電動汽車自動空調系統分析

程 琳，韓友國，姚朝華，吳洪濤Cheng Lin，Han Youguo，Yao Chaohua，Wu Hongtao

電動汽車自動空調系統分析

程 琳，韓友國，姚朝華，吳洪濤
Cheng Lin，Han Youguo，Yao Chaohua，Wu Hongtao

（奇瑞新能源汽車股份有限公司，安徽 蕪湖 241002）

自動空調系統可以根據車內溫度、外界環境溫度和人工設定要求自動調節壓縮機的啟停、PTC（Positive Temperature Coefficient，正的溫度系數）功率、風機轉速及各風門開度，對車內溫濕度、空氣質量進行微調，使車內始終保持舒適環境；從自動空調系統組成、控制策略、標定以及標定后的舒適性幾個方面對整車自動空調進行闡述。

電動汽車；自動空調；標定；舒適性

0 引 言

空調系統是電動汽車不可或缺的關鍵零部件，以使用便攜、降低續航消耗、提升車內人員舒適性為目的，很多車型配置自動空調系統。自動空調系統的開發過程需要綜合考慮使用舒適性、整車熱管理性能等。很多駕乘人員對自動空調的功能模糊，通常自定義空調模式，使得整車配置自動空調的意義得不到駕乘人員認可[1]。

結合整車自動空調控制策略，對整車自動空調標定過程進行闡述，對舒適性主觀評價進行驗收，說明整車自動空調標定的重要性。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 整車空調系統

汽車空調可以按功能、驅動方式、結構形式、送風方式等進行分類，按照控制方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[2]；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；自動空調根據車內溫度傳感器、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，控制方式雖不同但都不能精確控溫；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 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如圖1所示。

（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，根據輸入信號，對各風門電機和鼓風機等執行部件及時調整。CLM根據VCU發送的chiller閥開度調節需求，通過硬線信號調節其開度，與電池包進行熱交換。

（2）BMS（Battery Management System，電池管理系統）根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。

圖1 自動空調系統架構

3 自動空調標定

3.1 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2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，使空調系統自動運行，根據各種傳感器輸入的信號，對各風門電機和鼓風機等執行部件及時進行調整，使車內的空氣環境保持舒適狀態。

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-20～40 ℃）進行基礎試驗標定，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進行四季路試標定；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。

3.2 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，保證整車車況良好，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，供應商進行臺架試驗時，保證混合風門線性度、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，保證滿足車型目標值，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，如圖2所示，按照布點方法布置，將溫度傳感器連接到數據采集設備上，為標定試驗做準備。

3.3 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，空調系統內部數據使用CANape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。

圖2 試驗測量點

如圖3（a）所示，當環境外溫為35 ℃時，空調AUTO預設溫度為25 ℃，頭部目標預設溫度為25.5 ℃[3]，此時DTI（Difference Temperature In the 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，根據PID算法公式連續對風量、壓縮機轉速進行調整，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是0～6 000 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，如圖3（b）所示，當外溫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在接近穩定過程中，輸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，風量根據陽光、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。如圖3（c）所示，當外溫35℃時，空調AUTO模式開啟，風量電壓會迅速達到最高點，然后DTI在接近穩定過程中，風量會線性降低直至穩定。

以上在標定軟件中連續對風量、壓縮機轉速進行調整，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。

3.4 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，采用室內高、低溫舒適性主觀評價方式，試驗工況見表1。

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

從圖4高溫舒適性主觀評價試驗曲線中可以看出，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；當試驗進行至第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

從圖4低溫舒適性主觀評價試驗曲線中可以看出，在-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；當試驗進行至第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。

圖4 高、低溫舒適性主觀評價分值曲線

在整個高、低溫舒適性主觀評價試驗過程中，正駕、副駕和后排整體感受的一致性較高，自動空調在使用過程中能夠快速降溫、升溫且維持性較好，使車內評價人員獲得了舒適環境。但當空調關閉后，整車環境舒適性變差，無法滿足需求，后續可以考慮增加空調關閉后環境調節功能。

4 改進方向

自動空調的標定策略、標定過程和標定驗收仍存在不足，可以從以下3個方面改進。

（1）室內與室外相結合，提升標定可靠度。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，常在空調標定時采用風洞模擬實際道路環境，大大降低了標定的可靠度?？梢詫h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，提升自動空調運行可靠性和使用舒適性。

（2）增加驗收試驗工況。人們對于乘車舒適性的要求越來越高，從簡單的冬暖夏涼需求發展到身體各部位全季節舒適需求，可對應增加男性、女性或兒童、成人、老人不同人群的體感驗收評價以及春秋季驗收評價。

（3）將虛擬仿真與自動空調標定相結合。通過引入空調假人不斷優化控制策略，建立適合我國人群特征的空調舒適性評價規范，搭建閉環測評體系，使自動空調開發流程更完善，評價結果更有效、客觀及合理。

[1]余明明，黃憲波，袁正，等. 基于人體舒適性的自動空調控制性研究[J]. 汽車文摘，2020（11）： 51-55.

[2]秦紅，姚軍平，谷豐. 汽車空調手動控制器拉絲走向結構設計的探討[J]. 汽車電器，2011（5）：6-8.

[3]SCHLADER Z J. The Human Thermoneutral and Thermal Comfort Zones：Thermal Comfort in Your Own Skin Blood Flow [J]. Temperature，2015，2（1）：47-48.

2021-07-02

1002-4581（2021）05-0009-05

U463.85+1

A

10.14175/j.issn.1002-4581.2021.05.003