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摘要：针对传统的内燃机轻型汽车在开启空调制冷系统时车辆动力性能迅速降低、耗油量大幅度升高的問题，结合传统汽车空调制冷系统及电源系统的特点，提出使用电动空调压缩机代替皮带驱动空调压缩机的方案。并基于MAHA FPS2700平台，试验测试了发电机负载增加后对发动机输出功率和油耗的变化情况，结果表明改装电动压缩机提高了整车动力性能、降低了油耗。
关键词：电动空调压缩机;MAHA FPS2700平台;发动机输出功率;油耗
0 引言
近年来，全球的能源结构逐渐由传统化学能源向新能源倾斜，特别是纯电力驱动快速发展，各国力图在新一轮能源战中抢占制高点。不过需要注意的是，尽管有些国家在政府文件中提及了燃油车禁售问题，实际上所谓“禁售燃油车”大多是环保部门或某一党派的提议、提案，基本都停留在规划和愿景层面，并没有落到实处[1]。
由此看来燃油车将会在很长时间内存在，即使到了全面禁售燃油车的时间点，已经售出的大量的在用车辆会在十几年甚至更长的时间内持续运行。
因此，针对燃油车辆的节能、降耗、减排再研究仍然很有必要。
1 研究背景
1.1 空调制冷系统介绍
传统的汽车空调制冷系统是采用内燃机驱动的空调压缩机推动制冷剂循环进行工作[2]，与其他的空调系统（如家用空调）相比，汽车空调制冷系统有以下特点：
①车辆的制冷系统基本是在自然环境的路面上移动中工作，流动的空气、阳光的照射及发动机和路面热辐射等原因造成汽车空调热负荷较大，并且热负荷变化幅度也大[3]。
②由于汽车空调的压缩机均由发动机通过皮带驱动，而发动机的转速可从600～6500rpm变化，空调系统中制冷剂流量变化幅度大，这样对系统的流量控制、系统的设计带来困难。
③空调制冷系统运行时消耗发动机功率，影响发动机功率输出，增加了燃油消耗。
④空调压缩机安装于震动较大并且在一定范围内翻转的发动机上，因此对压缩机的强度、抗震性能及系统管路的挠度要求较高，并且制冷剂容易泄漏，影响整个系统的可靠性。
⑤要想开启空调制冷系统必须启动发动机。空调系统仅能在发动机工作的前提下才能运行，发动机处于停止的状态，空调系统将无法工作[4]。
1.2 电源（发电机）系统现状
传统燃油汽车的发电机和空调压缩机是由发动机通过皮带驱动工作的，即发电机的转速与发动机转速是成正比的。因为车辆在运行的过程中发动机转速变化幅度较大，发电机的发电量又必须保证发动机在怠速运转时能满足车辆最大用电量的需求，因此传统燃油汽车发电机的（设计）功率储备都较大。
但是车辆大部分时间是在以经济转速运行。所以车辆在发动机中、高速运行时，可能因为没有大量电能消耗的需求而造成发电机的发电量较低，即发电机在车辆运行过程中的利用率不高。
2 拟采取的改进措施及可能带来的问题
2.1 空调系统节能改进策略
基于传统空调压缩机的不足，本文将原车由发动机皮带驱动的压缩机改为电机驱动空调压缩机——电动空调压缩机。改进后的优势：
①电动空调压缩机不再安装于发动机之上，对压缩机的强度、抗震性能及整套系统管路的挠度要求降低，可降低系统造价、减少系统故障率[5]。
②电动空调压缩机转速控制非常方便，压缩机转速不再受发动机转速制约。可以通过提高压缩机转速方法让小排量的压缩机满足空调系统短时间内对制冷量的要求。减小了压缩机排量，降低系统造价。
③电动空调压缩机摆脱了对发动机的依赖，在一定时间段内可以实现开启空调制冷系统而不用启动发动机。
④电动空调压缩机与发动机的没有机械连接，可以缓解车辆开空调制冷时发动机动力不足的问题。
2.2 电源系统改进策略
针对传统燃油汽车发电机利用率不高的问题，将原车额定电压为12V的发电机改为功率相同的额定电压48V发电机，并安装一块48V的适当容量的电池。通过提高发电机的利用率以满足电动空调压缩机用电需求。发电机连接电动空调压缩机和48V电池，以维持电动空调压缩机工作并给48V电池充电。DC/DC模块把48V转化为12V给原车12V电池充电并为其他低压用电器提供电源。
另一方面电动空调压缩机的使用也可能会带来一系列问题。制冷系统改为电动空调压缩机后在开启空调制冷系统时势必要增加发电机负载。本文主要针对以下两点进行实验验证。
①发电机负荷的增加是否比原车设计开空调制冷消耗更大的发动机功率。
②发电机负载的增加是否比原车设计开空调制冷带来更大的耗油量。
2.3 电动空调压缩机电动机功率的确定
本研究以某一量产的纯电动轿车为例，通过测试电动空调压缩机的电流参数获得功率。
测试前，将车辆放置于能够自动调整温度并能模拟阳光照射的环境（烤漆房）。将环境温度设定为45℃，并且模拟阳光照射整个车身。启动车辆，打开所有的车门及后备箱，待环境温度稳定4小时后进行测试。
测试时，关闭所有车辆门窗及后备箱，空调设置为外循环、温度24℃，从开启空调压缩机的瞬间开始计时，并每间隔1分钟测量压缩机电流，直到环境温度到达设定温度。此时车辆制冷系统的制冷量与车辆的热负荷保持动态平衡，电动空调压缩机电流趋于稳定。
P=UI（1）
式中：P为压缩机功率;U为压缩机电源电压，320V;I为压缩机电流。
压缩机电源电压为恒定值320V，电流随时间而变化，通过式（1）可计算压缩机消耗的功率，结果如表1所示。
数据表明：电动空调压缩机在很长时间内的功率消耗在400W左右，仅仅是在电动空调压缩机开启的很短时间内功率接近800W。因为有蓄电池的存在，蓄电池可以在开启电动空调压缩机的初期与发电机一起给电动空调压缩机供电或者单独给压缩机供电。又考虑到整车低压12V电源是48V电源经过DC-DC获得的，在DC-DC转变的过程中会产生能量消耗。 基于以上两种原因，开启电动空调压缩机后发电机的负载增加量不会大于800W。我们按照发电机负载增加800W进行发电机负载增大时对车辆的功率和油耗影响进行测试和数据评价是可行的。
3 测试平台及工况简介
3.1 测试平台简介
FPS2700是德国马哈（MAHA）公司制造的适用于轴重2700kg及以下的两轮驱动（前轮驱动或者后轮驱动）轻型车辆检测用底盘测功机，可以对发动机功率、牵引功率、底盘输出功率等进行测试;可以在恒速、恒转速、恒牵引力等模式下进行加载模拟;连续及离散功率测试;真实路况（风阻、滚动阻力、坡度等）模拟;与马哈公司的尾气及油耗设备配合可检测尾气及车辆油耗。本文中的发动机功率测试和各种不同工况的油耗测试均是在本设备上完成的。
3.2 测试工况IM240简介
I/M（inspection and maintenance）制度是检测在用轻型车排放控制系统工作是否正常的一整套程序。本试验采用了I/M240工况进行油耗测试。I/M240测试工况是采用美国联邦新车型式认定用测试规程FTP曲线0-333秒的两个峰，经修改为240秒，因为I/M240工况下的测试结果与FTP结果有很好的相关性，所以本工况被大量使用。
4 测试方案设计
4.1 车辆选择
测试车辆选择运行年限、运行公里数不同的汽油发动机车辆，因为全球发动机逐步小型化，所以选择车辆的发动机排量在1.4～2.0L。
4.2 功率测试
在MAHA FPS2700平台上测试车辆分别在同一个温度、湿度环境下检测，每台车辆在关闭空调、开启空调和关闭空调同时将发电机负载增加电动空调压缩机的最大功率，前者数据分别与后两者数据之差即为传统空调压缩机和电动空调压缩机所消耗的功率。
4.3 油耗测试
在MAHA FPS2700平台上测试车辆分别在同一个温度、湿度环境下检测每台车辆在关闭空调、开启空调和关闭空调同时将发电机负载增加电动空调压缩机的最大功率时的I/M240工况下的耗油量。后两者数据分别与前者数据之差即为传统空调压缩机和电动空调压缩机工作时所带来的油耗增加数据。
4.4 测试及数据评价
MAHA FPS2700实验室内设置自动温控加热装置和新鲜空气加热注入装置，以满足开启空调制冷系统所需要的温度条件和发动机运行所需要的新鲜空气。
每台车辆可靠固定在MAHA FPS2700测功机上，并且在测功机上模拟每一台车辆的道路负载系数，确保准确测量车辆在不同工况下的燃油消耗数量和发动机在不同状态下发出的最大功率。然后连接油耗仪、OBD II数据线、润滑油温度传感器、进气温度传感器等附件;检测、维修每台车辆空调制冷系统，保证每台车辆的空调制冷系统能工作正常;蓄电池两端连接有开关控制的额定电压12V、额定功率800W的纯电阻性负载，用来模拟车辆加装电动空调压缩机时的电能消耗。文中仅提供起亚狮跑2.0的相关测试数据和曲线，测试结果如下：
①传统空调压缩机和发电机功率增加800W两种情况下对车辆功率影响测试及结果。
在环境温度40℃情况下分别测量空调开启和空调关闭发电机负载增加800W三种状态下车辆发动机的最大功率，获得每台车辆空调压缩机消耗的功率、发电机负载增加800W消耗的功率。
图中蓝色曲线为轮边功率，绿色为损耗功率，紫色为油耗率，红色为修正后功率，橙色为发动机扭矩。图1可知，空调开启时功率损耗明显加剧修正后功率为93.9kW;图2，当空调关闭发电机负载增加800W时的修正后功率99.3kW，消耗的功率明显小于传统空调压缩机功率。
计算每台车辆空调压缩机消耗的功率、发电机负载增加800W消耗的功率两个功率占不开空调时发动机功率的百分数，如表2所示。
②傳统空调压缩机和发电机负载增加800W两种情况下对车辆油耗影响测试及结果。
在环境温度40℃情况下分别测量空调开启和空调关闭发电机负载增加800W三种状态下每一台车辆在I/M240工况下的燃油消耗数据。
红色曲线为发动机总耗油量，橙色为瞬时百公里耗油量，绿色曲线为发动机转速，蓝色曲线为车辆速度。（图3、图4）
获得每台车辆开启空调制冷系统和发电机负载增加800W所带来的燃料消耗增加值，计算燃料消耗增加值占不开空调时车辆燃料消耗量的百分数，结果如表3所示。
③数据评价。
功率影响：车辆在运行过程中开启空调制冷系统时传统空调压缩机所消耗的功率占车辆不开空调时发动机功率的7.16%，发电机功率增加800W所消耗的功率仅仅占车辆关闭空调时发动机功率的3.6%;加装电动空调压缩机后，车辆打开空调制冷系统时车辆的功率会比使用传统空调压缩机增加3.56%，即车辆开启空调时动力下降得到了缓解。
油耗影响：空调制冷系统关闭与开启空调制冷系统时相比，传统空调压缩机使车辆油耗增加30%，而发电机功率增加800W时车辆油耗仅仅增加12.6%。加装电动空调压缩机后车辆开空调制冷系统时车辆的燃料消耗会比使用传统压缩机要节省17.4%燃料。
因为车辆在运行过程中整车电压接近14V，所以测试时实际发电机上增加的负载要大于900W，即实际加装电动空调压缩机后所消耗的功率不足3.6%，而燃料消耗增加不到12.6%，远低于传统空调消耗。
5 结论
本文分析了燃油汽车皮带驱动压缩机的空调制冷系统和电源系统的现状及存在的问题，提出了用电动空调压缩机代替皮带驱动空调压缩机的方案，借助FPS2700平台设计了改进后对车辆功率和IM240工况油耗影响的相关测试试验，测试结果表明开启车辆空调制冷系统时采用电动空调压缩机比采用皮带驱动压缩机车辆的动力增加3.56%，燃油消耗节省17.4%，改装方案实际可行。
参考文献：
[1]王伟.如何看待传统内燃机汽车的挑战与前景[J].汽车纵横，2018（12）.
[2]孔德玲，赵兰萍，杨志刚.汽车空调的研究现状及发展前景[J].节能，2008，5：10-11.
[3]秦太超，郑贤德，林秀诚，等.车辆环境试验室制冷系统方案分析[J].流体工程，1992（5）：53-57.
[4]张丽，成小红.空调压缩机转速对汽车空调的影响[J].科技创新与应用，2019（35）：47-48.
[5]刘建飞.汽车电动空调系统的研究与仿真[D].内蒙古：内蒙古工业大学，2014.
关键词：电动空调压缩机;MAHA FPS2700平台;发动机输出功率;油耗
0 引言
近年来，全球的能源结构逐渐由传统化学能源向新能源倾斜，特别是纯电力驱动快速发展，各国力图在新一轮能源战中抢占制高点。不过需要注意的是，尽管有些国家在政府文件中提及了燃油车禁售问题，实际上所谓“禁售燃油车”大多是环保部门或某一党派的提议、提案，基本都停留在规划和愿景层面，并没有落到实处[1]。
由此看来燃油车将会在很长时间内存在，即使到了全面禁售燃油车的时间点，已经售出的大量的在用车辆会在十几年甚至更长的时间内持续运行。
因此，针对燃油车辆的节能、降耗、减排再研究仍然很有必要。
1 研究背景
1.1 空调制冷系统介绍
传统的汽车空调制冷系统是采用内燃机驱动的空调压缩机推动制冷剂循环进行工作[2]，与其他的空调系统（如家用空调）相比，汽车空调制冷系统有以下特点：
①车辆的制冷系统基本是在自然环境的路面上移动中工作，流动的空气、阳光的照射及发动机和路面热辐射等原因造成汽车空调热负荷较大，并且热负荷变化幅度也大[3]。
②由于汽车空调的压缩机均由发动机通过皮带驱动，而发动机的转速可从600～6500rpm变化，空调系统中制冷剂流量变化幅度大，这样对系统的流量控制、系统的设计带来困难。
③空调制冷系统运行时消耗发动机功率，影响发动机功率输出，增加了燃油消耗。
④空调压缩机安装于震动较大并且在一定范围内翻转的发动机上，因此对压缩机的强度、抗震性能及系统管路的挠度要求较高，并且制冷剂容易泄漏，影响整个系统的可靠性。
⑤要想开启空调制冷系统必须启动发动机。空调系统仅能在发动机工作的前提下才能运行，发动机处于停止的状态，空调系统将无法工作[4]。
1.2 电源（发电机）系统现状
传统燃油汽车的发电机和空调压缩机是由发动机通过皮带驱动工作的，即发电机的转速与发动机转速是成正比的。因为车辆在运行的过程中发动机转速变化幅度较大，发电机的发电量又必须保证发动机在怠速运转时能满足车辆最大用电量的需求，因此传统燃油汽车发电机的（设计）功率储备都较大。
但是车辆大部分时间是在以经济转速运行。所以车辆在发动机中、高速运行时，可能因为没有大量电能消耗的需求而造成发电机的发电量较低，即发电机在车辆运行过程中的利用率不高。
2 拟采取的改进措施及可能带来的问题
2.1 空调系统节能改进策略
基于传统空调压缩机的不足，本文将原车由发动机皮带驱动的压缩机改为电机驱动空调压缩机——电动空调压缩机。改进后的优势：
①电动空调压缩机不再安装于发动机之上，对压缩机的强度、抗震性能及整套系统管路的挠度要求降低，可降低系统造价、减少系统故障率[5]。
②电动空调压缩机转速控制非常方便，压缩机转速不再受发动机转速制约。可以通过提高压缩机转速方法让小排量的压缩机满足空调系统短时间内对制冷量的要求。减小了压缩机排量，降低系统造价。
③电动空调压缩机摆脱了对发动机的依赖，在一定时间段内可以实现开启空调制冷系统而不用启动发动机。
④电动空调压缩机与发动机的没有机械连接，可以缓解车辆开空调制冷时发动机动力不足的问题。
2.2 电源系统改进策略
针对传统燃油汽车发电机利用率不高的问题，将原车额定电压为12V的发电机改为功率相同的额定电压48V发电机，并安装一块48V的适当容量的电池。通过提高发电机的利用率以满足电动空调压缩机用电需求。发电机连接电动空调压缩机和48V电池，以维持电动空调压缩机工作并给48V电池充电。DC/DC模块把48V转化为12V给原车12V电池充电并为其他低压用电器提供电源。
另一方面电动空调压缩机的使用也可能会带来一系列问题。制冷系统改为电动空调压缩机后在开启空调制冷系统时势必要增加发电机负载。本文主要针对以下两点进行实验验证。
①发电机负荷的增加是否比原车设计开空调制冷消耗更大的发动机功率。
②发电机负载的增加是否比原车设计开空调制冷带来更大的耗油量。
2.3 电动空调压缩机电动机功率的确定
本研究以某一量产的纯电动轿车为例，通过测试电动空调压缩机的电流参数获得功率。
测试前，将车辆放置于能够自动调整温度并能模拟阳光照射的环境（烤漆房）。将环境温度设定为45℃，并且模拟阳光照射整个车身。启动车辆，打开所有的车门及后备箱，待环境温度稳定4小时后进行测试。
测试时，关闭所有车辆门窗及后备箱，空调设置为外循环、温度24℃，从开启空调压缩机的瞬间开始计时，并每间隔1分钟测量压缩机电流，直到环境温度到达设定温度。此时车辆制冷系统的制冷量与车辆的热负荷保持动态平衡，电动空调压缩机电流趋于稳定。
P=UI（1）
式中：P为压缩机功率;U为压缩机电源电压，320V;I为压缩机电流。
压缩机电源电压为恒定值320V，电流随时间而变化，通过式（1）可计算压缩机消耗的功率，结果如表1所示。
数据表明：电动空调压缩机在很长时间内的功率消耗在400W左右，仅仅是在电动空调压缩机开启的很短时间内功率接近800W。因为有蓄电池的存在，蓄电池可以在开启电动空调压缩机的初期与发电机一起给电动空调压缩机供电或者单独给压缩机供电。又考虑到整车低压12V电源是48V电源经过DC-DC获得的，在DC-DC转变的过程中会产生能量消耗。 基于以上两种原因，开启电动空调压缩机后发电机的负载增加量不会大于800W。我们按照发电机负载增加800W进行发电机负载增大时对车辆的功率和油耗影响进行测试和数据评价是可行的。
3 测试平台及工况简介
3.1 测试平台简介
FPS2700是德国马哈（MAHA）公司制造的适用于轴重2700kg及以下的两轮驱动（前轮驱动或者后轮驱动）轻型车辆检测用底盘测功机，可以对发动机功率、牵引功率、底盘输出功率等进行测试;可以在恒速、恒转速、恒牵引力等模式下进行加载模拟;连续及离散功率测试;真实路况（风阻、滚动阻力、坡度等）模拟;与马哈公司的尾气及油耗设备配合可检测尾气及车辆油耗。本文中的发动机功率测试和各种不同工况的油耗测试均是在本设备上完成的。
3.2 测试工况IM240简介
I/M（inspection and maintenance）制度是检测在用轻型车排放控制系统工作是否正常的一整套程序。本试验采用了I/M240工况进行油耗测试。I/M240测试工况是采用美国联邦新车型式认定用测试规程FTP曲线0-333秒的两个峰，经修改为240秒，因为I/M240工况下的测试结果与FTP结果有很好的相关性，所以本工况被大量使用。
4 测试方案设计
4.1 车辆选择
测试车辆选择运行年限、运行公里数不同的汽油发动机车辆，因为全球发动机逐步小型化，所以选择车辆的发动机排量在1.4～2.0L。
4.2 功率测试
在MAHA FPS2700平台上测试车辆分别在同一个温度、湿度环境下检测，每台车辆在关闭空调、开启空调和关闭空调同时将发电机负载增加电动空调压缩机的最大功率，前者数据分别与后两者数据之差即为传统空调压缩机和电动空调压缩机所消耗的功率。
4.3 油耗测试
在MAHA FPS2700平台上测试车辆分别在同一个温度、湿度环境下检测每台车辆在关闭空调、开启空调和关闭空调同时将发电机负载增加电动空调压缩机的最大功率时的I/M240工况下的耗油量。后两者数据分别与前者数据之差即为传统空调压缩机和电动空调压缩机工作时所带来的油耗增加数据。
4.4 测试及数据评价
MAHA FPS2700实验室内设置自动温控加热装置和新鲜空气加热注入装置，以满足开启空调制冷系统所需要的温度条件和发动机运行所需要的新鲜空气。
每台车辆可靠固定在MAHA FPS2700测功机上，并且在测功机上模拟每一台车辆的道路负载系数，确保准确测量车辆在不同工况下的燃油消耗数量和发动机在不同状态下发出的最大功率。然后连接油耗仪、OBD II数据线、润滑油温度传感器、进气温度传感器等附件;检测、维修每台车辆空调制冷系统，保证每台车辆的空调制冷系统能工作正常;蓄电池两端连接有开关控制的额定电压12V、额定功率800W的纯电阻性负载，用来模拟车辆加装电动空调压缩机时的电能消耗。文中仅提供起亚狮跑2.0的相关测试数据和曲线，测试结果如下：
①传统空调压缩机和发电机功率增加800W两种情况下对车辆功率影响测试及结果。
在环境温度40℃情况下分别测量空调开启和空调关闭发电机负载增加800W三种状态下车辆发动机的最大功率，获得每台车辆空调压缩机消耗的功率、发电机负载增加800W消耗的功率。
图中蓝色曲线为轮边功率，绿色为损耗功率，紫色为油耗率，红色为修正后功率，橙色为发动机扭矩。图1可知，空调开启时功率损耗明显加剧修正后功率为93.9kW;图2，当空调关闭发电机负载增加800W时的修正后功率99.3kW，消耗的功率明显小于传统空调压缩机功率。
计算每台车辆空调压缩机消耗的功率、发电机负载增加800W消耗的功率两个功率占不开空调时发动机功率的百分数，如表2所示。
②傳统空调压缩机和发电机负载增加800W两种情况下对车辆油耗影响测试及结果。
在环境温度40℃情况下分别测量空调开启和空调关闭发电机负载增加800W三种状态下每一台车辆在I/M240工况下的燃油消耗数据。
红色曲线为发动机总耗油量，橙色为瞬时百公里耗油量，绿色曲线为发动机转速，蓝色曲线为车辆速度。（图3、图4）
获得每台车辆开启空调制冷系统和发电机负载增加800W所带来的燃料消耗增加值，计算燃料消耗增加值占不开空调时车辆燃料消耗量的百分数，结果如表3所示。
③数据评价。
功率影响：车辆在运行过程中开启空调制冷系统时传统空调压缩机所消耗的功率占车辆不开空调时发动机功率的7.16%，发电机功率增加800W所消耗的功率仅仅占车辆关闭空调时发动机功率的3.6%;加装电动空调压缩机后，车辆打开空调制冷系统时车辆的功率会比使用传统空调压缩机增加3.56%，即车辆开启空调时动力下降得到了缓解。
油耗影响：空调制冷系统关闭与开启空调制冷系统时相比，传统空调压缩机使车辆油耗增加30%，而发电机功率增加800W时车辆油耗仅仅增加12.6%。加装电动空调压缩机后车辆开空调制冷系统时车辆的燃料消耗会比使用传统压缩机要节省17.4%燃料。
因为车辆在运行过程中整车电压接近14V，所以测试时实际发电机上增加的负载要大于900W，即实际加装电动空调压缩机后所消耗的功率不足3.6%，而燃料消耗增加不到12.6%，远低于传统空调消耗。
5 结论
本文分析了燃油汽车皮带驱动压缩机的空调制冷系统和电源系统的现状及存在的问题，提出了用电动空调压缩机代替皮带驱动空调压缩机的方案，借助FPS2700平台设计了改进后对车辆功率和IM240工况油耗影响的相关测试试验，测试结果表明开启车辆空调制冷系统时采用电动空调压缩机比采用皮带驱动压缩机车辆的动力增加3.56%，燃油消耗节省17.4%，改装方案实际可行。
参考文献：
[1]王伟.如何看待传统内燃机汽车的挑战与前景[J].汽车纵横，2018（12）.
[2]孔德玲，赵兰萍，杨志刚.汽车空调的研究现状及发展前景[J].节能，2008，5：10-11.
[3]秦太超，郑贤德，林秀诚，等.车辆环境试验室制冷系统方案分析[J].流体工程，1992（5）：53-57.
[4]张丽，成小红.空调压缩机转速对汽车空调的影响[J].科技创新与应用，2019（35）：47-48.
[5]刘建飞.汽车电动空调系统的研究与仿真[D].内蒙古：内蒙古工业大学，2014.