淺析RS485/CAN雙通信有軌電車變頻空調設計

李明剛 于婷婷 徐楊非 王星

摘? 要：變頻空調作為是一種在制冷效果、舒適度以及節能等方面具有優勢的列車設備，能滿足節能、舒適、綠色出行理念?；诖?，本文從系統結構、電氣原理、控制邏輯等方面介紹了一款兼具RS485/CAN通信方式的有軌電車車輛儲能系統的超級電容變頻空調機組，同時闡述了該變頻空調的設計制造過程。

關鍵詞：變頻空調;RS485/CAN通訊;便攜式

中圖分類號：U482.1;TP273.5? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? 文章編號：2096-6903（2020）11-0000-00

0 引言

由于我國能源形勢緊張，這直接導致軌道車輛運營成本的增加。作為軌道車輛能源消耗大戶，若將空調系統中定頻空調系統升級為變頻空調系統對于軌道交通的節能環保有著重要意義。變頻空調不但節能環保，而且可以對空調運行過程中的空氣轉換狀況進行調節，大大提高了制冷效率，降低了輸入功率的消耗，同時兼具運行效率高，噪聲小等特點[1]。

超級電容作為穩定直流電網電壓波動的儲能裝置，以其長壽命，高效率，低污染，免維護，快速充放電等特性，在軌道交通設計中得到廣泛應用[2，3]?；诖?，本文提出了一種基于DC500V-DC600V直流供電的儲能超級電容箱變頻空調，用于調節有軌電車電池箱箱內溫度，以保證電池工作在合適的環境條件中。

1 超級電容變頻空調設計原理

1.1 空調機組的系統設計

超級電容空調裝置的制冷系統由壓縮機、冷凝器、熱力膨脹閥、蒸發器等主要部件組成，通過銅管釬焊連接形成封閉的制冷系統。在制冷回路中，壓縮機將低溫低壓的氣態制冷劑壓縮成高溫高壓的過熱氣體并存入冷凝器，通過室外側軸流風機使外界空氣與冷凝器進行強制換熱，冷凝成高壓液體，節流降壓后成為低溫低壓的液體，經分液器進入蒸發器，通過室內側送風機使電容箱內部空氣與蒸發器進行強制換熱，吸收通過蒸發器空氣的熱量，制冷劑蒸發成為低壓氣體，再經過汽液分離器被壓縮機吸入，壓縮成高溫高壓的過熱氣體，完成一個制冷循環。

當前大多數軌道車輛變頻空調均是一體式空調，即壓縮機、冷凝風機、通風機均集成到箱體內部。本文中空調裝置在設計時選擇分離蒸發風機與空調機組合的方式，即在空調機組內部固定冷凝風機而在機組外部預留通風機接線位置，在使用時超級電容端可自主安裝通風機?？照{裝置的通風機、冷凝風機、控制器所需的DC24V電源均由儲能系統供給，通風機、冷凝風機轉速均按照主控器輸出的PWM波實時調節。

1.2 空調機組基本參數及電路設計

變頻空調設計主要由制冷量、輸入電源電壓、結構尺寸以及通信方式等多個方面來確定。根據儲能系統的要求，該超級電容變頻空調設計主要參數如下表1所示。

DC430V-DC650V的主電源由車輛儲能系統提供，主要用于為變頻壓縮機供電，DC24V電源（DC16.8V～DC30V）也由儲能系統提供，用于提供冷凝風機以及主控器驅動電源。EMI濾波器、RC預充電電路、熔斷器用于對主電路系統進行保護。整個空調機組的主電路原理圖如下圖1所示。

1.3 空調機組控制電路設計

空調機組上電后控制系統和儲能系統通過CAN網絡進行信息交換，通過電容溫度和回風溫度進行判斷，并處于自動模式，將電池箱目標溫度控制在20～30℃。當在目標溫度范圍內進行通風時，當箱內溫度偏高時進行變頻制冷，變頻制冷工況下控制器按照回風溫度的變化不斷調整壓縮機頻率，避免制冷量不足或制冷過強而浪費能源。此外，機組還具有單機線控器以進行應急控制和檢修。

控制系統主要包括電源處理、系統運行所需要的溫度等信號的采集、系統（部件）保護信號的采集、各執行部件的控制輸出、與外界及內部的通訊等?？照{機組與儲能系統的通信方式通常有兩種（RS485與CAN），設計時通過在主控器預留RS485接口，再根據外部設備需求加入RS585轉CAN通信的CONV1模塊，該模塊可根據外部通信方式選擇自由安裝拆卸從而轉換通信方式。

2 超級電容變頻空調優勢介紹

2.1 應用環境、對象創新

本文中所介紹的超級電容變頻空調機組主要為穩定儲能系統超級電容工作溫度而設計，工作環境比常用軌道車輛空調相對嚴苛。且變頻空調機組采用DC430V-DC650電源直供，不同于常見的AC380V/50Hz軌道車輛空調。

2.2 節能環保

采用直流變頻控制技術，根據外部環境溫度實時調節壓縮機頻率，冷凝風機、蒸發風機均根據外溫采用PWM波控制轉速，既使超級電容工作穩定在溫度變化范圍內，又避免了電力資源的浪費。

2.3 RS485/CAN 通信方式自由切換

超級電容變頻空調RS485/CAN兩種通信方式切換方便，使其能夠更好與軌道車輛系統協同發展。同時也有助于縮短空調產品的開發周期，節省成本。

2.4 更好的空間布置

該空調裝置結構上采用蒸發風機與空調箱體分離式的設計方法，優化了空調箱體內部的器件布置，同時也有利于空調機組的運輸以及檢修維護。

3 結語

本文將直流變頻技術應用于儲能系統超級電容空調機組，所設計的空調機組采用多路信號采集、多級故障保護、壓機寬頻率調節以及風機多轉速設定。為了適應后續變頻空調開發的需要，通過安裝/拆卸網絡轉換模塊這一靈活的方式使其通訊方式可方便切換。此外，還在空間設計上優化排布，設計蒸發風機與空調機組分離。經過測試，該變頻空調在制冷效果、噪聲、故障保護、通訊穩定等方面表現良好。為將來軌道車輛直流變頻空調的設計提供了一種新的思路，具有一定的參考價值與指導意義。

參考文獻

[1] 張赤勇.R410a環保型直流變頻空調器的設計[J].家電科技，2013（10）：60-63.

[2] 聶晶鑫，郭育華，夏猛.超級電容儲能裝置在城市軌道交通中的應用[J].電氣化鐵道，2011（2）：52-54.

[3] 王雪迪.基于城市軌道交通車輛的超級電容儲能系統的研究[D].北京：北京交通大學，2008.

收稿日期：2020-19-20

作者簡介：李明剛（1984—），男，重慶人，本科，工程師，研究方向：軌道車輛車鉤、受流器、空調。