新能源汽车空调在人机交互系统的节能应用研究

罗 志 高 ， 卓 献 荣， 车 志， 梁 宇 琪

（1. 广州城建职业学院，广东广州 510900；2. 仲恺农业工程学院，广东广州 510225；3. 九州能源有限公司，广东广州 510000）

0 引言

新能源汽车是《中国制造2025》重点发展产业，作为新能源汽车的关键零部件汽车空调，在传统动力向新能源动力转换的过程中，空调系统需要在传统动力车用空调的基础上，进行技术升级和针对新能源车做特定适应性开发。也是突破“卡脖子”技术制造的问题，向零部件自主研发、向中国创造的升级迈进。汽车空调作为影响汽车舒适性的主要因素之一，为汽车提供制冷、取暖、除霜、除雾、空气过滤和湿度控制等功能，在人机交互系统的应用中越来越智能化，成为汽车空调市场节能降耗的主要研究领域。

据中国汽车工业协会今年发布的最新数据显示，2019年中国新能源汽车销量为120.6万辆，同比下降4%，这虽然是中国自2009年启动新能源汽车市场化以来的首次下滑，但整体销量已经来到百万级数量，这对于研究汽车空调的节能降耗，也具有越来越重要的社会意义［1］。

图1 2013年至2019年新能源汽车销售及增长率

表1 2019年1-12月新能源汽车销售情况单位：万辆，%

1 新能源汽车空调系统工作原理的异同

汽车空调系统主要由制冷装置、制热装置、通风装置、加湿装置、控制装置等环节组成。新能源汽车空调系统和传统燃油汽车空调系统的工作原理差异主要表现在以下方面：

1.1 新能源汽车空调主要是利用电加热的方式实现暖风

传统汽车暖风装置，主要利用发动机冷却液的余热或发动机排气的余热作为热源，并引入热交换器，再由风机将车内或车外空气吹过热交换器而使之升温。而新能源汽车在暖风实现形式上，通常是利用电加热的方式来产生暖风的。电加热的方式有两种：一种直接加热经过蒸发箱的空气实现暖风；另一种通过加热冷却液，再经过冷却液的循环，为暖风冷却液箱提供热量。

1.2 新能源汽车空调压缩机通过电池提供动力驱动

传统汽车和新能源汽车空调系统制冷原理基本相同，即是说，汽车空调压缩机通过压缩来自蒸发器的低压、低温蒸汽，并将其加压成高压、高温的蒸汽输送到到冷凝器，在冷凝器中，高温高压的气态制冷剂把热量传递给经过冷凝器的车外空气而液化，变成液体，使制冷剂在制冷系统中完成循环往复运动。通过制冷剂在空调系统中的不断循环，进行热交换，吸收车辆内空气的热量并排到汽车外部的空气中，逐步使得汽车车内空气的温度逐渐下降，达到人体舒适的环境。不同之处主要是，传统汽车空调压缩机大多数采用发动机传动带驱动，而新能源汽车压缩机通常采用电池提供动力来进行驱动。

1.3 新能源汽车空调送风系统通过人机交互实现智能化

新能源汽车送风系统与传统汽车原理上来讲，是基本相同的，但高新科技的不断成熟推动着汽车行业的快速发展，特别是新能源汽车的推广，给汽车智能化带来了更多可能。新能源汽车空调系统加了各种传感器、语音识别控制以及微电脑及云计算功能，在汽车的智能化进程中，将语音识别技术全面而精准的运用到汽车空调控制，更加智能化和人性化。传统汽车是新鲜空气通过送风机，经过蒸发器，经过加热器到各个出风口；新能源汽车则是空气通过蒸发器和热交换器形成冷风或者暖风以及合适的风速，再根据驾驶员的需要输送到指定风口。驾驶员在平视的情况下能够全方位发出和接受声音资源，因此语音识别和听觉显示在驾驶过程中由于不占用太多的注意力而具备较大优势。新能源汽车空调在人机交互设计中，信息的接收可以通过声音的内容来获取，信息的传达可通过声音内容、声音本身如音量、音调、响度等属性、声音的表现形式（如跨度、韵律、意象等）等来表现不同的声音显示［2］。系统根据语音控制信号，结合汽车运行过程中的温度、湿度、光照强度等参数，对汽车空调系统的模式风门、内外循环风门、混合风门、压缩机、鼓风机、后除霜等进行控制。值得一提的是，在汽车人机交互界面的语音识别设计中，能够对一些误识别结果进行屏蔽，减少因误识别而引起的汽车空调的不合理的控制，在人机交互系统中，通过识别汽车空调控制的关键字，能够满足语音识别率的95%以上。另一方面，在驾驶过程中，由于还有其它乘客，这就使得语音控制环境相对要复杂一些，驾驶员发出的语音指令容易被其他人的声音信息干扰，变得模糊且不易分辨，特殊指令的声音信号容易被其他相似的音调信号掩蔽，因此汽车的语音识别还要有语音环境的兼容性［3］。

2 纯电动汽车空调的结构特点

电动汽车空调系统组成与常规车类似，也主要由HVAC总成、空调风管总成、空调管路总成、压缩机、冷凝器、空调控制面板及相关传感器、空调驱动器等组成。其中空调驱动器与DC-DC布置于同一壳体中，位于前舱左侧。与传统空调最大的差异在于传统的汽车空调由发动机带动，而纯电动汽车由于没有发动机，而是以动力电池作为整车的动力源，呈现以下特点：

（1）蜗旋式电动压缩机。目前在用轿车多采用斜盘式压缩机，往往通过皮带轮将发动机的动力传递给压缩机；而纯电动压缩机不再由发动机通过外驱式皮带轮驱动，而是由电动机和压缩机组装为一体，同轴驱动，不再出现传统的皮带轮打滑现象。

（2）三相永磁同步直流电动机。由变频器将电动汽车电池提供的直流电转换成交流电，向三相永磁同步电动机供电，驱动电动汽车空调压缩机运转。

（3）空调的取暖采用PTC元件。采用高效高压的PTC元件取代传统空调中的取暖芯。

图2 纯电动汽车空调控制原理

结合上述新能源汽车市场的发展体量和趋势，在了解新能源汽车空调系统工作原理，以及纯电动汽车空调的结构特点的基础上，如何在新能源汽车空调中做到人机交互系统的节能降耗，实现节能减排的社会目标，是本文进行研究和探讨的重点内容。

3 汽车空调打造全节能产业链条，源头上进行节能降耗

新能源汽车销售占比呈现爆发增长态势，新能源汽车产业链重点领域主要有电动化、续驶里程、安全化和物联网化，而节能汽车电动空调作为节能与新能源汽车的核心零部件，汽车空调的也拓展到电池、电机和电控方面的三电热管理和充电桩充电站热管理。相应地，随着节能减排的标准提高，对汽车的油耗排放标准对电动空调系统的产量需求越来越高。

汽车空调行业打造全节能的产业链条，一方面通过对原生产线进行智能化改造提升生产效率，另一方面通过新建高端智能化生产线，购置高档工业机器人、弧焊接机器人、视觉检测防错系统、电子标签、条码等采集系统装备、柔性装配装备、高速翅片成型设备、汽车空调系统柔性装配线、AGV小车、MES与PLM、ERP系统的高效协同与节能集成，实现空调系统从产品设计、制造、检测、仓储物流等全生命周期的智能化，最后在主要工艺流程上包括来料检验、零部件加工、装配检测和成品存储发货，形成节能汽车电动空调系统生产能力，应用工业互联网，三维设计工艺仿真，柔性制造技术，系统闭环防错，完备的实时检测平台，先进的管理软件，深度的集成应用，实现空调系统加工、装配、检测的智能化；通过ERP与CRM系统集成实现企业产业链良性化发展；通过PLM、MES、ERP等系统集成实现产品设计、制造、检测和仓储物流的全生命周期管理；通过MES与采集装备、生产线装备、检测试验设备和仓储物流装备深度集成，对空调系统产品的全过程信息追溯，实现对产业全链条环节促进节能降耗［5］。

加大节能技术的研发力度，拓展节能产品的模块化应用。新能源汽车要求汽车空调节能、环保、智能、可靠，空调电动化则要求压缩机从皮带轮驱动向内在电机直流变频驱动演化。热源不足是新能源汽车制热的需要解决的关键问题，目前来讲，多种节能形式的制热方式应运而生，包括空气冷却系统、水冷却系统、热泵空调、电机电控电池余热回收等；电池热管理的需要，催生了分布式电池热管理系统和独立式电池热管理模块，新增了电池冷却模块、加热模块、冷热组合模块和电池冷板及冷带等零部件；汽车配套的空调部件、热管理系统部件，其性能水平的高低，关系着汽车空调系统运行的效率。当前新型能源汽车产品中，空调系统配套的新生零部件，包括电动压缩机装置以及电子膨胀阀等，还有提升的空间，促使系统整体运行节能与高效。对于当前存在的空调使用系统耗能的问题，除了优化空调技术外，还要加大对动力系统和电池等的节能研究力度。电动汽车开门的次数以及在行车中受车速、光照、怠速等因素的影响，空调湿热负荷大，电动空调系统匹配时需要注意对整车性能的影响，要对以上因素进行综合考虑，系统各部件的选用要以节能为中心。为了使电动汽车空调更节能高效，可以从以下几个零部件模块化节能应用方面进行优化：（1）研究开发更高效的直流涡旋压缩机；（2）研究开发控制更精准、更节能的硅电子膨胀阀；（3）采用高效的过冷式平行流冷凝器；（4）改善微通道蒸发器结构，使制冷剂蒸发更均匀。

在车内应用中，新能源汽车将对交流变频电动压缩机进行结合，通过变频控制方式进行运行，同时，也可以通过热泵技术的进一步发展应用控制车辆压缩机，以此起到降低能耗的效果。热交换也是重点的应用方向，即能够将车辆在空调制冷时损失的热能进行科学应用，保证应用的智能化特点，不仅能够以此对车辆在续航当中发电机所具有的负担进行减少，且能够实现空调系统工作效率的有效提升。而在未来新能源空调系统应用中，其智能化优势还有：第一，能够对空调的集成化管理进行实现，通过二次利用电池能源损失量，即能够保证车辆电池在正常工况下，能够充分利用耗能形成的热量，以此对空调运行能耗进行降低；第二，能够根据车辆内电池荷电情况、温度差以及整车负载电流大小为参考，应用神经网络、模糊控制、智能控制算法以及车联网技术对风机转速、风门开度、压缩机输出功率以及执行器进行调节，同时对车辆的运行状况进行监测，对人机交换系统以及空调控制系统的建设与智能化构造进行实现。

4 采用汽车空调新型环保制冷剂进行节能降耗

中国是一个很大的汽车生产国和消费大国，制冷剂的研究和应用开发应注意环境保护，汽车空调行业也应选用节能环保的制冷剂。R134a 被广泛用于汽车空调制冷剂，但其GWP值为1300。自2011年1月1日起，欧盟已禁止在新设计车型上使用GWP大于150 的制冷剂，自2017年1 月1 日起，在欧盟境内生产和销售的所有新车，将禁止使用GWP大于150 的制冷剂［6］。目前其替代制冷剂主要有R1234yf 和CO2。

R1234yf 其ODP = 0，GWP = 4，具有良好的LCCP，热力性质与R134a 相近。R1234yf 具有毒性低，可燃性弱的特点，其工作压力、制冷量及COP 等参数与R134a 系统相近，图3为R1234yf与R134a 在汽车空调制冷循环的压焓图比较，可见其正常工况下吸气压力排气压力基本相同，因此用R1234yf 代替R134a 在汽车空调系统结构上仅需做出很小的调整。2011 年4 月7 日，霍尼韦尔公司宣布，R1234yf 制冷剂已获得美国环保署的最终批准，可用于汽车空调系统。

CO2作为天然制冷剂，ODP = 0，GWP = 1，安全无毒、不燃、成本低廉，无需回收和再生。用作汽车空调系统为超临界循环，具有相当大的单位容积制冷量，可以使压缩机的尺寸减小，流动和传热性能好，减少管道和热交换器尺寸，使系统高效紧凑。德国、日本等国家都已生产装备CO2汽车空调系统的车型。

图3 R1234yf 与R134a 在汽车空调制冷循环的压焓图比较

5 人机交互使用汽车空调进行节能管理

新能源汽车空调系统的发展趋势是在高效控制和节能环保。在空调控制方面上，传统汽车空调目前采用ECU 电控系统加“变排量控制”。在效率上有所提升。新能源电动汽车采用电动压缩机，在电控领域我们可以借鉴家用空调的控制模式采用“变频控制”，目前交流变频电动压缩机使用上，变频空调技术比较成熟，主要聚焦方向是车内的人机交互使用方面。

人机交互系统运行时进行动态优化控制，使得汽车空调高效使用。动态运行控制包括蓄冷释放、智能出风模式、外部气候动态响应、ECON运行、AQS内外气体切换、舒适性控制模型、压缩机变排量运行、车速动态响应、多温区控制、变蒸发温度控制和远程智能“云控制”（图4）。

图4 动态优化控制技术路径

电子控制系统在行业中所采用的技术比较宽泛，包括手动拉索驱动、电动、全自动，温区控制包括单温区、双温区、多温区，采用的通讯技术也很宽泛，包括独立系统、非独立局域网系统、独立分级系统［5］。目前，在中高端车上使用更多的是电动和自动控制器。今后控制技术会从温度型控制向舒适性控制技术转变。［7］目前，已有大学和厂家在研究神经网络舒适性控制模型，这将有利于提升整车空调舒适性（图5 ）。

图5 神经网络舒适性控制模型

6 建立三位一体的节能降耗管理体系

新能源汽车空调在使用中，应建立起三位一体的节能降耗管理体系。在渠道网络布局前期，结合新能源汽车消费者数量、车辆类型等，进行节能体系前置布局，对节能层级与节能服务网点进行优化设计数据模拟测算，并依据市场调研、实证研究结果对设计结果进行方案优化，保证网络节点之间的关联性，并与实际需求相匹配，在满足新能源汽车消费者的需求下，最大限度进行节能降耗。

运用新技术管理制热方案进行节能降耗管理。新能源汽车空调系统技术的应用，多样化系统方案的应用发挥设备的优势，就实际问题来看，新能源汽车空调使用期间，纯电动汽车产品利用PTC电加热器实现所需的功能，会使得产品的性能受到很大的影响，比如寒冷季节导致的续航能力下降，降低电量、缩短产品的续航里程，在技术处理上，配套热泵系统进行制热，减少空调系统的能量消耗。则能够解决上述问题，使行驶里程得到提升，续航里程变长。基于热泵管理制热方案进行取暖，具有节约能源优势，被积极推广应用。再比如，系统复杂与电池体积大等问题，影响着技术的优势和价值发挥，需要需要不断降低空调系统的能源消耗，加大设备性能的优化力度，满足使用需求的同时，减少能源消耗，达到新能源汽车空调系统的节能降耗管理标准。

建立汽车空调人机交互技术的数据积累，提高用户体验。传统汽车的空调系统，其有着丰富的技术资料和数据支持，已经过多年的市场检验，技术成熟，系统的性能优化。新型能源汽车产品的研发时间比较短，缺少数据积累的过程，在很多技术的研发方面，还有着很大的挑战，需要加大技术与数据的积累，为新型能源汽车空调技术的发展，特别是对于汽车空调人机交互系统方面，这个全新的领域，积累一定的数据，提高语音识别的准确率，不断解决技术痛点与难点，推动其持续化发展。

最后，在新能源汽车空调人机交互系统的维护环节，可结合数字化与大数据技术，建立新能源汽车空调在线检测平台，提供更多的线上使用信息与线下技术信息的整合。人机交互系统的大数据，不仅根据用户喜好来匹配汽车空调配件，还能对消费者的驾驶习惯，驾驶偏好等方面的数据信息，进行计算和归纳。通过把握这些数据，来预警汽车空调系统在什么时候需要维修，或通过分析消费者的驾驶习惯来推测，这些习惯会给汽车空调系统带来何种影响，这将是新能源汽车空调市场的智能化和节能的终极使命。

7 结语

随着国家政策支持与产业化的发展，新能源汽车有广阔的发展前景，作为新能源汽车当中的重要组成部分，汽车空调人机交互系统的节能研究与技术应用，尤为显得重要。在本文中，对新能源汽车空调原理以及纯电动汽车的结构特点进行了剖析，提出对汽车空调产业链从源头上进行节能管理，采用新型环保制冷剂用于汽车空调中，能降低能耗，特别是汽车空调使用过程中，进行人机交互系统应用时，对人机交互系统运行时进行动态优化控制，使得汽车空调高效使用。此外，提出对汽车空调建立起三位一体的节能降耗管理体系，达到节能管理标准，充分利用大数据技术，创造汽车使用、监测与服务的的在线平台，为汽车后市场提供可持续的节能应用举措，拓宽新能源汽车空调的赛道，从而进一步普及新能源汽车空调的使用智能化，在新能源汽车空调中做到人机交互系统的节能降耗，实现节能减排的社会目标。