電動汽車自動空調系統分析

余學偉

（江淮汽車集團股份有限公司，安徽 合肥 230601）

空調系統是電動汽車不可或缺的關鍵零部件，以應用便攜、降低續航消耗、提高車內人員舒適性為目的，諸多車型配置自動空調系統。自動空調系統的開發需要綜合考慮應用舒適性、整車熱管理性能等。諸多駕乘人員對自動空調的功能模糊，一般自定義空調模式，使得整車配置自動空調的意義得不到駕乘人員認可。因此，我們需要結合整車自動空調控制策略，對整車自動空調標定進行闡述，對舒適性主觀評價進行驗收，說明整車自動空調標定的主要性，旨在提高自動空調控制可靠性，提高車內舒適性，突出電動汽車空調亮點[1]。

1 整車空調系統

汽車空調能夠按功能、驅動形式、結構形式、送風形式等進行分類，依照控制形式可分成手動機械式空調、電動空調（手動電控）和自動空調。手動機械式空調的控制器后置控制機構為機械式，旋轉旋鈕時機械傳動結構將操作力矩傳遞到控制器搖臂上，拉絲在搖臂的帶動下，帶動空調主機風門運動；電動空調是空調控制器直接通過信號控制各風門電機驅動各風門結構運動；自動空調依據車內溫度傳感器、外界溫度傳感器、陽光傳感器、濕度傳感器的信息以及車速和設定溫度的需求，軟件自動計算整車乘員艙內空調實時需求狀態，并自動驅動和執行相應動作。手動機械式空調和電動空調都是通過老式旋轉按鈕或者空調控制面板對風量、溫度進行調節，控制形式雖不相同但都不能準確控溫；自動空調通過傳感器信號及軟件算法PID（Proportion、Integral、Differential，比例、積分、微分）控制調節，人工手動參與度減少，自動化程度提高。

2 電動汽車自動空調系統的組成要素

2.1 電源

電源是電動汽車行走的動力，也是電動汽車空調系統運行的基礎，電動汽車應用的是雙電源。電動汽車大多都應用鋰電池，鋰電池組對于所有的汽車來說基本上都是一致的，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動一部30kW-70kW 電動機。我們在這里應用3.7V 100 個串聯。容量為12000A.H 鋰電池組。另一個電源就是安裝在車頂的太陽能，這主要是由太陽能控制器、太陽能電池組、蓄電池（組）組成。

2.2 壓縮機

電動汽車的電池組由直流永磁電機驅動。目前，汽車空調壓縮機的設計正朝著減輕重量、減小體積、降低噪聲、提高振動穩定性的方向發展。電動壓縮機因為選擇應用電機內置的封閉結構，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，變容量調節性能非常好。現階段電動汽車空調應用壓縮機變容量調節形式。[2]

2.3 水冷一體化冷凝器

電動汽車自動空調當中的熱交換器在結構上與傳統汽車空調器相同，而影響電動汽車空調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排出高溫，排出高壓氣體狀態下的制冷劑R134a 氣體，并通過冷凝器向環境散熱量，這樣能夠使高溫高壓氣態凝結成高溫高壓液體。為了能夠良好地提高電動汽車的行駛距離，有必要將電量的消耗降至最低，我們設計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 儲液干燥過濾器、蒸發器、膨脹閥

儲液干燥過濾器的主要效用就是儲存液態制冷劑。干燥制冷系統的水分以及過濾雜質。我們應用的上面裝有三位開關和觀察窗。

膨脹閥的作用就是節流降壓，在這里我們用ECU來控制膨脹閥的開度，使其更準確地控制流量和壓力。

2.5 傳感器

車內溫度傳感器、車外溫度傳感器：檢測車廂內、外的溫度，一般用負溫度系數熱敏電阻構成。

日照傳感器：檢測太陽的強度，主要元件是發光二極管。

冷凝器溫度傳感器、蒸發器表面溫度傳感器：檢測冷凝器和蒸發器的溫度。

制冷劑流量傳感器：檢測制冷劑的流量大小，把信號傳遞給BCU。

2.6 控制器

控制器的保護功能是指在電機閉鎖的情況下，控制器必須能夠阻擋電流。控制器抗過電壓能力是指控制器的欠壓自保性能，當控制器的電源電壓降到負壓值時，電機逐漸減慢直到停止運轉為止。控制器過流保護功能是指當電機電流達到限流值時，控制器應能自動限流。幫助功能是指在電動汽車上安裝助力發生器，使其在人踩腳踏板時，能夠依據人踩腳踏板的力度，從而使控制器能夠自動調整電機的轉速，讓電動汽車更省電，反充電可顯示相應狀態的指示燈，加速時，ECU 讓控制器切斷壓縮機電源電路[3]。

3 自動空調控制策略

自動空調的核心是CLM（Climate Module，自動空調控制模塊），通過其實現所有空調請求的功能處理和自動空調算法。自動空調具有電池熱管理功能，支持大屏互控，支持遠程空調，并帶有網絡管理、故障診斷、VCU（Vehicle Control Unit，整車控制器）刷新功能。帶有電池冷卻器（chiller）雙蒸系統的電動汽車自動空調系統。（1）CLM 與蒸發器溫度傳感器、車內溫度傳感器、外界溫度傳感器、陽光傳感器、壓力開關等通過硬線傳輸信號，依據輸入信號，對各風門電機和鼓風機等執行部件及時調整。CLM 依據VCU 發送的chiller 閥開度調節需求，通過硬線信號調節其開度，與電池包實行熱交換。（2）BMS（Battery Management System，電池管理系統）依據進出水口溫度和電池包實際溫度，以及CLM 通過CAN（Controller Area Network，控制器局域網）發送的進水口閥開度調節需求，由CLM對電池包進口水閥開度進行調節，并反饋信息狀態。（3）CLM 和VCU 通過CAN 通信，驅動壓縮機、PTC（Positive Temperature Coefficient，正的溫度系數）和水泵工作，同時VCU 需要了解CLM 的故障狀態、電池包進水口閥實際開度及狀態、chiller 閥開度調節狀態等。

4 自動空調標定

4.1 標定概述

整車熱管理標定主要是為了電池散熱和采暖、電機散熱、空調采暖和降溫；空調標定屬于其中一環，主流的自動空調標定算法分成兩種：能量守恒算法、差值算法。

自動空調標定是指乘員艙內乘員操作大屏或面板上的AUTO 模式按鍵進行設定，CLM 接受命令，這樣能夠使空調系統自動實行運轉，同時還應依據各種傳感器輸入因素上的信號，對其各個風門電機以及鼓風機等部件進行及時的調整，這樣能夠讓電動汽車內的空氣保持在舒適的狀態。

標定試驗分為環境模擬風洞試驗、春秋季路試、夏季路試和冬季路試4 種，在環境模擬試驗室（環境溫度范圍-20℃到40℃）實行基礎試驗標定，標定參數用于目標出風口溫度、鼓風機、壓縮機、PTC、冷暖混合風門的標定；路試標定是驗證真實環境和路況下空調標定結果。車型開發周期長的車企選擇在實際道路上實行四季路試標定；開發周期短的車企選擇在環境試驗室內標定，不僅增加了試驗費用，而且效果較實際路試差[4]。

4.2 標定準備

（1）車輛狀態確認：在標定之前對車輛狀態進行確認，確保整車車況良好，通過了磨合期測試，空調系統部件安裝到位且功能達標，整車氣密性滿足要求。（2）整車空調狀態：確認整車開發前，供應商實行臺架試驗時，確保混合風門線性度、吹面吹腳除霜風口風量分配能夠符合設計目標值；之后進行空調采暖、降溫最大性能驗收，確保滿足車型目標值，整車空調系統狀態完好。（3）布點確認：在標定試驗前確認整車布置熱電偶傳感器測量點，依照布點方法布置，將溫度傳感器連接到數據采集設備上，為標定試驗做準備。

4.3 標定試驗

通過數據采集儀對車內各點溫度進行實時監控記錄，空調系統內部數據應用CANoe 工具和對應軟件進行采集，部分關鍵數據可通過此工具實時修改，對標整車自帶傳感器溫度，查看車內頭部、腳部舒適溫度情況，達到標定的目的。

當環境外溫為35℃時，空溫度/壓縮機轉速調汽車預設溫度為25℃，頭部目標預設溫度為25.5oct31，此時DTI（Difference Temperature In the 外溫溫度為235℃car，車內溫差為內溫溫度減去頭部點目標溫度）為9.5℃，為盡可能使車內頭部點溫度舒適穩定，即DTI 接近0，依據PID 算法公式連續對風量、壓縮機。轉速實行調整，來抑制或增強真實頭部溫度達到目標頭部溫度的差值大小。壓縮機轉速范圍一般為0～6000 r/min，壓縮機轉速與蒸發器溫度、目標出風溫度之間存在函數關系，同時當外溫為35℃時，空調AUTO 模式開啟，壓縮機轉速會迅速達到最高點，然后DTI 在接近穩定時，輸溫度/風量電壓入蒸發器目標溫度和蒸發器傳感器溫度，動態調整并輸出壓縮機轉速直至穩定。

鼓風機電壓范圍一般是0～14 V，在空調自動控制狀態下，風量依據陽光、外溫補償之后的電壓值自動調節，呈線性變化，不允許出現忽大忽小的突變，當計算出的電壓超出范圍值，則默認為最大值或最小值。同時，當外溫為35℃時，空調AUTO 模式開啟，風量電壓會迅速達到最高點，然后DTI 在接近穩定時，風量會線性降低直至穩定。

以上在標定軟件中連續對風量、壓縮機轉速實行調整，系統穩定后，車內測試人員會感覺舒適，無偏熱或者偏冷的感覺，也無忽冷忽熱的感覺，且能夠長時間保持舒適，標定完成。

4.4 標定驗收

自動空調標定結束之后直接在環境模擬試驗室進行標定驗收，應用室內高、低溫舒適性主觀評價形式。

（1）主觀評價規則：在高溫舒適性主觀評價試驗中，當評分為-0.5～0.5 時，屬于舒適性區間；當評分為0.5～1 時，舒適性可接受；當評分為1～3 時，不可接受。在低溫舒適性主觀評價試驗中，當評分為-0.5～0.5 時，屬于舒適性區間；當評分為-1～-0.5 時，低溫舒適性可接受，稍冷；當評分為-3～-1 時，低溫舒適性不可接受，很冷。（2）高溫舒適性主觀評價試驗分析：高溫舒適性主觀評價試驗曲線中能夠看出，在40℃環境下，試驗開始前15 min 屬于快速降溫階段，評價人員打分從3 分較快下降到1 分；當試驗實行至第25 min 時，前排主副駕、后排人員打分在-0.5～0.5 舒適區內；第25～85 min 一直維持這一舒適性；從第85 min 關閉空調，并保溫5 min，評價人員打分升至3 分，說明車內溫度明顯上升，舒適性不能維持，試驗結束。（3）低溫舒適性主觀評價試驗分析：從低溫舒適性主觀評價試驗曲線中能夠看出，在零下18℃環境下，試驗開始前15 min 屬于快速升溫階段，評價人員打分從3 分較快升至1 分；當試驗實行至第15 min 時，前排主、副駕打分均在舒適區內，后排人員整體感覺微冷；第15～35 min 整體評價舒適；從第35 min 關閉空調，并保溫10 min，評價人員打分降至1 分，說明車內溫度有所降低，舒適性不能維持，試驗結束。

在整個高、低溫舒適性主觀評價試驗時中，正駕、副駕和后排整體感受的一致性較高，自動空調在應用中能夠快速降溫、升溫且維持性較好，使車內評價人員獲得舒適環境。但當空調關閉后，整車環境舒適性變差，無法滿足需求，后續能夠考慮增加空調關閉后環境調節功能[5]。

4.5 改進方向

自動空調的標定策略、標定時和標定驗收仍存在不足，可從以下方面改進。室內與室外相結合，提高標定可靠度；整車在實際行駛時，環境、溫度、濕度復雜多變，車型研發時，為縮短周期，常在空調標定時應用風洞模擬實際道路環境，大大降低了標定的可靠度。可將環境艙內的極限環境與冬夏季道路試驗相結合，采集每年7～9 月在海南和新疆吐魯番的夏季空調路試數據，以及每年12 月至次年1 月在黑龍江省黑河的冬季空調路試數據，以便在較長的測試周期內發現問題、解決問題，提高自動空調運行可靠性和應用舒適性。

5 總結

綜上所述，隨著我國電動汽車行業以及在技術因素上的不斷進步，在電動汽車其匹配上自動空調系統是現階段發展的主要方向，對其進行綜合而系統式的良好分析也就成為必要。本文主要對電動汽車自動空調系統在電動汽車上的相關運用進行了有效的分析，旨在為相關專業人士提供參考。