電動(dòng)汽車(chē)自動(dòng)空調(diào)系統(tǒng)分析

余學(xué)偉

（江淮汽車(chē)集團(tuán)股份有限公司，安徽 合肥 230601）

空調(diào)系統(tǒng)是電動(dòng)汽車(chē)不可或缺的關(guān)鍵零部件，以應(yīng)用便攜、降低續(xù)航消耗、提高車(chē)內(nèi)人員舒適性為目的，諸多車(chē)型配置自動(dòng)空調(diào)系統(tǒng)。自動(dòng)空調(diào)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)需要綜合考慮應(yīng)用舒適性、整車(chē)熱管理性能等。諸多駕乘人員對(duì)自動(dòng)空調(diào)的功能模糊，一般自定義空調(diào)模式，使得整車(chē)配置自動(dòng)空調(diào)的意義得不到駕乘人員認(rèn)可。因此，我們需要結(jié)合整車(chē)自動(dòng)空調(diào)控制策略，對(duì)整車(chē)自動(dòng)空調(diào)標(biāo)定進(jìn)行闡述，對(duì)舒適性主觀評(píng)價(jià)進(jìn)行驗(yàn)收，說(shuō)明整車(chē)自動(dòng)空調(diào)標(biāo)定的主要性，旨在提高自動(dòng)空調(diào)控制可靠性，提高車(chē)內(nèi)舒適性，突出電動(dòng)汽車(chē)空調(diào)亮點(diǎn)[1]。

1 整車(chē)空調(diào)系統(tǒng)

汽車(chē)空調(diào)能夠按功能、驅(qū)動(dòng)形式、結(jié)構(gòu)形式、送風(fēng)形式等進(jìn)行分類(lèi)，依照控制形式可分成手動(dòng)機(jī)械式空調(diào)、電動(dòng)空調(diào)（手動(dòng)電控）和自動(dòng)空調(diào)。手動(dòng)機(jī)械式空調(diào)的控制器后置控制機(jī)構(gòu)為機(jī)械式，旋轉(zhuǎn)旋鈕時(shí)機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)將操作力矩傳遞到控制器搖臂上，拉絲在搖臂的帶動(dòng)下，帶動(dòng)空調(diào)主機(jī)風(fēng)門(mén)運(yùn)動(dòng)；電動(dòng)空調(diào)是空調(diào)控制器直接通過(guò)信號(hào)控制各風(fēng)門(mén)電機(jī)驅(qū)動(dòng)各風(fēng)門(mén)結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)；自動(dòng)空調(diào)依據(jù)車(chē)內(nèi)溫度傳感器、外界溫度傳感器、陽(yáng)光傳感器、濕度傳感器的信息以及車(chē)速和設(shè)定溫度的需求，軟件自動(dòng)計(jì)算整車(chē)乘員艙內(nèi)空調(diào)實(shí)時(shí)需求狀態(tài)，并自動(dòng)驅(qū)動(dòng)和執(zhí)行相應(yīng)動(dòng)作。手動(dòng)機(jī)械式空調(diào)和電動(dòng)空調(diào)都是通過(guò)老式旋轉(zhuǎn)按鈕或者空調(diào)控制面板對(duì)風(fēng)量、溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)，控制形式雖不相同但都不能準(zhǔn)確控溫；自動(dòng)空調(diào)通過(guò)傳感器信號(hào)及軟件算法PID（Proportion、Integral、Differential，比例、積分、微分）控制調(diào)節(jié)，人工手動(dòng)參與度減少，自動(dòng)化程度提高。

2 電動(dòng)汽車(chē)自動(dòng)空調(diào)系統(tǒng)的組成要素

2.1 電源

電源是電動(dòng)汽車(chē)行走的動(dòng)力，也是電動(dòng)汽車(chē)空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行的基礎(chǔ)，電動(dòng)汽車(chē)應(yīng)用的是雙電源。電動(dòng)汽車(chē)大多都應(yīng)用鋰電池，鋰電池組對(duì)于所有的汽車(chē)來(lái)說(shuō)基本上都是一致的，主要是由諸多的串接電池所形成的電池組，而這樣的直流電源能夠良好地驅(qū)動(dòng)一部30kW-70kW 電動(dòng)機(jī)。我們?cè)谶@里應(yīng)用3.7V 100 個(gè)串聯(lián)。容量為12000A.H 鋰電池組。另一個(gè)電源就是安裝在車(chē)頂?shù)奶?yáng)能，這主要是由太陽(yáng)能控制器、太陽(yáng)能電池組、蓄電池（組）組成。

2.2 壓縮機(jī)

電動(dòng)汽車(chē)的電池組由直流永磁電機(jī)驅(qū)動(dòng)。目前，汽車(chē)空調(diào)壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)正朝著減輕重量、減小體積、降低噪聲、提高振動(dòng)穩(wěn)定性的方向發(fā)展。電動(dòng)壓縮機(jī)因?yàn)檫x擇應(yīng)用電機(jī)內(nèi)置的封閉結(jié)構(gòu)，不需要軸封。這樣能夠良好地避免軸封與其他部件連接之處，密封所形成的制冷劑外泄，變?nèi)萘空{(diào)節(jié)性能非常好。現(xiàn)階段電動(dòng)汽車(chē)空調(diào)應(yīng)用壓縮機(jī)變?nèi)萘空{(diào)節(jié)形式。[2]

2.3 水冷一體化冷凝器

電動(dòng)汽車(chē)自動(dòng)空調(diào)當(dāng)中的熱交換器在結(jié)構(gòu)上與傳統(tǒng)汽車(chē)空調(diào)器相同，而影響電動(dòng)汽車(chē)空調(diào)制冷效果的是熱交換器。冷凝器的主要效用就是能夠把壓縮機(jī)排出高溫，排出高壓氣體狀態(tài)下的制冷劑R134a 氣體，并通過(guò)冷凝器向環(huán)境散熱量，這樣能夠使高溫高壓氣態(tài)凝結(jié)成高溫高壓液體。為了能夠良好地提高電動(dòng)汽車(chē)的行駛距離，有必要將電量的消耗降至最低，我們?cè)O(shè)計(jì)的水冷一體化冷凝器就是為了更好地降低電能的消耗。

2.4 儲(chǔ)液干燥過(guò)濾器、蒸發(fā)器、膨脹閥

儲(chǔ)液干燥過(guò)濾器的主要效用就是儲(chǔ)存液態(tài)制冷劑。干燥制冷系統(tǒng)的水分以及過(guò)濾雜質(zhì)。我們應(yīng)用的上面裝有三位開(kāi)關(guān)和觀察窗。

膨脹閥的作用就是節(jié)流降壓，在這里我們用ECU來(lái)控制膨脹閥的開(kāi)度，使其更準(zhǔn)確地控制流量和壓力。

2.5 傳感器

車(chē)內(nèi)溫度傳感器、車(chē)外溫度傳感器：檢測(cè)車(chē)廂內(nèi)、外的溫度，一般用負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻構(gòu)成。

日照傳感器：檢測(cè)太陽(yáng)的強(qiáng)度，主要元件是發(fā)光二極管。

冷凝器溫度傳感器、蒸發(fā)器表面溫度傳感器：檢測(cè)冷凝器和蒸發(fā)器的溫度。

制冷劑流量傳感器：檢測(cè)制冷劑的流量大小，把信號(hào)傳遞給BCU。

2.6 控制器

控制器的保護(hù)功能是指在電機(jī)閉鎖的情況下，控制器必須能夠阻擋電流。控制器抗過(guò)電壓能力是指控制器的欠壓自保性能，當(dāng)控制器的電源電壓降到負(fù)壓值時(shí)，電機(jī)逐漸減慢直到停止運(yùn)轉(zhuǎn)為止?？刂破鬟^(guò)流保護(hù)功能是指當(dāng)電機(jī)電流達(dá)到限流值時(shí)，控制器應(yīng)能自動(dòng)限流。幫助功能是指在電動(dòng)汽車(chē)上安裝助力發(fā)生器，使其在人踩腳踏板時(shí)，能夠依據(jù)人踩腳踏板的力度，從而使控制器能夠自動(dòng)調(diào)整電機(jī)的轉(zhuǎn)速，讓電動(dòng)汽車(chē)更省電，反充電可顯示相應(yīng)狀態(tài)的指示燈，加速時(shí)，ECU 讓控制器切斷壓縮機(jī)電源電路[3]。

3 自動(dòng)空調(diào)控制策略

自動(dòng)空調(diào)的核心是CLM（Climate Module，自動(dòng)空調(diào)控制模塊），通過(guò)其實(shí)現(xiàn)所有空調(diào)請(qǐng)求的功能處理和自動(dòng)空調(diào)算法。自動(dòng)空調(diào)具有電池?zé)峁芾砉δ?，支持大屏互控，支持遠(yuǎn)程空調(diào)，并帶有網(wǎng)絡(luò)管理、故障診斷、VCU（Vehicle Control Unit，整車(chē)控制器）刷新功能。帶有電池冷卻器（chiller）雙蒸系統(tǒng)的電動(dòng)汽車(chē)自動(dòng)空調(diào)系統(tǒng)。（1）CLM 與蒸發(fā)器溫度傳感器、車(chē)內(nèi)溫度傳感器、外界溫度傳感器、陽(yáng)光傳感器、壓力開(kāi)關(guān)等通過(guò)硬線傳輸信號(hào)，依據(jù)輸入信號(hào)，對(duì)各風(fēng)門(mén)電機(jī)和鼓風(fēng)機(jī)等執(zhí)行部件及時(shí)調(diào)整。CLM 依據(jù)VCU 發(fā)送的chiller 閥開(kāi)度調(diào)節(jié)需求，通過(guò)硬線信號(hào)調(diào)節(jié)其開(kāi)度，與電池包實(shí)行熱交換。（2）BMS（Battery Management System，電池管理系統(tǒng)）依據(jù)進(jìn)出水口溫度和電池包實(shí)際溫度，以及CLM 通過(guò)CAN（Controller Area Network，控制器局域網(wǎng)）發(fā)送的進(jìn)水口閥開(kāi)度調(diào)節(jié)需求，由CLM對(duì)電池包進(jìn)口水閥開(kāi)度進(jìn)行調(diào)節(jié)，并反饋信息狀態(tài)。（3）CLM 和VCU 通過(guò)CAN 通信，驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)、PTC（Positive Temperature Coefficient，正的溫度系數(shù)）和水泵工作，同時(shí)VCU 需要了解CLM 的故障狀態(tài)、電池包進(jìn)水口閥實(shí)際開(kāi)度及狀態(tài)、chiller 閥開(kāi)度調(diào)節(jié)狀態(tài)等。

4 自動(dòng)空調(diào)標(biāo)定

4.1 標(biāo)定概述

整車(chē)熱管理標(biāo)定主要是為了電池散熱和采暖、電機(jī)散熱、空調(diào)采暖和降溫；空調(diào)標(biāo)定屬于其中一環(huán)，主流的自動(dòng)空調(diào)標(biāo)定算法分成兩種：能量守恒算法、差值算法。

自動(dòng)空調(diào)標(biāo)定是指乘員艙內(nèi)乘員操作大屏或面板上的AUTO 模式按鍵進(jìn)行設(shè)定，CLM 接受命令，這樣能夠使空調(diào)系統(tǒng)自動(dòng)實(shí)行運(yùn)轉(zhuǎn)，同時(shí)還應(yīng)依據(jù)各種傳感器輸入因素上的信號(hào)，對(duì)其各個(gè)風(fēng)門(mén)電機(jī)以及鼓風(fēng)機(jī)等部件進(jìn)行及時(shí)的調(diào)整，這樣能夠讓電動(dòng)汽車(chē)內(nèi)的空氣保持在舒適的狀態(tài)。

標(biāo)定試驗(yàn)分為環(huán)境模擬風(fēng)洞試驗(yàn)、春秋季路試、夏季路試和冬季路試4 種，在環(huán)境模擬試驗(yàn)室（環(huán)境溫度范圍-20℃到40℃）實(shí)行基礎(chǔ)試驗(yàn)標(biāo)定，標(biāo)定參數(shù)用于目標(biāo)出風(fēng)口溫度、鼓風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)、PTC、冷暖混合風(fēng)門(mén)的標(biāo)定；路試標(biāo)定是驗(yàn)證真實(shí)環(huán)境和路況下空調(diào)標(biāo)定結(jié)果。車(chē)型開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)的車(chē)企選擇在實(shí)際道路上實(shí)行四季路試標(biāo)定；開(kāi)發(fā)周期短的車(chē)企選擇在環(huán)境試驗(yàn)室內(nèi)標(biāo)定，不僅增加了試驗(yàn)費(fèi)用，而且效果較實(shí)際路試差[4]。

4.2 標(biāo)定準(zhǔn)備

（1）車(chē)輛狀態(tài)確認(rèn)：在標(biāo)定之前對(duì)車(chē)輛狀態(tài)進(jìn)行確認(rèn)，確保整車(chē)車(chē)況良好，通過(guò)了磨合期測(cè)試，空調(diào)系統(tǒng)部件安裝到位且功能達(dá)標(biāo)，整車(chē)氣密性滿(mǎn)足要求。（2）整車(chē)空調(diào)狀態(tài)：確認(rèn)整車(chē)開(kāi)發(fā)前，供應(yīng)商實(shí)行臺(tái)架試驗(yàn)時(shí)，確保混合風(fēng)門(mén)線性度、吹面吹腳除霜風(fēng)口風(fēng)量分配能夠符合設(shè)計(jì)目標(biāo)值；之后進(jìn)行空調(diào)采暖、降溫最大性能驗(yàn)收，確保滿(mǎn)足車(chē)型目標(biāo)值，整車(chē)空調(diào)系統(tǒng)狀態(tài)完好。（3）布點(diǎn)確認(rèn)：在標(biāo)定試驗(yàn)前確認(rèn)整車(chē)布置熱電偶傳感器測(cè)量點(diǎn)，依照布點(diǎn)方法布置，將溫度傳感器連接到數(shù)據(jù)采集設(shè)備上，為標(biāo)定試驗(yàn)做準(zhǔn)備。

4.3 標(biāo)定試驗(yàn)

通過(guò)數(shù)據(jù)采集儀對(duì)車(chē)內(nèi)各點(diǎn)溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控記錄，空調(diào)系統(tǒng)內(nèi)部數(shù)據(jù)應(yīng)用CANoe 工具和對(duì)應(yīng)軟件進(jìn)行采集，部分關(guān)鍵數(shù)據(jù)可通過(guò)此工具實(shí)時(shí)修改，對(duì)標(biāo)整車(chē)自帶傳感器溫度，查看車(chē)內(nèi)頭部、腳部舒適溫度情況，達(dá)到標(biāo)定的目的。

當(dāng)環(huán)境外溫為35℃時(shí)，空溫度/壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)汽車(chē)預(yù)設(shè)溫度為25℃，頭部目標(biāo)預(yù)設(shè)溫度為25.5oct31，此時(shí)DTI（Difference Temperature In the 外溫溫度為235℃car，車(chē)內(nèi)溫差為內(nèi)溫溫度減去頭部點(diǎn)目標(biāo)溫度）為9.5℃，為盡可能使車(chē)內(nèi)頭部點(diǎn)溫度舒適穩(wěn)定，即DTI 接近0，依據(jù)PID 算法公式連續(xù)對(duì)風(fēng)量、壓縮機(jī)。轉(zhuǎn)速實(shí)行調(diào)整，來(lái)抑制或增強(qiáng)真實(shí)頭部溫度達(dá)到目標(biāo)頭部溫度的差值大小。壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速范圍一般為0～6000 r/min，壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速與蒸發(fā)器溫度、目標(biāo)出風(fēng)溫度之間存在函數(shù)關(guān)系，同時(shí)當(dāng)外溫為35℃時(shí)，空調(diào)AUTO 模式開(kāi)啟，壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速會(huì)迅速達(dá)到最高點(diǎn)，然后DTI 在接近穩(wěn)定時(shí)，輸溫度/風(fēng)量電壓入蒸發(fā)器目標(biāo)溫度和蒸發(fā)器傳感器溫度，動(dòng)態(tài)調(diào)整并輸出壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速直至穩(wěn)定。

鼓風(fēng)機(jī)電壓范圍一般是0～14 V，在空調(diào)自動(dòng)控制狀態(tài)下，風(fēng)量依據(jù)陽(yáng)光、外溫補(bǔ)償之后的電壓值自動(dòng)調(diào)節(jié)，呈線性變化，不允許出現(xiàn)忽大忽小的突變，當(dāng)計(jì)算出的電壓超出范圍值，則默認(rèn)為最大值或最小值。同時(shí)，當(dāng)外溫為35℃時(shí)，空調(diào)AUTO 模式開(kāi)啟，風(fēng)量電壓會(huì)迅速達(dá)到最高點(diǎn)，然后DTI 在接近穩(wěn)定時(shí)，風(fēng)量會(huì)線性降低直至穩(wěn)定。

以上在標(biāo)定軟件中連續(xù)對(duì)風(fēng)量、壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速實(shí)行調(diào)整，系統(tǒng)穩(wěn)定后，車(chē)內(nèi)測(cè)試人員會(huì)感覺(jué)舒適，無(wú)偏熱或者偏冷的感覺(jué)，也無(wú)忽冷忽熱的感覺(jué)，且能夠長(zhǎng)時(shí)間保持舒適，標(biāo)定完成。

4.4 標(biāo)定驗(yàn)收

自動(dòng)空調(diào)標(biāo)定結(jié)束之后直接在環(huán)境模擬試驗(yàn)室進(jìn)行標(biāo)定驗(yàn)收，應(yīng)用室內(nèi)高、低溫舒適性主觀評(píng)價(jià)形式。

（1）主觀評(píng)價(jià)規(guī)則：在高溫舒適性主觀評(píng)價(jià)試驗(yàn)中，當(dāng)評(píng)分為-0.5～0.5 時(shí)，屬于舒適性區(qū)間；當(dāng)評(píng)分為0.5～1 時(shí)，舒適性可接受；當(dāng)評(píng)分為1～3 時(shí)，不可接受。在低溫舒適性主觀評(píng)價(jià)試驗(yàn)中，當(dāng)評(píng)分為-0.5～0.5 時(shí)，屬于舒適性區(qū)間；當(dāng)評(píng)分為-1～-0.5 時(shí)，低溫舒適性可接受，稍冷；當(dāng)評(píng)分為-3～-1 時(shí)，低溫舒適性不可接受，很冷。（2）高溫舒適性主觀評(píng)價(jià)試驗(yàn)分析：高溫舒適性主觀評(píng)價(jià)試驗(yàn)曲線中能夠看出，在40℃環(huán)境下，試驗(yàn)開(kāi)始前15 min 屬于快速降溫階段，評(píng)價(jià)人員打分從3 分較快下降到1 分；當(dāng)試驗(yàn)實(shí)行至第25 min 時(shí)，前排主副駕、后排人員打分在-0.5～0.5 舒適區(qū)內(nèi)；第25～85 min 一直維持這一舒適性；從第85 min 關(guān)閉空調(diào)，并保溫5 min，評(píng)價(jià)人員打分升至3 分，說(shuō)明車(chē)內(nèi)溫度明顯上升，舒適性不能維持，試驗(yàn)結(jié)束。（3）低溫舒適性主觀評(píng)價(jià)試驗(yàn)分析：從低溫舒適性主觀評(píng)價(jià)試驗(yàn)曲線中能夠看出，在零下18℃環(huán)境下，試驗(yàn)開(kāi)始前15 min 屬于快速升溫階段，評(píng)價(jià)人員打分從3 分較快升至1 分；當(dāng)試驗(yàn)實(shí)行至第15 min 時(shí)，前排主、副駕打分均在舒適區(qū)內(nèi)，后排人員整體感覺(jué)微冷；第15～35 min 整體評(píng)價(jià)舒適；從第35 min 關(guān)閉空調(diào)，并保溫10 min，評(píng)價(jià)人員打分降至1 分，說(shuō)明車(chē)內(nèi)溫度有所降低，舒適性不能維持，試驗(yàn)結(jié)束。

在整個(gè)高、低溫舒適性主觀評(píng)價(jià)試驗(yàn)時(shí)中，正駕、副駕和后排整體感受的一致性較高，自動(dòng)空調(diào)在應(yīng)用中能夠快速降溫、升溫且維持性較好，使車(chē)內(nèi)評(píng)價(jià)人員獲得舒適環(huán)境。但當(dāng)空調(diào)關(guān)閉后，整車(chē)環(huán)境舒適性變差，無(wú)法滿(mǎn)足需求，后續(xù)能夠考慮增加空調(diào)關(guān)閉后環(huán)境調(diào)節(jié)功能[5]。

4.5 改進(jìn)方向

自動(dòng)空調(diào)的標(biāo)定策略、標(biāo)定時(shí)和標(biāo)定驗(yàn)收仍存在不足，可從以下方面改進(jìn)。室內(nèi)與室外相結(jié)合，提高標(biāo)定可靠度；整車(chē)在實(shí)際行駛時(shí)，環(huán)境、溫度、濕度復(fù)雜多變，車(chē)型研發(fā)時(shí)，為縮短周期，常在空調(diào)標(biāo)定時(shí)應(yīng)用風(fēng)洞模擬實(shí)際道路環(huán)境，大大降低了標(biāo)定的可靠度?？蓪h(huán)境艙內(nèi)的極限環(huán)境與冬夏季道路試驗(yàn)相結(jié)合，采集每年7～9 月在海南和新疆吐魯番的夏季空調(diào)路試數(shù)據(jù)，以及每年12 月至次年1 月在黑龍江省黑河的冬季空調(diào)路試數(shù)據(jù)，以便在較長(zhǎng)的測(cè)試周期內(nèi)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、解決問(wèn)題，提高自動(dòng)空調(diào)運(yùn)行可靠性和應(yīng)用舒適性。

5 總結(jié)

綜上所述，隨著我國(guó)電動(dòng)汽車(chē)行業(yè)以及在技術(shù)因素上的不斷進(jìn)步，在電動(dòng)汽車(chē)其匹配上自動(dòng)空調(diào)系統(tǒng)是現(xiàn)階段發(fā)展的主要方向，對(duì)其進(jìn)行綜合而系統(tǒng)式的良好分析也就成為必要。本文主要對(duì)電動(dòng)汽車(chē)自動(dòng)空調(diào)系統(tǒng)在電動(dòng)汽車(chē)上的相關(guān)運(yùn)用進(jìn)行了有效的分析，旨在為相關(guān)專(zhuān)業(yè)人士提供參考。