电动汽车自动空调系统分析

程 琳，韩友国，姚朝华，吴洪涛Cheng Lin，Han Youguo，Yao Chaohua，Wu Hongtao

电动汽车自动空调系统分析

程 琳，韩友国，姚朝华，吴洪涛
Cheng Lin，Han Youguo，Yao Chaohua，Wu Hongtao

（奇瑞新能源汽车股份有限公司，安徽 芜湖 241002）

自动空调系统可以根据车内温度、外界环境温度和人工设定要求自动调节压缩机的启停、PTC（Positive Temperature Coefficient，正的温度系数）功率、风机转速及各风门开度，对车内温湿度、空气质量进行微调，使车内始终保持舒适环境；从自动空调系统组成、控制策略、标定以及标定后的舒适性几个方面对整车自动空调进行阐述。

电动汽车；自动空调；标定；舒适性

0 引 言

空调系统是电动汽车不可或缺的关键零部件，以使用便携、降低续航消耗、提升车内人员舒适性为目的，很多车型配置自动空调系统。自动空调系统的开发过程需要综合考虑使用舒适性、整车热管理性能等。很多驾乘人员对自动空调的功能模糊，通常自定义空调模式，使得整车配置自动空调的意义得不到驾乘人员认可[1]。

结合整车自动空调控制策略，对整车自动空调标定过程进行阐述，对舒适性主观评价进行验收，说明整车自动空调标定的重要性。提高自动空调控制可靠性，提高车内舒适性，突出电动汽车空调亮点。

1 整车空调系统

汽车空调可以按功能、驱动方式、结构形式、送风方式等进行分类，按照控制方式可分成手动机械式空调、电动空调（手动电控）和自动空调。

手动机械式空调的控制器后置控制机构为机械式，旋转旋钮时机械传动结构将操作力矩传递到控制器摇臂上，拉丝在摇臂的带动下，带动空调主机风门运动[2]；电动空调是空调控制器直接通过信号控制各风门电机驱动各风门结构运动；自动空调根据车内温度传感器、外界温度传感器、阳光传感器、湿度传感器的信息以及车速和设定温度的需求，软件自动计算整车乘员舱内空调实时需求状态，并自动驱动和执行相应动作。手动机械式空调和电动空调都是通过老式旋转按钮或者空调控制面板对风量、温度进行调节，控制方式虽不同但都不能精确控温；自动空调通过传感器信号及软件算法PID（Proportion、Integral、Differential，比例、积分、微分）控制调节，人工手动参与度减少，自动化程度提高。

2 自动空调控制策略

自动空调的核心是CLM（Climate Module，自动空调控制模块），通过其实现所有空调请求的功能处理和自动空调算法。自动空调具有电池热管理功能，支持大屏互控，支持远程空调，并带有网络管理、故障诊断、VCU（Vehicle Control Unit，整车控制器）刷新功能。带有电池冷却器(chiller）双蒸系统的电动汽车自动空调系统如图1所示。

（1）CLM与蒸发器温度传感器、车内温度传感器、外界温度传感器、阳光传感器、压力开关等通过硬线传输信号，根据输入信号，对各风门电机和鼓风机等执行部件及时调整。CLM根据VCU发送的chiller阀开度调节需求，通过硬线信号调节其开度，与电池包进行热交换。

（2）BMS（Battery Management System，电池管理系统）根据进出水口温度和电池包实际温度，以及CLM通过CAN（Controller Area Network，控制器局域网）发送的进水口阀开度调节需求，由CLM对电池包进口水阀开度进行调节，并反馈信息状态。

（3）CLM和VCU通过CAN通信，驱动压缩机、PTC（Positive Temperature Coefficient，正的温度系数）和水泵工作，同时VCU需要了解CLM的故障状态、电池包进水口阀实际开度及状态、chiller阀开度调节状态等。

图1 自动空调系统架构

3 自动空调标定

3.1 标定概述

整车热管理标定主要是为了电池散热和采暖、电机散热、空调采暖和降温；空调标定属于其中一环，主流的自动空调标定算法分成2种：能量守恒算法、差值算法。

自动空调标定是指乘员舱内乘员操作大屏或面板上的AUTO模式按键进行设定，CLM接受命令，使空调系统自动运行，根据各种传感器输入的信号，对各风门电机和鼓风机等执行部件及时进行调整，使车内的空气环境保持舒适状态。

标定试验分为环境模拟风洞试验、春秋季路试、夏季路试和冬季路试4种，在环境模拟试验室（环境温度范围-20～40 ℃）进行基础试验标定，标定参数用于目标出风口温度、鼓风机、压缩机、PTC、冷暖混合风门的标定；路试标定是验证真实环境和路况下空调标定结果。车型开发周期长的车企选择在实际道路上进行四季路试标定；开发周期短的车企选择在环境试验室内标定，不仅增加了试验费用，而且效果较实际路试差。

3.2 标定准备

（1）车辆状态确认：在标定之前对车辆状态进行确认，保证整车车况良好，通过了磨合期测试，空调系统部件安装到位且功能达标，整车气密性满足要求。

（2）整车空调状态确认：整车开发前，供应商进行台架试验时，保证混合风门线性度、吹面吹脚除霜风口风量分配能够符合设计目标值；之后进行空调采暖、降温最大性能验收，保证满足车型目标值，整车空调系统状态完好。

（3）布点确认：在标定试验前确认整车布置热电偶传感器测量点，如图2所示，按照布点方法布置，将温度传感器连接到数据采集设备上，为标定试验做准备。

3.3 标定试验

通过数据采集仪对车内各点温度进行实时监控记录，空调系统内部数据使用CANape工具和对应软件进行采集，部分关键数据可通过此工具实时修改，对标整车自带传感器温度，查看车内头部、脚部舒适温度情况，达到标定的目的。

图2 试验测量点

如图3（a）所示，当环境外温为35 ℃时，空调AUTO预设温度为25 ℃，头部目标预设温度为25.5 ℃[3]，此时DTI（Difference Temperature In the car，车内温差，为内温温度减去头部点目标温度）为9.5 ℃，为尽可能使车内头部点温度舒适稳定，即DTI接近0，根据PID算法公式连续对风量、压缩机转速进行调整，来抑制或增强真实头部温度达到目标头部温度的差值大小。压缩机转速范围一般是0～6 000 r/min，压缩机转速与蒸发器温度、目标出风温度之间存在函数关系，如图3（b）所示，当外温35℃时，空调AUTO模式开启，压缩机转速会迅速达到最高点，然后DTI在接近稳定过程中，输入蒸发器目标温度和蒸发器传感器温度，动态调整并输出压缩机转速直至稳定。

鼓风机电压范围一般是0～14 V，在空调自动控制状态下，风量根据阳光、外温补偿之后的电压值自动调节，呈线性变化，不允许出现忽大忽小的突变，当计算出的电压超出范围值，则默认为最大值或最小值。如图3（c）所示，当外温35℃时，空调AUTO模式开启，风量电压会迅速达到最高点，然后DTI在接近稳定过程中，风量会线性降低直至稳定。

以上在标定软件中连续对风量、压缩机转速进行调整，系统稳定后，车内测试人员会感觉舒适，无偏热或者偏冷的感觉，也无忽冷忽热的感觉，且能够长时间保持舒适，标定完成。

3.4 标定验收

自动空调标定结束之后直接在环境模拟试验室进行标定验收，采用室内高、低温舒适性主观评价方式，试验工况见表1。

1）主观评价规则

在高温舒适性主观评价试验中，当评分为-0.5～0.5时，属于舒适性区间；当评分为0.5～1时，舒适性可接受；当评分为1～3时，不可接受。在低温舒适性主观评价试验中，当评分为-0.5～0.5时，属于舒适性区间；当评分为-1～-0.5时，低温舒适性可接受，稍冷；当评分为-3～-1时，低温舒适性不可接受，很冷。

2）高温舒适性主观评价试验分析

从图4高温舒适性主观评价试验曲线中可以看出，在40 ℃环境下，试验开始前15 min属于快速降温阶段，评价人员打分从3分较快下降到1分；当试验进行至第25 min时，前排主副驾、后排人员打分在-0.5～0.5舒适区内；第25～85 min一直维持这一舒适性；从第85 min关闭空调，并保温5 min，评价人员打分升至3分，说明车内温度明显上升，舒适性不能维持，试验结束。

3）低温舒适性主观评价试验分析

从图4低温舒适性主观评价试验曲线中可以看出，在-18 ℃环境下，试验开始前15 min属于快速升温阶段，评价人员打分从-3分较快升至-1分；当试验进行至第15 min时，前排主、副驾打分均在舒适区内，后排人员整体感觉微冷；第15～35 min整体评价舒适；从第35 min关闭空调，并保温10 min，评价人员打分降至-1分，说明车内温度有所降低，舒适性不能维持，试验结束。

图4 高、低温舒适性主观评价分值曲线

在整个高、低温舒适性主观评价试验过程中，正驾、副驾和后排整体感受的一致性较高，自动空调在使用过程中能够快速降温、升温且维持性较好，使车内评价人员获得了舒适环境。但当空调关闭后，整车环境舒适性变差，无法满足需求，后续可以考虑增加空调关闭后环境调节功能。

4 改进方向

自动空调的标定策略、标定过程和标定验收仍存在不足，可以从以下3个方面改进。

（1）室内与室外相结合，提升标定可靠度。整车在实际行驶时，环境、温度、湿度复杂多变，车型研发时，为缩短周期，常在空调标定时采用风洞模拟实际道路环境，大大降低了标定的可靠度。可以将环境舱内的极限环境与冬夏季道路试验相结合，采集每年7～9月在海南和新疆吐鲁番的夏季空调路试数据，以及每年12月至次年1月在黑龙江省黑河的冬季空调路试数据，以便在较长的测试周期内发现问题、解决问题，提升自动空调运行可靠性和使用舒适性。

（2）增加验收试验工况。人们对于乘车舒适性的要求越来越高，从简单的冬暖夏凉需求发展到身体各部位全季节舒适需求，可对应增加男性、女性或儿童、成人、老人不同人群的体感验收评价以及春秋季验收评价。

（3）将虚拟仿真与自动空调标定相结合。通过引入空调假人不断优化控制策略，建立适合我国人群特征的空调舒适性评价规范，搭建闭环测评体系，使自动空调开发流程更完善，评价结果更有效、客观及合理。

[1]余明明，黄宪波，袁正，等. 基于人体舒适性的自动空调控制性研究[J]. 汽车文摘，2020（11）： 51-55.

[2]秦红，姚军平，谷丰. 汽车空调手动控制器拉丝走向结构设计的探讨[J]. 汽车电器，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