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(diào)系統(tǒng)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(diào)系統(tǒng)可以根據(jù)車內(nèi)溫度、外界環(huán)境溫度和人工設(shè)定要求自動調(diào)節(jié)壓縮機的啟停、PTC（Positive Temperature Coefficient，正的溫度系數(shù)）功率、風(fēng)機轉(zhuǎn)速及各風(fēng)門開度，對車內(nèi)溫濕度、空氣質(zhì)量進行微調(diào)，使車內(nèi)始終保持舒適環(huán)境；從自動空調(diào)系統(tǒng)組成、控制策略、標(biāo)定以及標(biāo)定后的舒適性幾個方面對整車自動空調(diào)進行闡述。

電動汽車；自動空調(diào)；標(biāo)定；舒適性

0 引 言

空調(diào)系統(tǒng)是電動汽車不可或缺的關(guān)鍵零部件，以使用便攜、降低續(xù)航消耗、提升車內(nèi)人員舒適性為目的，很多車型配置自動空調(diào)系統(tǒng)。自動空調(diào)系統(tǒng)的開發(fā)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(diào)的功能模糊，通常自定義空調(diào)模式，使得整車配置自動空調(diào)的意義得不到駕乘人員認可[1]。

結(jié)合整車自動空調(diào)控制策略，對整車自動空調(diào)標(biāo)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(diào)標(biāo)定的重要性。提高自動空調(diào)控制可靠性，提高車內(nèi)舒適性，突出電動汽車空調(diào)亮點。

1 整車空調(diào)系統(tǒng)

汽車空調(diào)可以按功能、驅(qū)動方式、結(jié)構(gòu)形式、送風(fēng)方式等進行分類，按照控制方式可分成手動機械式空調(diào)、電動空調(diào)（手動電控）和自動空調(diào)。

手動機械式空調(diào)的控制器后置控制機構(gòu)為機械式，旋轉(zhuǎn)旋鈕時機械傳動結(jié)構(gòu)將操作力矩傳遞到控制器搖臂上，拉絲在搖臂的帶動下，帶動空調(diào)主機風(fēng)門運動[2]；電動空調(diào)是空調(diào)控制器直接通過信號控制各風(fēng)門電機驅(qū)動各風(fēng)門結(jié)構(gòu)運動；自動空調(diào)根據(jù)車內(nèi)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(shè)定溫度的需求，軟件自動計算整車乘員艙內(nèi)空調(diào)實時需求狀態(tài)，并自動驅(qū)動和執(zhí)行相應(yīng)動作。手動機械式空調(diào)和電動空調(diào)都是通過老式旋轉(zhuǎn)按鈕或者空調(diào)控制面板對風(fēng)量、溫度進行調(diào)節(jié)，控制方式雖不同但都不能精確控溫；自動空調(diào)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(diào)節(jié)，人工手動參與度減少，自動化程度提高。

2 自動空調(diào)控制策略

自動空調(diào)的核心是CLM（Climate Module，自動空調(diào)控制模塊），通過其實現(xiàn)所有空調(diào)請求的功能處理和自動空調(diào)算法。自動空調(diào)具有電池?zé)峁芾砉δ?，支持大屏互控，支持遠程空調(diào)，并帶有網(wǎng)絡(luò)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(tǒng)的電動汽車自動空調(diào)系統(tǒng)如圖1所示。

（1）CLM與蒸發(fā)器溫度傳感器、車內(nèi)溫度傳感器、外界溫度傳感器、陽光傳感器、壓力開關(guān)等通過硬線傳輸信號，根據(jù)輸入信號，對各風(fēng)門電機和鼓風(fēng)機等執(zhí)行部件及時調(diào)整。CLM根據(jù)VCU發(fā)送的chiller閥開度調(diào)節(jié)需求，通過硬線信號調(diào)節(jié)其開度，與電池包進行熱交換。

（2）BMS（Battery Management System，電池管理系統(tǒng)）根據(jù)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(wǎng)）發(fā)送的進水口閥開度調(diào)節(jié)需求，由CLM對電池包進口水閥開度進行調(diào)節(jié)，并反饋信息狀態(tài)。

（3）CLM和VCU通過CAN通信，驅(qū)動壓縮機、PTC（Positive Temperature Coefficient，正的溫度系數(shù)）和水泵工作，同時VCU需要了解CLM的故障狀態(tài)、電池包進水口閥實際開度及狀態(tài)、chiller閥開度調(diào)節(jié)狀態(tài)等。

圖1 自動空調(diào)系統(tǒng)架構(gòu)

3 自動空調(diào)標(biāo)定

3.1 標(biāo)定概述

整車熱管理標(biāo)定主要是為了電池散熱和采暖、電機散熱、空調(diào)采暖和降溫；空調(diào)標(biāo)定屬于其中一環(huán)，主流的自動空調(diào)標(biāo)定算法分成2種：能量守恒算法、差值算法。

自動空調(diào)標(biāo)定是指乘員艙內(nèi)乘員操作大屏或面板上的AUTO模式按鍵進行設(shè)定，CLM接受命令，使空調(diào)系統(tǒng)自動運行，根據(jù)各種傳感器輸入的信號，對各風(fēng)門電機和鼓風(fēng)機等執(zhí)行部件及時進行調(diào)整，使車內(nèi)的空氣環(huán)境保持舒適狀態(tài)。

標(biāo)定試驗分為環(huán)境模擬風(fēng)洞試驗、春秋季路試、夏季路試和冬季路試4種，在環(huán)境模擬試驗室（環(huán)境溫度范圍-20～40 ℃）進行基礎(chǔ)試驗標(biāo)定，標(biāo)定參數(shù)用于目標(biāo)出風(fēng)口溫度、鼓風(fēng)機、壓縮機、PTC、冷暖混合風(fēng)門的標(biāo)定；路試標(biāo)定是驗證真實環(huán)境和路況下空調(diào)標(biāo)定結(jié)果。車型開發(fā)周期長的車企選擇在實際道路上進行四季路試標(biāo)定；開發(fā)周期短的車企選擇在環(huán)境試驗室內(nèi)標(biāo)定，不僅增加了試驗費用，而且效果較實際路試差。

3.2 標(biāo)定準(zhǔn)備

（1）車輛狀態(tài)確認：在標(biāo)定之前對車輛狀態(tài)進行確認，保證整車車況良好，通過了磨合期測試，空調(diào)系統(tǒng)部件安裝到位且功能達標(biāo)，整車氣密性滿足要求。

（2）整車空調(diào)狀態(tài)確認：整車開發(fā)前，供應(yīng)商進行臺架試驗時，保證混合風(fēng)門線性度、吹面吹腳除霜風(fēng)口風(fēng)量分配能夠符合設(shè)計目標(biāo)值；之后進行空調(diào)采暖、降溫最大性能驗收，保證滿足車型目標(biāo)值，整車空調(diào)系統(tǒng)狀態(tài)完好。

（3）布點確認：在標(biāo)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(shù)據(jù)采集設(shè)備上，為標(biāo)定試驗做準(zhǔn)備。

3.3 標(biāo)定試驗

通過數(shù)據(jù)采集儀對車內(nèi)各點溫度進行實時監(jiān)控記錄，空調(diào)系統(tǒng)內(nèi)部數(shù)據(jù)使用CANape工具和對應(yīng)軟件進行采集，部分關(guān)鍵數(shù)據(jù)可通過此工具實時修改，對標(biāo)整車自帶傳感器溫度，查看車內(nèi)頭部、腳部舒適溫度情況，達到標(biāo)定的目的。

圖2 試驗測量點

如圖3（a）所示，當(dāng)環(huán)境外溫為35 ℃時，空調(diào)AUTO預(yù)設(shè)溫度為25 ℃，頭部目標(biāo)預(yù)設(shè)溫度為25.5 ℃[3]，此時DTI（Difference Temperature In the car，車內(nèi)溫差，為內(nèi)溫溫度減去頭部點目標(biāo)溫度）為9.5 ℃，為盡可能使車內(nèi)頭部點溫度舒適穩(wěn)定，即DTI接近0，根據(jù)PID算法公式連續(xù)對風(fēng)量、壓縮機轉(zhuǎn)速進行調(diào)整，來抑制或增強真實頭部溫度達到目標(biāo)頭部溫度的差值大小。壓縮機轉(zhuǎn)速范圍一般是0～6 000 r/min，壓縮機轉(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，如圖3（b）所示，當(dāng)外溫35℃時，空調(diào)AUTO模式開啟，壓縮機轉(zhuǎn)速會迅速達到最高點，然后DTI在接近穩(wěn)定過程中，輸入蒸發(fā)器目標(biāo)溫度和蒸發(fā)器傳感器溫度，動態(tài)調(diào)整并輸出壓縮機轉(zhuǎn)速直至穩(wěn)定。

鼓風(fēng)機電壓范圍一般是0～14 V，在空調(diào)自動控制狀態(tài)下，風(fēng)量根據(jù)陽光、外溫補償之后的電壓值自動調(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(dāng)外溫35℃時，空調(diào)AUTO模式開啟，風(fēng)量電壓會迅速達到最高點，然后DTI在接近穩(wěn)定過程中，風(fēng)量會線性降低直至穩(wěn)定。

以上在標(biāo)定軟件中連續(xù)對風(fēng)量、壓縮機轉(zhuǎn)速進行調(diào)整，系統(tǒng)穩(wěn)定后，車內(nèi)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(biāo)定完成。

3.4 標(biāo)定驗收

自動空調(diào)標(biāo)定結(jié)束之后直接在環(huán)境模擬試驗室進行標(biāo)定驗收，采用室內(nèi)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(guī)則

在高溫舒適性主觀評價試驗中，當(dāng)評分為-0.5～0.5時，屬于舒適性區(qū)間；當(dāng)評分為0.5～1時，舒適性可接受；當(dāng)評分為1～3時，不可接受。在低溫舒適性主觀評價試驗中，當(dāng)評分為-0.5～0.5時，屬于舒適性區(qū)間；當(dāng)評分為-1～-0.5時，低溫舒適性可接受，稍冷；當(dāng)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(huán)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(dāng)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(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，評價人員打分升至3分，說明車內(nèi)溫度明顯上升，舒適性不能維持，試驗結(jié)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(huán)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(dāng)試驗進行至第15 min時，前排主、副駕打分均在舒適區(qū)內(nèi)，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(guān)閉空調(diào)，并保溫10 min，評價人員打分降至-1分，說明車內(nèi)溫度有所降低，舒適性不能維持，試驗結(jié)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(diào)在使用過程中能夠快速降溫、升溫且維持性較好，使車內(nèi)評價人員獲得了舒適環(huán)境。但當(dāng)空調(diào)關(guān)閉后，整車環(huán)境舒適性變差，無法滿足需求，后續(xù)可以考慮增加空調(diào)關(guān)閉后環(huán)境調(diào)節(jié)功能。

4 改進方向

自動空調(diào)的標(biāo)定策略、標(biāo)定過程和標(biāo)定驗收仍存在不足，可以從以下3個方面改進。

（1）室內(nèi)與室外相結(jié)合，提升標(biāo)定可靠度。整車在實際行駛時，環(huán)境、溫度、濕度復(fù)雜多變，車型研發(fā)時，為縮短周期，常在空調(diào)標(biāo)定時采用風(fēng)洞模擬實際道路環(huán)境，大大降低了標(biāo)定的可靠度?？梢詫h(huán)境艙內(nèi)的極限環(huán)境與冬夏季道路試驗相結(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)，以便在較長的測試周期內(nèi)發(fā)現(xiàn)問題、解決問題，提升自動空調(diào)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(fā)展到身體各部位全季節(jié)舒適需求，可對應(yīng)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(diào)標(biāo)定相結(jié)合。通過引入空調(diào)假人不斷優(yōu)化控制策略，建立適合我國人群特征的空調(diào)舒適性評價規(guī)范，搭建閉環(huán)測評體系，使自動空調(diào)開發(fā)流程更完善，評價結(jié)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(diào)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(diào)手動控制器拉絲走向結(jié)構(gòu)設(shè)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