1、無刷直流電機在汽車電動空調中的應用    韓則胤，邱少杰，陳陽生    (1浙江大學浙江杭州310027；2精雷電器有限公司浙江湖州313103)  O引言隨著國內汽車制造業的飛速發展，汽車空調已經成為整車必不可少的一個子系統，并在近幾年獲得了快速的發展。目前，我國在乘用車上汽車空調配置率已接近百分之百。汽車空調舒適性、可靠性及安全性的要求已成為消費者決定購車意向的重要選擇依據。特別是隨著國際社會對石油危機和全球變暖等問題的日益關注，對于汽車空調環保和節能的要求也越來越高。目前傳統汽車空調壓縮機由汽車發動機直接帶動，存在消耗

2、發動機功率、轉速變化范圍過大、工作環境惡劣、整體效率低等諸多問題。國外一些新的環保規定，如強制降低怠速排放的要求，長途運輸車輛在停車處使用當地電源，不開油機等等。這都為新型電動空調的使用提供了機會。同時，隨著公眾節能和環保意識的提高，一些符合節能、環保要求的新能源汽車(電動汽車、混合動力)的發展前景被人們看好，而一種節能、高效、性能可靠的電動空調產品，對占領新一代汽車的空調市場顯得至關重要。    電動空調壓縮機由電機、電子控制單元Ecu(Electronic contr0I unit)和壓縮機組成。電機驅動壓縮機，而Ecu控制電機出力和運行。永磁無刷直流電機以其

3、小體積、高性能、結構簡單、出力大等特點受到了許多行業的青睞，在一些要求高性能和高精度的控制領域更是得到了廣泛的重視。今天，在汽車行業，電機的應用越來越廣泛，一部汽車上使用的電機數量會有上百臺，這其中大部分以直流電機為主。但是，直流電機的一個最大問題就是電刷的使用，這使電機的體積變大，而電刷又需要頻繁的更換。無刷直流電機通過Ecu來控制電機的電子換相，從而取消了電刷，消除了更換電刷的顧慮，延長了電機的使用壽命。而電子換相過程中的另一個問題，即需要得到轉子位置，也得到了廣泛的研究。采用霍爾傳感器或光電編碼器等獲得轉子位置是一種可靠的方法，但是這一方面增加了成本，另一方面由于霍爾傳感器等的使用溫度范

4、圍也限制了在惡劣環境中的應用。應運而生的是各種無位置傳感器技術的研究，諸如反電勢法、三次諧波法等，已經得到了深入的研究，并且一些方法也已經得到了實際應用。永磁無刷直流電機一般采用稀土永磁轉子結構，我國作為一個稀土儲量和生產大國，在制造永磁電機方面有著得天獨厚的優勢。永磁電機技術的研究和應用，有利于將我國的資源優勢轉化為技術優勢，對于我國在新一輪全球技術競爭中取得相對技術優勢有著重要的意義。  1電動空調壓縮機技術    電動汽車空調作為一種新型的汽車關鍵零部件，其真正的發展歷史不是很長，這主要是由于電動空調在普通12v供電的汽車中的應用受到了供電電壓、發

5、電機功率和蓄電池容量等多方面的限制。但是，近年在隨著環保要求的不斷提升，電動汽車、混合動力汽車等的發展，電動汽車空調已經開始受到越來越多的重視。1 1國內外研究現狀    在國外，目前的汽車用電動空調最主要的開發和供應商是日本電裝公司(Denso)。日本電裝生產的電動空調已經在豐田混合動力轎車上得到應用，但是目前產量有限。另一家日本企業三菱重工也已經開發出電動汽車空調，目前已成功獲得二家美國著名汽車廠商的訂單。但是由于目前的混合動力和其它電動汽車的市場容量有限，這一家企業的產量有限。    在國內，由華東理工大學和上海三電貝洱汽車空調

6、有限公司聯合開發的電動空調壓縮機系統在國內的一些電動汽車和混合動力汽車上試用。其他一些研究多停留在實驗室開發階段，沒有得到實際運行。1 2電動空調壓縮機技術的優勢    傳統空調系統的壓縮機是由曲軸通過皮帶驅動的，而電動空調壓縮機由電機、ECU和壓縮機組成，電機驅動壓縮機，而ECU控制電機出力和運行，因此空調系統不依賴發動機的運轉而工作。相比較而言，電動空調壓縮機系統具有許多明顯的優勢。    (1)普通空調由于發動機轉速的不穩定，必須使用大排量壓縮機來滿足低轉速時的制冷要求（例如國內卡車普遍使用508壓縮機排量136cc左右），排量

7、加大，壓縮機體積大，大大消耗了發動機的輸出功率，效率低。而電動空調的轉速恒定，在同等制冷要求條件下，電動壓縮機的排量可由普通汽車的136cc排量下降到36cc排量，使得電動壓縮機的效率明顯提高。    (2)普通空調的壓縮機安裝在高溫的發動機附近，工作環境差，蒸發器及出風口又安裝在駕駛室內或駕駛室頂部，所以冷媒的管路長，容易泄露，并且冷氣消耗非常大。而電動空調由于擁有獨立的動力源，無需依賴發動機，可以安裝在靠近蒸發器的任何位置。圖1給出了一種電動空調壓縮機的安裝位置，可以看到這種安裝的工作環境更好，冷媒的管路更短，冷氣消耗小。   

8、(3)電動空調可以保持低速、持續運行，維持車廂內溫度，其節能原理與家用變頻空調相同。    (4)電動空調可以在發動機熄火狀態使用，無需消耗燃油。汽車在行使過程中發電機發出來的電給電瓶充電、儲存；停車時利用所儲存的電能制冷，大大節約了能源，提高了電動空調的使用效率。此外，渦旋式壓縮機是繼往復式、擺盤式和旋葉式之后的第四代汽車空調壓縮機。它把老式壓縮機的直筒形缸體變成了海螺殼狀，讓空氣在里面經過多次壓縮，再產生動力。圖2給出了一種渦旋式空調壓縮機外形示意圖。永磁電機和壓縮機封閉到一個系統中。采用渦旋壓縮結構，不僅壓縮效率高，也使得壓縮機的振動、噪音都得到較大的改善。

9、國際上空調業界人士普遍認為，它是理想的車用空調壓縮機，是未來車用空調壓縮機發展的主流。  1 3電動空調壓縮機技術的發展前景空調壓縮機是空調系統的核心部件。隨著新能源汽車的發展，也隨著人們對汽車舒適性要求的提高，各種新型空調系統不斷出現，這也推動了空調壓縮機制造技術的不斷進步。從目前空調壓縮機的發展趨勢來看，結構緊湊、高效節能以及微振低噪等特點是空調壓縮機制造技術不斷追求的目標。2無刷直流電機技術無刷直流電機作為一種挑戰傳統直流電機地位的電機技術，近年來已經得到了廣泛而大量的研究。由于電子換向器的引入，傳統直流電機中存在已久的電刷造成的諸多問題，在無刷直流電機中得到了很好解

10、決。并且隨著現代電力電子技術，以及微處理器技術的迅猛發展，無刷直流電機的功率等級、可靠性等都得到了極大的提高和改善。無刷直流電機技術已經在許多領域得到的實際應用，并表現出了良好的性能。與傳統直流電機相比，無刷直流電機不能直接加電工作，電機的運轉必須通過一個電力電子器件構成的逆變橋來控制電機的電壓、電流和各相繞組的導通相序。因而，使用無刷技術的電動空調系統豐要由壓縮機、電機和電子控制單元(Ecu)三個部件組成。電機驅動壓縮機，而Ecu控制電機的運行，圖3給出了一種系統組成示意圖。  在電動空調Ecu方面，主要有二種解決方案，一是全硬件的無刷直流電機的驅動電路，這種方案的系統響

11、應快，電路結構簡單，但電路功能有限，可擴展性和通用性較差。目前在電動空調上的趨勢是采用基于DsP或微處理器的控制電路，實現對電機的控制和調速，系統的靈活、可適用性強，同時也使一些高性能的先進控制策略的實現成為可能。對于圖3所示的三相永磁電動機，常采用三相六狀態120o導通的控制模式。這種控制模式具有平均轉矩大，轉矩脈動小，電流利用率高等特點。圖4給出了在這種控制模式下的三相導通順序圖以及相對應的定子空間磁動勢矢量示意圖。  圖4a所示為360o電角度下電機ABc三相及六個功率器件的導通順序。每一相導通時，不論是這一相對應的上橋還是下橋，導通時間均為120o電角度。以A相為例

12、，當VTl導通時，B相的下橋VT6導通，且正處于其120。導通時間的后60o，對應的空間磁動勢矢量為Fs1，位置如圖4b所示。60。之后，VTl繼續導通，但VT6關斷，同時c相下橋的vT2導通，即B c換相，同時磁動勢矢量從Fs1跳變到Fs2。再經過60o，vTl導通時間滿120o，vTl關斷，A相結束導通，同時B相上橋VT3導通，AB換相。此時磁動勢矢量從Fs2跳變到Fs3。以此類推，B相進行接下來的120o持續導通，然后是c相，最后又回到A相。經過6個狀態循環之后，空間磁動勢矢量對應旋轉360o電角度，又回到Fs1。在這個過程中，每一相導通時均持續120o，經歷兩個狀態。在調速方面，由于大

13、多數無刷直流電機采用釹鐵硼作為永磁材料，通常可以忽略電樞反應的影響而假定磁通為常數，于是電機的電磁轉矩與相繞組導通期間的平均電流成正比關系。這樣，可以通過控制相電流對電機進行調速。一般采用PwM控制方法，可以很方便的通過改變占空比進行線性調速。與調速性能緊密相關的轉矩方面，對于無刷直流電機來說，轉矩脈動經常會引起噪音和振動的問題，引起轉矩脈動的因素主要有：齒槽轉矩、磁通畸變、諧波、相電流換相等。而相應的抑制方法也有很多的研究，如轉矩動態抑制、重疊換相、滯環比較等都得到了不同程度的驗證。由上述敘述可以看到，無刷直流電機在電動空調上的應用是有一定優勢的：由于采用了永磁電機的結構，尤其是高磁能積稀土

14、永磁，使電機效率高而體積小，這有利于在汽車等結構緊湊，安裝空間相對狹小的設備上安裝；無刷直流電機可以很方便地實現線性調速，加速度大，空調反應迅速，這有利于空調系統根據需要調節電機轉速，控制制冷量，節約能源；相對永磁同步電機，無刷直流電機又具有可靠性高，起動力矩大的特點，同時系統效率也得到了提高。但是，無刷直流電機技術的應用還存在著相當困難。(1)在電動空調系統中，為利用附加磁阻轉矩提高電機的效率，在一些系統中采用了內嵌式轉子結構。但是由于內嵌式轉子結構相對復雜，局部飽和嚴重，這就為電機的設計帶來了難度。(2)在木文所提到電動空調壓縮機一體機設計中，電機將整個浸泡在高溫氟里昂里面，因而電機的散熱

15、設計、電機硅鋼片的耐腐蝕處理、電機漆包線絕緣層耐腐性都將成為需要慎重考慮的問題。(3)由于電機的工作環境相對惡劣，以及一體機設計的發展趨勢，無位置傳感技術幾乎成為一種方向，這就對電機設計中如何與無位置傳感技術配合提出了要求。3無位置傳感器技術無刷直流電機的運行需要檢測轉子位置來實現繞組的換相，通常選擇使用霍爾傳感器。但是考慮到使用環境、成本、制造工藝和可靠性等因素，無位置傳感器控制技術是最佳的解決方案。使用無位置傳感器控制技術后，Ecu和電機的連接只需要3根導線，系統結構簡單、可靠性更高，而成本更低。圖5是一種一體式電動空調壓縮機與控制器的接線圖，可以看到電機與控制器之間連接非常簡單。

16、0; 無位置傳感器的實現方法，國內外己經做了很多的研究，并且也提出了許多不同的解決方法，如反電勢檢測法、續流二極管法、三次諧波法、渦流效應法、電感法、模糊控制和神經網絡控制法等等。就實際情況來看，前三種方法的應用比較廣泛，這里進行簡單的比較。反電勢檢測法最早是上世紀80年代由日本學者提出，是一種比較實用的無位置檢測控制方案。對于三相永磁無刷直流電機，只需要六個關鍵的轉子位置就能夠順利換相。轉子旋轉時會在定子中感應出反電動勢，所以設法得到定子的反電動勢波形，就能夠估算出轉子的實際位置。圖6是一種反電動勢過零檢測法的示意圖。由于電機的中性點一般不引出，所以用三個星形連接的電阻，模擬中性點

17、。經過比較器可以得到，換相所需的6個反電勢的過零點，經過一定的處理，可以獲得所需的換相時刻。反電勢檢測法的優點是，硬件電路結構簡單，成本低，容易實現。缺點是，PmI斬波以及二極管的續流等信息都會包含在檢測信號中，干擾嚴重。同時，隨著速度的變化，濾波電路引起的相移與實際換相需求正好相反，容易造成換相失敗。  續流二極管法，是一種通過檢測非導通相續流二極管的通斷狀況來判斷反電勢過零點的一種方法。如圖7所示，當vTl、vT2導通時中性點電壓U0為Udc2，而當VTl斬波關斷時，U0約為0，于是VTl關斷期間，vD6陰極的電壓基本上能反匝B相的反電動勢。于是當B相的反電動勢E000

18、00000的狀態從>O變為<0時，vD6的導通狀態會將由關斷變為導通，反之亦然。所以，在斬波控制的VTl關斷期間檢測VD6的變化，獲得vD6的首個狀態變化點，就能獲得反電動勢的過零點。由于二極管比較低的導通壓降，所以這種方法在反電動勢較低時，也能使用，這樣就擴大了調速范圍，但是其缺點也是很明顯。比如，需要復雜的檢測電路、特殊的PwM控制方法，干擾嚴重等。三次諧波檢測法，是指通過檢測反電勢三次諧波分量的過零點來判斷轉子的位置。三次諧波電勢一般需要從星形電阻網絡的中心點M和三相電機繞組的中心的提取。如圖8所示。顯然，由于需要引出電機的中性點，這大大限制了三次諧波法的使用，同時，對電機也

19、有一定的要求，比如，電機要有比較大的三次諧波分量、三相繞組對稱等。但三次諧波法也有很明顯的優點，PwM斬波控制和二極管續流都不會形成干擾。圖9給出了實際試驗測試中所使用的一種反電動勢過零點檢測法的硬件圖。從原理圖可見，  與三次諧波檢測法類似，采用星形電阻網絡，并使用其中心點電壓U但并沒有設法引出電機中性點提取三次諧波。而是設法利用U中含有的反電勢信息，經過R1、R2的分壓調理后，可以得到一個控制電路可接受的電壓信號UX，從中去除端電壓引入的分量，就能夠得到一個反應反電勢過零點信息的量。DsP分析處理后，即可以得到反電動勢的過零點，這樣轉子的位置和轉速就可以估算出來。于是控

20、制器以此為依據發出正確換相信號，進行換相控制。可以看到這種簡單的電路即可以實現反電勢過零點的提取，同時也避免了引出電機中性點的問題。但是相當的辨析、判斷以及故障診斷工作交給微處理芯片去完成。在電動空調這個特定的應用場合，大部分無位置傳感器轉子位置檢測方法都存在一定的局限。這主要是由于電動空調要求電機的啟動力矩大，壓縮機本身的力矩波動又比較大，實際使用中會經常出現轉子位置判斷失誤，造成換相失敗停機，系統運行不穩定的問題。圖9所示的電路是作者在實際空調系統中使用并進行測試的電路。相比其他，這種方法的硬件電路很簡潔，軟硬件的實現都比較容易。對于低速時過零檢測精度低，有PwM干擾以及二極管續流干擾等問題，試驗證明完全可以通過軟件手段和控制策略的合理使用進行彌補和修正。圖lO是一套完整的電動空調壓縮機系統的測試平臺