无刷直流电机在汽车电动空调中的应用.docx
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无刷直流电机在汽车电动空调中的应用
无刷直流电机在汽车电动空调中的应用
韩则胤，邱少杰，陈阳生
（1浙江大学浙江杭州310027；2精雷电器有限公司浙江湖州313103）
O引言
随着国内汽车制造业的飞速发展，汽车空调已经成为整车必不可少的一个子系统，并在近几年获得了快速的发展。
目前，我国在乘用车上汽车空调配置率已接近百分之百。
汽车空调舒适性、可靠性及安全性的要求已成为消费者决定购车意向的重要选择依据。
特别是随着国际社会对石油危机和全球变暖等问题的日益关注，对于汽车空调环保和节能的要求也越来越高。
目前传统汽车空调压缩机由汽车发动机直接带动，存在消耗发动机功率、转速变化范围过大、工作环境恶劣、整体效率低等诸多问题。
国外一些新的环保规定，如强制降低怠速排放的要求，长途运输车辆在停车处使用当地电源，不开油机等等。
这都为新型电动空调的使用提供了机会。
同时，随着公众节能和环保意识的提高，一些符合节能、环保要求的新能源汽车（电动汽车、混合动力）的发展前景被人们看好，而一种节能、高效、性能可靠的电动空调产品，对占领新一代汽车的空调市场显得至关重要。
电动空调压缩机由电机、电子控制单元Ecu（Electroniccontr0Iunit）和压缩机组成。
电机驱动压缩机，而Ecu控制电机出力和运行。
永磁无刷直流电机以其小体积、高性能、结构简单、出力大等特点受到了许多行业的青睐，在一些要求高性能和高精度的控制领域更是得到了广泛的重视。
今天，在汽车行业，电机的应用越来越广泛，一部汽车上使用的电机数量会有上百台，这其中大部分以直流电机为主。
但是，直流电机的一个最大问题就是电刷的使用，这使电机的体积变大，而电刷又需要频繁的更换。
无刷直流电机通过Ecu来控制电机的电子换相，从而取消了电刷，消除了更换电刷的顾虑，延长了电机的使用寿命。
而电子换相过程中的另一个问题，即需要得到转子位置，也得到了广泛的研究。
采用霍尔传感器或光电编码器等获得转子位置是一种可靠的方法，但是这一方面增加了成本，另一方面由于霍尔传感器等的使用温度范围也限制了在恶劣环境中的应用。
应运而生的是各种无位置传感器技术的研究，诸如反电势法、三次谐波法等，已经得到了深入的研究，并且一些方法也已经得到了实际应用。
永磁无刷直流电机一般采用稀土永磁转子结构，我国作为一个稀土储量和生产大国，在制造永磁电机方面有着得天独厚的优势。
永磁电机技术的研究和应用，有利于将我国的资源优势转化为技术优势，对于我国在新一轮全球技术竞争中取得相对技术优势有着重要的意义。
1电动空调压缩机技术
电动汽车空调作为一种新型的汽车关键零部件，其真正的发展历史不是很长，这主要是由于电动空调在普通12v供电的汽车中的应用受到了供电电压、发电机功率和蓄电池容量等多方面的限制。
但是，近年在随着环保要求的不断提升，电动汽车、混合动力汽车等的发展，电动汽车空调已经开始受到越来越多的重视。
11国内外研究现状
在国外，目前的汽车用电动空调最主要的开发和供应商是日本电装公司（Denso）。
日本电装生产的电动空调已经在丰田混合动力轿车上得到应用，但是目前产量有限。
另一家日本企业三菱重工也已经开发出电动汽车空调，目前已成功获得二家美国著名汽车厂商的订单。
但是由于目前的混合动力和其它电动汽车的市场容量有限，这一家企业的产量有限。
在国内，由华东理工大学和上海三电贝洱汽车空调有限公司联合开发的电动空调压缩机系统在国内的一些电动汽车和混合动力汽车上试用。
其他一些研究多停留在实验室开发阶段，没有得到实际运行。
12电动空调压缩机技术的优势
传统空调系统的压缩机是由曲轴通过皮带驱动的，而电动空调压缩机由电机、ECU和压缩机组成，电机驱动压缩机，而ECU控制电机出力和运行，因此空调系统不依赖发动机的运转而工作。
相比较而言，电动空调压缩机系统具有许多明显的优势。
（1）普通空调由于发动机转速的不稳定，必须使用大排量压缩机来满足低转速时的制冷要求（例如国内卡车普遍使用508压缩机排量136cc左右），排量加大，压缩机体积大，大大消耗了发动机的输出功率，效率低。
而电动空调的转速恒定，在同等制冷要求条件下，电动压缩机的排量可由普通汽车的136cc排量下降到36cc排量，使得电动压缩机的效率明显提高。
（2）普通空调的压缩机安装在高温的发动机附近，工作环境差，蒸发器及出风口又安装在驾驶室内或驾驶室顶部，所以冷媒的管路长，容易泄露，并且冷气消耗非常大。
而电动空调由于拥有独立的动力源，无需依赖发动机，可以安装在靠近蒸发器的任何位置。
图1给出了一种电动空调压缩机的安装位置，可以看到这种安装的工作环境更好，冷媒的管路更短，冷气消耗小。
（3）电动空调可以保持低速、持续运行，维持车厢内温度，其节能原理与家用变频空调相同。
（4）电动空调可以在发动机熄火状态使用，无需消耗燃油。
汽车在行使过程中发电机发出来的电给电瓶充电、储存；停车时利用所储存的电能制冷，大大节约了能源，提高了电动空调的使用效率。
此外，涡旋式压缩机是继往复式、摆盘式和旋叶式之后的第四代汽车空调压缩机。
它把老式压缩机的直筒形缸体变成了海螺壳状，让空气在里面经过多次压缩，再产生动力。
图2给出了一种涡旋式空调压缩机外形示意图。
永磁电机和压缩机封闭到一个系统中。
采用涡旋压缩结构，不仅压缩效率高，也使得压缩机的振动、噪音都得到较大的改善。
国际上空调业界人士普遍认为，它是理想的车用空调压缩机，是未来车用空调压缩机发展的主流。
13电动空调压缩机技术的发展前景
空调压缩机是空调系统的核心部件。
随着新能源汽车的发展，也随着人们对汽车舒适性要求的提高，各种新型空调系统不断出现，这也推动了空调压缩机制造技术的不断进步。
从目前空调压缩机的发展趋势来看，结构紧凑、高效节能以及微振低噪等特点是空调压缩机制造技术不断追求的目标。
2无刷直流电机技术
无刷直流电机作为一种挑战传统直流电机地位的电机技术，近年来已经得到了广泛而大量的研究。
由于电子换向器的引入，传统直流电机中存在已久的电刷造成的诸多问题，在无刷直流电机中得到了很好解决。
并且随着现代电力电子技术，以及微处理器技术的迅猛发展，无刷直流电机的功率等级、可靠性等都得到了极大的提高和改善。
无刷直流电机技术已经在许多领域得到的实际应用，并表现出了良好的性能。
与传统直流电机相比，无刷直流电机不能直接加电工作，电机的运转必须通过一个电力电子器件构成的逆变桥来控制电机的电压、电流和各相绕组的导通相序。
因而，使用无刷技术的电动空调系统丰要由压缩机、电机和电子控制单元（Ecu）三个部件组成。
电机驱动压缩机，而Ecu控制电机的运行，图3给出了一种系统组成示意图。
在电动空调Ecu方面，主要有二种解决方案，一是全硬件的无刷直流电机的驱动电路，这种方案的系统响应快，电路结构简单，但电路功能有限，可扩展性和通用性较差。
目前在电动空调上的趋势是采用基于DsP或微处理器的控制电路，实现对电机的控制和调速，系统的灵活、可适用性强，同时也使一些高性能的先进控制策略的实现成为可能。
对于图3所示的三相永磁电动机，常采用三相六状态120o导通的控制模式。
这种控制模式具有平均转矩大，转矩脉动小，电流利用率高等特点。
图4给出了在这种控制模式下的三相导通顺序图以及相对应的定子空间磁动势矢量示意图。
图4a所示为360o电角度下电机ABc三相及六个功率器件的导通顺序。
每一相导通时，不论是这一相对应的上桥还是下桥，导通时间均为120o电角度。
以A相为例，当VTl导通时，B相的下桥VT6导通，且正处于其120。
导通时间的后60o，对应的空间磁动势矢量为Fs1，位置如图4b所示。
60。
之后，VTl继续导通，但VT6关断，同时c相下桥的vT2导通，即Bc换相，同时磁动势矢量从Fs1跳变到Fs2。
再经过60o，vTl导通时间满120o，vTl关断，A相结束导通，同时B相上桥VT3导通，AB换相。
此时磁动势矢量从Fs2跳变到Fs3。
以此类推，B相进行接下来的120o持续导通，然后是c相，最后又回到A相。
经过6个状态循环之后，空间磁动势矢量对应旋转360o电角度，又回到Fs1。
在这个过程中，每一相导通时均持续120o，经历两个状态。
在调速方面，由于大多数无刷直流电机采用钕铁硼作为永磁材料，通常可以忽略电枢反应的影响而假定磁通为常数，于是电机的电磁转矩与相绕组导通期间的平均电流成正比关系。
这样，可以通过控制相电流对电机进行调速。
一般采用PwM控制方法，可以很方便的通过改变占空比进行线性调速。
与调速性能紧密相关的转矩方面，对于无刷直流电机来说，转矩脉动经常会引起噪音和振动的问题，引起转矩脉动的因素主要有：
齿槽转矩、磁通畸变、谐波、相电流换相等。
而相应的抑制方法也有很多的研究，如转矩动态抑制、重叠换相、滞环比较等都得到了不同程度的验证。
由上述叙述可以看到，无刷直流电机在电动空调上的应用是有一定优势的：
由于采用了永磁电机的结构，尤其是高磁能积稀土永磁，使电机效率高而体积小，这有利于在汽车等结构紧凑，安装空间相对狭小的设备上安装；无刷直流电机可以很方便地实现线性调速，加速度大，空调反应迅速，这有利于空调系统根据需要调节电机转速，控制制冷量，节约能源；相对永磁同步电机，无刷直流电机又具有可靠性高，起动力矩大的特点，同时系统效率也得到了提高。
但是，无刷直流电机技术的应用还存在着相当困难。
（1）在电动空调系统中，为利用附加磁阻转矩提高电机的效率，在一些系统中采用了内嵌式转子结构。
但是由于内嵌式转子结构相对复杂，局部饱和严重，这就为电机的设计带来了难度。
（2）在木文所提到电动空调压缩机一体机设计中，电机将整个浸泡在高温氟里昂里面，因而电机的散热设计、电机硅钢片的耐腐蚀处理、电机漆包线绝缘层耐腐性都将成为需要慎重考虑的问题。
（3）由于电机的工作环境相对恶劣，以及一体机设计的发展趋势，无位置传感技术几乎成为一种方向，这就对电机设计中如何与无位置传感技术配合提出了要求。
3无位置传感器技术
无刷直流电机的运行需要检测转子位置来实现绕组的换相，通常选择使用霍尔传感器。
但是考虑到使用环境、成本、制造工艺和可靠性等因素，无位置传感器控制技术是最佳的解决方案。
使用无位置传感器控制技术后，Ecu和电机的连接只需要3根导线，系统结构简单、可靠性更高，而成本更低。
图5是一种一体式电动空调压缩机与控制器的接线图，可以看到电机与控制器之间连接非常简单。
无位置传感器的实现方法，国内外己经做了很多的研究，并且也提出了许多不同的解决方法，如反电势检测法、续流二极管法、三次谐波法、涡流效应法、电感法、模糊控制和神经网络控制法等等。
就实际情况来看，前三种方法的应用比较广泛，这里进行简单的比较。
反电势检测法最早是上世纪80年代由日本学者提出，是一种比较实用的无位置检测控制方案。
对于三相永磁无刷直流电机，只需要六个关键的转子位置就能够顺利换相。
转子旋转时会在定子中感应出反电动势，所以设法得到定子的反电动势波形，就能够估算出转子的实际位置。
图6是一种反电动势过零检测法的示意图。
由于电机的中性点一般不引出，所以用三个星形连接的电阻，模拟中性点。
经过比较器可以得到，换相所需的6个反电势的过零点，经过一定的处理，可以获得所需的换相时刻。
反电势检测法的优点是，硬件电路结构简单，成本低，容易实现。
缺点是，PmI斩波以及二极管的续流等信息都会包含在检测信号中，干扰严重。
同时，随着速度的变化，滤波电路引起的相移与实际换相需求正好相反，容易造成换相失败。
续流二极管法，是一种通过检测非导通相续流二极管的通断状况来判断反电势过零点的一种方法。
如图7所示，当vTl、vT2导通时中性点电压U0为Udc／2，而当VTl斩波关断时，U0约为0，于是VTl关断期间，vD6阴极的电压基本上能反匝B相的反电动势。
于是当B相的反电动势E00000000的状态从>O变为<0时，vD6的导通状态会将由关断变为导通，反之亦然。
所以，在斩波控制的VTl关断期间检测VD6的变化，获得vD6的首个状态变化点，就能获得反电动势的过零点。
由于二极管比较低的导通压降，所以这种方法在反电动势较低时，也能使用，这样就扩大了调速范围，但是其缺点也是很明显。
比如，需要复杂的检测电路、特殊的PwM控制方法，干扰严重等。
三次谐波检测法，是指通过检测反电势三次谐波分量的过零点来判断转子的位置。
三次谐波电势一般需要从星形电阻网络的中心点M和三相电机绕组的中心Ⅳ的提取。
如图8所示。
显然，由于需要引出电机的中性点，这大大限制了三次谐波法的使用，同时，对电机也有一定的要求，比如，电机要有比较大的三次谐波分量、三相绕组对称等。
但三次谐波法也有很明显的优点，PwM斩波控制和二极管续流都不会形成干扰。
图9给出了实际试验测试中所使用的一种反电动势过零点检测法的硬件图。
从原理图可见，
与三次谐波检测法类似，采用星形电阻网络，并使用其中心点电压U但并没有设法引出电机中性点提取三次谐波。
而是设法利用U中含有的反电势信息，经过R1、R2的分压调理后，可以得到一个控制电路可接受的电压信号UX，从中去除端电压引入的分量，就能够得到一个反应反电势过零点信息的量。
DsP分析处理后，即可以得到反电动势的过零点，这样转子的位置和转速就可以估算出来。
于是控制器以此为依据发出正确换相信号，进行换相控制。
可以看到这种简单的电路即可以实现反电势过零点的提取，同时也避免了引出电机中性点的问题。
但是相当的辨析、判断以及故障诊断工作交给微处理芯片去完成。
在电动空调这个特定的应用场合，大部分无位置传感器转子位置检测方法都存在一定的局限。
这主要是由于电动空调要求电机的启动力矩大，压缩机本身的力矩波动又比较大，实际使用中会经常出现转子位置判断失误，造成换相失败停机，系统运行不稳定的问题。
图9所示的电路是作者在实际空调系统中使用并进行测试的电路。
相比其他，这种方法的硬件电路很简洁，软硬件的实现都比较容易。
对于低速时过零检测精度低，有PwM干扰以及二极管续流干扰等问题，试验证明完全可以通过软件手段和控制策略的合理使用进行弥补和修正。
图lO是一套完整的电动空调压缩机系统的测试平台
表1给出了在测平台上以96v直流电压为供电电源的电动空调压缩机系统，模拟恶劣工作条件下的性能测试数据。
试验中为模拟极限空调运行环境，将空调系统的冷凝风机关闭，试验数据显示随着压缩机压力的上升，电源以及驱动器的输出电流都随之迅速上升，而压缩机的转速仍然能够维持恒定。
在测试系统中，把空调压缩机的高低压压力差小于20kg／cm2的范围视为空调系统可接受的工作范围。
数据显示，在这一工作范围内，压缩机转速恒定，这保证了空调系统在可接受的恶劣条件下能够保持稳定的性能及恒定的制冷量。
当工况进一步恶化，即压力差进一步加大时，电流进一步上升，Ecu会控制压缩机首先降低转速，维持压缩机的运行。
如不能改善系统的运行状况，会强行停机，保护整个系统的安全。
4结语
电动空调系统作为未来汽车特别是新能源汽车上的一种标配器件，已经开始受到越来越多的重视，随着能源问题的加剧，节能环保意识的普遍提高，这一领域的发展空间将进一步扩展。
虽然无位置传感器技术以及无刷直流电机技术在这一领域的应用仍然存在着一些问题，但是相信经过业内人士的共同努力，必将能使我国在这一领域新一轮的技术竞争中处于有利地位。
参考文献
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[4]沈建新，陈永校,永磁无刷直流电动机基于反电势的无传感器控制技术综述微特电机，2007（7）
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