第三代丰田普锐斯空调系统解析

2023年11月23日发(作者：中华会计网校官网)

第三代丰田普锐斯空调系统解析

文/北京 马小鹏 陈长秋

混合动力汽车的通风、采暖及制冷(统称空调系统)的功能要求与传统汽车基本相同，但因

两者的驱动力来源存在差异，所以其结构和实现方式不同。通过提高空调系统的转化效率来

减轻汽车动力负担，是混合动力汽车空调系统设计的重要突破。本文以第三代丰田普瑞斯电动

空调系统为例，全面解析混合动力汽车空调系统的构造与特征，以及提高能效利用的技术。

一、系统特征

1.高性能

第三代丰田普锐斯空调系统采用神经网络控制，使乘客可以精确

地控制空调，以获得最佳的舒适度。微尘花粉过滤模式控制，可去除

驾驶员和前排乘客身体上部周围区域的花粉，保证驾驶室内空气的质

量。鼓风机手动模式有7个等级，自动模式有31个等级，便于对出风量

进行精确控制。组合仪表集成了显示方向盘装饰盖开关操作的触摸追

踪显示器，有助于缩短驾驶员的视线移动距离，使驾驶员专注于路面。

太阳能通风系统通过使用后玻璃嵌板产生的动力，操作鼓风机分总

成，将停车时车厢中的高温气体排放到车外。制冷循环中采用压缩/喷

射器循环系统，从而提高制冷效果、降低能量消耗。正温度系数(PTC)

加热器系统利用电加热，可快速加热通过暖风散热器分总成的空气，

从而提高加热器性能。

2.轻量化

系统采用带内置集成电路的总线连接器，减少了线束使用量，

降低整车质量。

3.结构紧凑

系统采用电动变频器压缩机、喷射循环(ECS)型蒸发器分总

成、直流铝制(SFA)-II型暖风散热装置分总成、带储液器的多流式

后天窗玻璃(太阳能车型)

空调压力传感器

电动压缩机

冷凝器

发动机控制单元(ECU)

环境温度 发动机舱继电器盒

传感器

带转换器的逆变器总成

图1 空调系统组成(机舱部分)图2 空调系统组成(控制部分)

(MF)-IV冷凝器总成等模块化设计，不但确保了较高的制冷或加热

性能，还实现了结构更加紧凑。

二、系统组成及主要零部件功能

1.机舱部分

如图1所示，机舱部分主要零部件的功能为：电动逆变器压缩

机，功能为执行制冷剂气体的吸入、压缩和排放，为制冷剂循环提供

动力；带储液器的冷凝器的总成，功能为提供高效率的热交换；环境

温度传感器，功能为检测环境温度，并输出至空调放大器总成；空调

压力传感器，功能为检测制冷剂压力，并发送数据至空调放大器总

成；ECU，功能为接收来自发动机冷却液温度传感器的信号，并将其

传输至空调放大器总成。

2.控制部分

如图2所示，控制部分主要零部件的功能为：空调控制总成，功能

为将操作指令输入系统；空调放大器总成，功能为将数据传输至开关

和传感器，并接收来自开关和传感器的数据；阳光传感器，功能为检测

太阳光的变化量，并将其输出至空调放大器总成；方向盘装饰盖开关

总成，功能为发送方向盘装饰盖开关操作信号至空调控制总成；ECO

模式开关，功能为发送ECO模式开关操作信号至空调控制总成。

方向盘装饰盖开关总成

阳光传感器

太阳能控制单元 车

内温度传感器

混合动力

控制单元

主车身控制

单元(多路

网络ECU)

空调放大器

通风装置开关

ECO模式开关

空调控制总成

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3.制冷、制热及送风部分

如图3所示，制冷、制热及送风部分主要零部件的功能为：鼓风

机分总成，功能为以适当的风速循环室内空气；暖风散热器分总成，

功能为加热通过暖风散热器分总成的空气；膨胀阀，功能为以雾化形

式喷射制冷剂；蒸发器分总成，功能为与通过蒸发器分总成的空气进

行快速的热交换；蒸发器温度传感器，功能为检测经过蒸发器分总

成的冷空气温度，并传输数据至空调放大器总成；车内温度传感器，

功能为检测车内温度，并输出至空调放大器总成；PTC加热器(快速

加热器总成)，功能为可快速加热通过暖风散热器分总成的空气；空

气混合风门伺服机构分总成，功能为根据接收来自温度设定的信号，

操作伺服电动机打开和关闭空气混合风门；再循环风门伺服机构分

总成，功能为通过空调放大器总成接收来自新鲜空气/再循环选择器

开关的操作信号，操作伺服电动机，以打开和关闭新鲜空气/再循环

风门；模式风门伺服机构分总成，功能为通过空调放大器总成接收

来自模式选择器开关的操作信号，操作伺服电动机，以打开和关闭模

式风门；空气净化滤清器，功能为去除花粉和其它微粒，提清洁的循

环空气。

后玻璃嵌板

*

通风装置开关

*

太阳能ECU

(太阳能电池空调)

*

带风扇的鼓风机电动机

分总成

再循环风门伺服机构

分总成

模式风门伺服机构分总成

方向盘装饰盖

空气混合风门伺服机构分总成

PTC加热器

(快速加热器总成)

空调控制总成

LIN

开关总成

空调压力传感器

蒸发温度传感器

阳光传感器

转换器的逆变器

总成

车内温度传感器

环境温度传感器

空调

放大器

总成

后窗除雾器

CAN(V总线)

主车身ECU

带

(多路网络车身ECU)

动力转向ECU

ECM

组合仪表总成

动力管理控制ECU

ECO开关

CAN(分总线12)

*

电动逆变器压缩机

空调逆变器

：带太阳能通风系统的车型

三、系统控制

第三代丰田普瑞斯空调系统采用神经网络控制，使乘客可以精

确地控制空调(图4)。下面列举该系统几项典型的控制模式，进行详

细介绍。

图4 空调控制系统框架图

1.压缩机控制

电动变频器压缩机总成由涡旋压缩机、直流无刷电动机、机油

分离器、电动机轴、空调变频器等组成(图5)。电动变频器压缩机除了

由电动机作为压缩机的动力驱动外，压缩机的基本构造和工作原理

与普通的涡旋式压缩机相同。涡旋式压缩机是目前最先进的第三代

压缩机，它具有体积小、重量轻、零部件少、运动部件受力波动小、振

动小、噪音低、绝热效率高、容积效率高、机械效率高等优点。

涡旋式压缩机主要由动静两个涡旋盘、防自转机构、主轴和支

架体等零件组成。其中动静两个涡旋盘相对旋转一定角度(通常为

180°)，并错开一定距离后(该距离为主轴偏心距)对插在一起，实现

动静涡旋盘的啮合，形成多个啮合点的月牙工作容积腔。随着主轴带

动动涡旋盘旋转，多组月牙工作腔容积逐渐由大变小，从而实现封闭

工作腔容积的周期性变化，完成制冷剂蒸汽的吸入、压缩和排出的工

作循环过程(图6)。压缩机内置机油分离器，能够分离与制冷剂混合

在一起进入到制冷循环的压缩机机油，降低了机油循环率。

电动变频器压缩机将混合动力(HV)蓄电池经逆变器变频的交

变电流(A/C变频器与压缩机集成为一体)，作为压缩机的电源，所以

空调系统的工作不依赖发动机的运行，使车辆能够提供更舒适的空

调环境，并实现较低的油耗(图7)。

空调放大器总成根据目标蒸发器温度(由温度控制开关、车内温

度传感器、环境温度传感器和阳光传感器信号计算得出)计算目标压

再循环风门伺服机构分总成

模式风门伺服机构分总成

PTC加热器

膨胀阀

空调净化滤清器

涡旋型压缩机

空调变频器

(DC→AC)

DC 201.6V

暖风散热器

分总成

蒸发器总成 空气混合风门伺服机构分总成

蒸发器温度传感器

鼓风机分总成

油脂分离器

无电刷型电机

图3 空调系统组成(制冷、制热及送风部分)图5 电动变频压缩机构造

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缩机转速。实际蒸发器温度参数通过空调放大器总成传输给H V动

力管理控制E C U。H V动力管理E C U根据目标压缩机转 速数 据控制

冷凝器 冷凝器

压缩机 压缩机

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空调逆变器输出变频电压，从而控制电动变频压缩机以达到适合空

调系统工作条件的转速。此转速控制在不影响制冷或除雾性能的范

围之内，实现舒适性和低能耗。

电动变频压缩机使用高压变频电压，如果电路线束中发生短路

或断路，则HV动力管理控制ECU会自动切断空调变频器电路，停止

向压缩机的电动机供电(图8)。

膨胀阀 膨胀阀

ECS蒸发器

喷射器

迎风侧

蒸发器

顺风侧

毛细管

压缩喷射性循环系统

涡流导致

能量流失

常规循环控制

吸入

排气口

进气口

图9 压缩/喷射制冷循环系统与常规制冷循环系统对比图

毛细管

喷射器

A

A

动涡

旋盘

静涡

旋盘

压缩

上部储液罐

排放

A-A截面图

蒸发器

(入风侧) 下部

(出风侧) 储液罐

ECS蒸发器

温度控制开关

图10 ESC蒸发器结构

电动变频器压缩机需要使用具有高绝缘性的ND-OIL11型润滑

图6 工作循环过程

目标压缩机转速

空调放大器总成

车内温度传感器

环境温度传感器

阳光传感器 空

根据各种输入

条件计算目标

压缩机转速

CAN(分

总线12)

动力管理

控制ECU

逆变器

控制

电动逆变器

压缩机

调逆变器

油，如果非ND-OIL11型润滑油混合在空调系统内循环，绝缘性能就

会大大的降低，导致漏电故障。

2.制冷量控制

第三代普瑞斯空调制冷系统采用了世界首创的压缩/喷射空调

器。它通过蒸发器上的喷射器将常规制冷循环系统中产生涡流而导

致的能量损失，进行回收转换成压缩机的有用功，从而提高制冷循

环系统的COP值(COP=制冷能力/压缩机消耗动力)，起到节能的效

果。压缩/喷射制冷循环系统与常规制冷循环系统对比如图9所示。

ECS(Ejector Cycle System喷射循环系统)蒸发器(图10)是由

双层散热交换器(迎风侧和顺风侧)组成，喷射器(图11)安装在迎风侧

散热器的制冷剂储液槽内，实现了一体化设计，无需配置连接机构，

既保证耐压的厚壁结构，又减小了体积。

在压缩/喷射型空调

制冷循环中，经冷凝器冷

却的高压液态制冷剂，通

蒸发器温度传感器

图7 电动变频压缩机控制图

电子变频器压缩机

空调变频器

IGBT

电流感应器

HV电池

电力供 温度 电压 应

电路 感应器 感应器

门驱动电路

CPU

过膨胀阀的节流分成两部

分流向：其中一部分到顺

系统保护

控制电路

风侧蒸发器吸热蒸发，并

作为 被 吸 流体 进 入 喷 射

HV

ECU

输入/输出接口

图8 空调变频器内部电路图11 ESC喷射器结构

器；另一部分直接作为工

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作流体进入喷射器膨胀，将其势能转化成动能，并与被吸流体混合。

再在喷射器扩压室内减速升压，将动能转换为势能，使进入迎风侧

蒸发器吸热蒸发出来的制冷剂压力升高(图12)。喷射器的作用：一方

面，提高了压缩机入口制冷剂的压力，回收了部分节流损失功；另一

方面，使顺风侧蒸发器中的制冷剂压力低于迎风侧蒸发器制冷剂压

力，形成更低的温度条件，减少蒸发器温差传热损失(图13)。

鼓风机电机

太阳能电池板

(太阳能组件)

自带储液

器的冷凝

器总成

自顺风侧的冷却器

蒸发器分总成

喷嘴

至迎风侧的冷却器

蒸发器分总成

混合部分

喷雾部分

由于流速减弱而

引起的压力升高

图15 太阳能通风系统

太阳能电池

组件

进气口控制

伺服电机

出风口控制

伺服电机

鼓风机

电机

压力

流速

带储液器的冷

凝器总成中的

制冷剂流

由于压力

降低而引

起的吸入

鼓风机电机 通风

顺风侧的冷却器蒸发器

分总成中的制冷剂流

图12 压缩/喷射型空调制冷循环系统工作过程

冷凝器

压缩机

混合部分

被吸入 扩散部分

来自蒸发器

(顺风侧)迎风侧

喷射器

蒸发器(下侧)

顺风侧

1.通过排放器制冷剂被吸入

2.它保持冷却器压力低于蒸发器(下侧)

3.空气在蒸发器更大程度上的被冷却(上侧)

开关

空调放大器

太阳能通风ECU

来自

膨胀阀侧

喷射器

喷嘴

流向蒸发器

(迎风侧) 图16 太阳能通风系统零件组成

+B

电源

太阳能通风

ECU

电源

EG1

继电器

鼓风机

电机

继电器

鼓风机电机

(带控制器)

膨胀阀

太阳能电池组件

蒸发器

ON

OFF

通风开关

进气口控制

伺服电机

通风开关

状态

控制

系统

状态

毛细管

压缩喷射循环系统

增强了冷却效率

图13 制冷效果原理

℃

空调放大器

出风口控制

伺服电机

行驶 驻车

图17 太阳能通风系统控制电路

3.太阳能通风控制

当车辆在炎热的天气，长时间停车，车内的温度会升高(图14)，

影响乘客再次上车时的舒适性。第三代普瑞斯在空调系统中，新增

加了太阳能通风系统(图15)。停车后，太阳能通风系统被激活，排出

时间

驻车和下车

不带太阳能通风系统的车型

带太阳能通风系统的车型

车内高温气体来降低或抑制车内温度的升高。太阳能通风系统零件

组成如图16所示。太阳能通风系统零件功能如表1所示。太阳能通风

系统控制电路如图17所示。

太阳能通风系统是依靠太阳能电池组件吸收阳光产生电力，并

向太阳能通风E C U和鼓风机电机提 供电力。太阳能电池组由36片

电池片组成，最大输出功率为53W(图18)。太阳能电池组件在阳光

图14 车内温度升高示意图

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照射量变大，输出电量增加；当阳光照射角度小时，单位面积照射量

减小，输出电量减少；当太阳能电池组件温度变低，供电量增加(图

19)。

太阳能通风系统启动条件：车辆电源模式为关闭；通风开关打

开；电源关闭；通风开关打开的情况下大约10min后；阳光照射量大

约为500W/㎡或更多。

太阳能通风系统关闭条件：车辆电源模式打开；通风开关关闭；

阳光照射量低于500W/㎡超过5min；太阳能电池组件电压≤10V或

≥18V。

为了防止停车后车内冷气的流失，系统在电源开关OFF 10min

后开始运行。通风运行时鼓风机电机按照太阳能电池组产生的电量

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表1 太阳能通风系统零部件功能

零部件 功能

后玻璃嵌板 由阳光产生电力，供给太阳能ECU和鼓风机分总成供电

太阳能ECU 通过后玻璃嵌板产生的电力激活并控制太阳能通风

通风开关 启动或关闭太阳能通风系统

太阳能继电器 将鼓风机分总成的电源从辅助蓄电池切换至后玻璃嵌板

鼓风机分总成 通过后玻璃嵌板产生的电力驱动并执行通风

空调放大器总成

发送驱动信号至模式风门伺服机构分总成和再循环风门伺服

机构分总成

模式风门伺服机 根据来自空调放大器总成的信号驱动电动机并将出气模式切

构分总成 换至面部

再循环风门伺服 根据来自空调放大器总成的信号驱动电动机并将出气模式切

机构分总成 换至外循环

6片

6片

图20 太阳能通风系统操作

图21 太阳能通风系统检测

36片

通风开关：ON

IG1

继电器

ON

太阳能

通风

ECU

＋B

鼓风机 鼓风机

电机 继电机 继

电器 电器

通风开关：OFF

IG1继电器

OFF

太阳能

通风

ECU

＋B

说明(参考)

最大输出功率为53W

(在以下的条件下)

·暴晒的情况下：1000W/m

·太阳能电池温度：25℃

2

电池片

图18 太阳能电池组件参数

鼓风机

电机

鼓风机

电机

图22 太阳能通风系统进入测试模式的方法

来运转，并且为了提供更好的通风条件，在电源开关关闭大约1min

后，空调放大器开关选择空气流入模式为FRESH(外循环)，空气吹

出模式为FACE(面部)。当车辆电源打开后，空调放大器会恢复上次

停机前的进气模式或吹风位置(图20)。

太阳能通风系统检测时，需将车辆停在温度稳定、日照量充足

的地方，并静置大约10min(图21)。通过智能检测仪菜单：车身电器

→空调→数据流栏，读取系统数据(表2)。还可以通过测试模式激活

鼓风机电机运转(图22)，检查太阳能ECU接收到的太阳能通风开关

状态和太阳能ECU输出至鼓风机电机占空比状态。带有太阳能通风

系统的空调滤清器的更换时间需相应缩短。

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图19 太阳能电池组

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表2 太阳能通风系统-数据流

诊断设备显示 测量项目 范围

太阳能电池电压 太阳能电池实际电压 变量(10～23V)

太阳能通风开关状态 开关状态 OFF，ON

太阳能开启状态 太阳能通风ECU开启状态 OFF，ON

太阳能通风测试模式 太阳能通风ECU检测模式状态 OFF，ON

太阳能通风检测模式

(只在工厂使用)

太阳能通风检测模式 E n a b l e，Di s a b l e

(可以，不可以)

按并保持

空调系统

HV电池

空调遥控控制框架图

图24 遥控空调系统

图23 遥控空调系统运行原理

·礼貌灯开关

·门锁开关

车身ECU

认证ECU

DC-DC转换

IG1 IG2

继电器 继电器

SMR

HV电池

压缩机和电机

压缩机和电机

电源管理控制

ECU

顶部温度

传感器

室外温度传感器

光照传感器

空调放大器

电池信息

·动力开关

·挡位

·通车等开关

门控接收器

空调 遥控

开关

鼓风机电机

伺服电机

图25 空调遥控控制框架图图26 环保行驶模式

表3 ECO控制模式

ECO控制模式 影响 ECO控制模式取消条件(OR)

开关检测进气口处温度为大约20℃或更低 降低通风系统的能耗

当选择自动模式时，降低鼓风机20％的能耗

抑制能源消耗

停止PTC加热器工作

压缩机电机最高转速减低10％

降低冷启动前对发动机冷却液加热的功耗 增加发动机停机时间

注：ECO模式指示灯点亮，并且ECO控制模式取消条件被解除。系统工作恢复正常。

ECO模式开关关闭

DEF模式被选择* 鼓

风机电机关闭* 遥控空

调系统进行中*

4.遥控启动

按下钥匙上的遥控空调开关(图23)，空调系统使用来自HV蓄电

池的电源，自动控制空调运行，最长运行时间3min。在驾乘人员进入

车辆前，让空调系统发挥制冷功能(图24)。遥控空调系统控制框架图

如图25所示。

当满足电源模式为关闭、点火开关没有被按下、挡位为P挡、所

有车门均关闭并锁止、发动机舱盖没有打开、制动踏板没有被踩下、

件设定了目标温度的条件时，按下并保持遥控空调控制开关0.8s或

更长时间，才能启动遥控空调系统。 系统停止操作条件：当上述遥控

空调系统启动操作条件不满足

时、运行大约3min之后停止、当遥控空调开关在3s内连按两次。

5.环保行驶(ECO)模式

按下控制面板 上的E C O 模式开关，环保行驶模式被 激 活(图

26)。ECO行驶模式期间，空调放大器将空调系统性能限制在规定

状态(表3)，从而提高燃油经济型。

防盗系统没有在报警状态、HV电池状态在至少为三格、空调操作条

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