道，可以將電池、電機(jī)、逆變器等部件的低溫?zé)崃哭D(zhuǎn)化為向車內(nèi)空調(diào)供暖的熱能，可以理解成能夠?qū)⑦@些熱量用于輔助熱泵工作，降低系統(tǒng)能耗。

不過由于回收余熱的管道增多，系統(tǒng)復(fù)雜度進(jìn)一步提高，且對系統(tǒng)的控制策略要求很高。

電動汽車壓縮機(jī)，跟隨高壓平臺發(fā)展

在電動汽車中壓縮機(jī)不僅僅是用于汽車座艙中的空調(diào)，而且是關(guān)系到整車三電系統(tǒng)的散熱，因此運(yùn)行功率較大，比如春秋季的壓縮機(jī)功率消耗一般在300～1000W, 夏冬季多在1000～2500W。所以，作為關(guān)系到汽車驅(qū)動核心部件的空調(diào)壓縮機(jī)，就被集成到整車的高壓系統(tǒng)中，由核心電池包直接供電。

比如此前電動汽車的平臺電壓普遍在400V左右，相應(yīng)地電動汽車的空調(diào)壓縮機(jī)的額定電壓都在400V的水平。而最早用上800V電壓平臺的保時(shí)捷Taycan，最早就由于供應(yīng)鏈問題，只能采用400V的空調(diào)壓縮機(jī)，通過額外的DC-DC降壓給壓縮機(jī)供電。

在電動汽車上，由于空間限制，空調(diào)壓縮機(jī)一般都像主驅(qū)系統(tǒng)一樣，是一個(gè)多合一的系統(tǒng)，主要包括電機(jī)、機(jī)械渦旋結(jié)構(gòu)和用于控制的功率模塊。

在400V時(shí)代，空調(diào)壓縮機(jī)一般采用基于IGBT的IPM模塊；但目前電動汽車的平臺電壓正在往800V發(fā)展，并已經(jīng)大規(guī)模應(yīng)用。所以空調(diào)壓縮機(jī)，也需要像主驅(qū)一樣，使用SiC功率器件。

尤其是空調(diào)壓縮機(jī)長期運(yùn)行在較輕負(fù)載的場景下，而SiC MOSFET的導(dǎo)通損耗相比硅IGBT更低，因此在低負(fù)載場景下的效率明顯提升。

根據(jù)致瞻科技的數(shù)據(jù)，針對800V電壓平臺，因?yàn)?200V IGBT器件以及反并聯(lián)二極管開關(guān)損耗特性較差，SiC MOSFET方案的優(yōu)勢更為明顯。輕載情況下整體損耗僅為傳統(tǒng)IGBT IPM方案的11%～17%，而在重載工況下則變?yōu)?3%～27%左右。

所以我們可以看到，近年來電動汽車空調(diào)壓縮機(jī)在往800V發(fā)展的過程中，基本都會采用SiC MOSFET器件。

小結(jié)：

在電動汽車發(fā)展的過程中，由于驅(qū)動形式的不同，電動汽車產(chǎn)業(yè)鏈相比燃油車已經(jīng)固定的產(chǎn)業(yè)格局來說，會出現(xiàn)更多機(jī)會。包括在空調(diào)壓縮機(jī)上，我們可以看到傳統(tǒng)的家電巨頭，美的、海信等近年都在加速布局電動汽車應(yīng)用的產(chǎn)品，并已經(jīng)實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)上車。