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

電動(dòng)汽車(chē)自動(dòng)空調(diào)系統(tǒng)分析

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

（奇瑞新能源汽車(chē)股份有限公司，安徽 蕪湖 241002）

自動(dòng)空調(diào)系統(tǒng)可以根據(jù)車(chē)內(nèi)溫度、外界環(huán)境溫度和人工設(shè)定要求自動(dòng)調(diào)節(jié)壓縮機(jī)的啟停、PTC（Positive Temperature Coefficient，正的溫度系數(shù)）功率、風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速及各風(fēng)門(mén)開(kāi)度，對(duì)車(chē)內(nèi)溫濕度、空氣質(zhì)量進(jìn)行微調(diào)，使車(chē)內(nèi)始終保持舒適環(huán)境；從自動(dòng)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(gè)方面對(duì)整車(chē)自動(dòng)空調(diào)進(jìn)行闡述。

電動(dòng)汽車(chē)；自動(dòng)空調(diào)；標(biāo)定；舒適性

0 引 言

空調(diào)系統(tǒng)是電動(dòng)汽車(chē)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(chē)內(nèi)人員舒適性為目的，很多車(chē)型配置自動(dòng)空調(diào)系統(tǒng)。自動(dòng)空調(diào)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)過(guò)程需要綜合考慮使用舒適性、整車(chē)熱管理性能等。很多駕乘人員對(duì)自動(dòng)空調(diào)的功能模糊，通常自定義空調(diào)模式，使得整車(chē)配置自動(dòng)空調(diào)的意義得不到駕乘人員認(rèn)可[1]。

結(jié)合整車(chē)自動(dòng)空調(diào)控制策略，對(duì)整車(chē)自動(dòng)空調(diào)標(biāo)定過(guò)程進(jìn)行闡述，對(duì)舒適性主觀評(píng)價(jià)進(jìn)行驗(yàn)收，說(shuō)明整車(chē)自動(dòng)空調(diào)標(biāo)定的重要性。提高自動(dòng)空調(diào)控制可靠性，提高車(chē)內(nèi)舒適性，突出電動(dòng)汽車(chē)空調(diào)亮點(diǎn)。

1 整車(chē)空調(diào)系統(tǒng)

汽車(chē)空調(diào)可以按功能、驅(qū)動(dòng)方式、結(jié)構(gòu)形式、送風(fēng)方式等進(jìn)行分類(lèi)，按照控制方式可分成手動(dòng)機(jī)械式空調(diào)、電動(dòng)空調(diào)（手動(dòng)電控）和自動(dòng)空調(diào)。

手動(dòng)機(jī)械式空調(diào)的控制器后置控制機(jī)構(gòu)為機(jī)械式，旋轉(zhuǎn)旋鈕時(shí)機(jī)械傳動(dòng)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(dòng)下，帶動(dòng)空調(diào)主機(jī)風(fēng)門(mén)運(yùn)動(dòng)[2]；電動(dòng)空調(diào)是空調(diào)控制器直接通過(guò)信號(hào)控制各風(fēng)門(mén)電機(jī)驅(qū)動(dòng)各風(fēng)門(mén)結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)；自動(dòng)空調(diào)根據(jù)車(chē)內(nèi)溫度傳感器、外界溫度傳感器、陽(yáng)光傳感器、濕度傳感器的信息以及車(chē)速和設(shè)定溫度的需求，軟件自動(dòng)計(jì)算整車(chē)乘員艙內(nèi)空調(diào)實(shí)時(shí)需求狀態(tài)，并自動(dòng)驅(qū)動(dòng)和執(zhí)行相應(yīng)動(dòng)作。手動(dòng)機(jī)械式空調(diào)和電動(dòng)空調(diào)都是通過(guò)老式旋轉(zhuǎn)按鈕或者空調(diào)控制面板對(duì)風(fēng)量、溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)，控制方式雖不同但都不能精確控溫；自動(dòng)空調(diào)通過(guò)傳感器信號(hào)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(dòng)參與度減少，自動(dòng)化程度提高。

2 自動(dòng)空調(diào)控制策略

自動(dòng)空調(diào)的核心是CLM（Climate Module，自動(dòng)空調(diào)控制模塊），通過(guò)其實(shí)現(xiàn)所有空調(diào)請(qǐng)求的功能處理和自動(dòng)空調(diào)算法。自動(dòng)空調(diào)具有電池?zé)峁芾砉δ?，支持大屏互控，支持遠(yuǎn)程空調(diào)，并帶有網(wǎng)絡(luò)管理、故障診斷、VCU（Vehicle Control Unit，整車(chē)控制器）刷新功能。帶有電池冷卻器(chiller）雙蒸系統(tǒng)的電動(dòng)汽車(chē)自動(dòng)空調(diào)系統(tǒng)如圖1所示。

（1）CLM與蒸發(fā)器溫度傳感器、車(chē)內(nèi)溫度傳感器、外界溫度傳感器、陽(yáng)光傳感器、壓力開(kāi)關(guān)等通過(guò)硬線傳輸信號(hào)，根據(jù)輸入信號(hào)，對(duì)各風(fēng)門(mén)電機(jī)和鼓風(fēng)機(jī)等執(zhí)行部件及時(shí)調(diào)整。CLM根據(jù)VCU發(fā)送的chiller閥開(kāi)度調(diào)節(jié)需求，通過(guò)硬線信號(hào)調(diào)節(jié)其開(kāi)度，與電池包進(jìn)行熱交換。

（2）BMS（Battery Management System，電池管理系統(tǒng)）根據(jù)進(jìn)出水口溫度和電池包實(shí)際溫度，以及CLM通過(guò)CAN（Controller Area Network，控制器局域網(wǎng)）發(fā)送的進(jìn)水口閥開(kāi)度調(diào)節(jié)需求，由CLM對(duì)電池包進(jìn)口水閥開(kāi)度進(jìn)行調(diào)節(jié)，并反饋信息狀態(tài)。

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

圖1 自動(dòng)空調(diào)系統(tǒng)架構(gòu)

3 自動(dòng)空調(diào)標(biāo)定

3.1 標(biāo)定概述

整車(chē)熱管理標(biāo)定主要是為了電池散熱和采暖、電機(jī)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(dòng)空調(diào)標(biāo)定算法分成2種：能量守恒算法、差值算法。

自動(dòng)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(jìn)行設(shè)定，CLM接受命令，使空調(diào)系統(tǒng)自動(dòng)運(yùn)行，根據(jù)各種傳感器輸入的信號(hào)，對(duì)各風(fēng)門(mén)電機(jī)和鼓風(fēng)機(jī)等執(zhí)行部件及時(shí)進(jìn)行調(diào)整，使車(chē)內(nèi)的空氣環(huán)境保持舒適狀態(tài)。

標(biāo)定試驗(yàn)分為環(huán)境模擬風(fēng)洞試驗(yàn)、春秋季路試、夏季路試和冬季路試4種，在環(huán)境模擬試驗(yàn)室（環(huán)境溫度范圍-20～40 ℃）進(jìn)行基礎(chǔ)試驗(yàn)標(biāo)定，標(biāo)定參數(shù)用于目標(biāo)出風(fēng)口溫度、鼓風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)、PTC、冷暖混合風(fēng)門(mén)的標(biāo)定；路試標(biāo)定是驗(yàn)證真實(shí)環(huán)境和路況下空調(diào)標(biāo)定結(jié)果。車(chē)型開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)的車(chē)企選擇在實(shí)際道路上進(jìn)行四季路試標(biāo)定；開(kāi)發(fā)周期短的車(chē)企選擇在環(huán)境試驗(yàn)室內(nèi)標(biāo)定，不僅增加了試驗(yàn)費(fèi)用，而且效果較實(shí)際路試差。

3.2 標(biāo)定準(zhǔn)備

（1）車(chē)輛狀態(tài)確認(rèn)：在標(biāo)定之前對(duì)車(chē)輛狀態(tài)進(jìn)行確認(rèn)，保證整車(chē)車(chē)況良好，通過(guò)了磨合期測(cè)試，空調(diào)系統(tǒng)部件安裝到位且功能達(dá)標(biāo)，整車(chē)氣密性滿足要求。

（2）整車(chē)空調(diào)狀態(tài)確認(rèn)：整車(chē)開(kāi)發(fā)前，供應(yīng)商進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)時(shí)，保證混合風(fēng)門(mén)線性度、吹面吹腳除霜風(fēng)口風(fēng)量分配能夠符合設(shè)計(jì)目標(biāo)值；之后進(jìn)行空調(diào)采暖、降溫最大性能驗(yàn)收，保證滿足車(chē)型目標(biāo)值，整車(chē)空調(diào)系統(tǒng)狀態(tài)完好。

（3）布點(diǎn)確認(rèn)：在標(biāo)定試驗(yàn)前確認(rèn)整車(chē)布置熱電偶傳感器測(cè)量點(diǎn)，如圖2所示，按照布點(diǎn)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(yàn)做準(zhǔn)備。

3.3 標(biāo)定試驗(yàn)

通過(guò)數(shù)據(jù)采集儀對(duì)車(chē)內(nèi)各點(diǎn)溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)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(duì)應(yīng)軟件進(jìn)行采集，部分關(guān)鍵數(shù)據(jù)可通過(guò)此工具實(shí)時(shí)修改，對(duì)標(biāo)整車(chē)自帶傳感器溫度，查看車(chē)內(nèi)頭部、腳部舒適溫度情況，達(dá)到標(biāo)定的目的。

圖2 試驗(yàn)測(cè)量點(diǎn)

如圖3（a）所示，當(dāng)環(huán)境外溫為35 ℃時(shí)，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(shí)DTI（Difference Temperature In the car，車(chē)內(nèi)溫差，為內(nèi)溫溫度減去頭部點(diǎn)目標(biāo)溫度）為9.5 ℃，為盡可能使車(chē)內(nèi)頭部點(diǎn)溫度舒適穩(wěn)定，即DTI接近0，根據(jù)PID算法公式連續(xù)對(duì)風(fēng)量、壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)整，來(lái)抑制或增強(qiáng)真實(shí)頭部溫度達(dá)到目標(biāo)頭部溫度的差值大小。壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速范圍一般是0～6 000 r/min，壓縮機(jī)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(shí)，空調(diào)AUTO模式開(kāi)啟，壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速會(huì)迅速達(dá)到最高點(diǎn)，然后DTI在接近穩(wěn)定過(guò)程中，輸入蒸發(fā)器目標(biāo)溫度和蒸發(fā)器傳感器溫度，動(dòng)態(tài)調(diào)整并輸出壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速直至穩(wěn)定。

鼓風(fēng)機(jī)電壓范圍一般是0～14 V，在空調(diào)自動(dòng)控制狀態(tài)下，風(fēng)量根據(jù)陽(yáng)光、外溫補(bǔ)償之后的電壓值自動(dòng)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(jì)算出的電壓超出范圍值，則默認(rèn)為最大值或最小值。如圖3（c）所示，當(dāng)外溫35℃時(shí)，空調(diào)AUTO模式開(kāi)啟，風(fēng)量電壓會(huì)迅速達(dá)到最高點(diǎn)，然后DTI在接近穩(wěn)定過(guò)程中，風(fēng)量會(huì)線性降低直至穩(wěn)定。

以上在標(biāo)定軟件中連續(xù)對(duì)風(fēng)量、壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)整，系統(tǒng)穩(wěn)定后，車(chē)內(nèi)測(cè)試人員會(huì)感覺(jué)舒適，無(wú)偏熱或者偏冷的感覺(jué)，也無(wú)忽冷忽熱的感覺(jué)，且能夠長(zhǎng)時(shí)間保持舒適，標(biāo)定完成。

3.4 標(biāo)定驗(yàn)收

自動(dòng)空調(diào)標(biāo)定結(jié)束之后直接在環(huán)境模擬試驗(yàn)室進(jìn)行標(biāo)定驗(yàn)收，采用室內(nèi)高、低溫舒適性主觀評(píng)價(jià)方式，試驗(yàn)工況見(jiàn)表1。

1）主觀評(píng)價(jià)規(guī)則

在高溫舒適性主觀評(píng)價(jià)試驗(yàn)中，當(dāng)評(píng)分為-0.5～0.5時(shí)，屬于舒適性區(qū)間；當(dāng)評(píng)分為0.5～1時(shí)，舒適性可接受；當(dāng)評(píng)分為1～3時(shí)，不可接受。在低溫舒適性主觀評(píng)價(jià)試驗(yàn)中，當(dāng)評(píng)分為-0.5～0.5時(shí)，屬于舒適性區(qū)間；當(dāng)評(píng)分為-1～-0.5時(shí)，低溫舒適性可接受，稍冷；當(dāng)評(píng)分為-3～-1時(shí)，低溫舒適性不可接受，很冷。

2）高溫舒適性主觀評(píng)價(jià)試驗(yàn)分析

從圖4高溫舒適性主觀評(píng)價(jià)試驗(yàn)曲線中可以看出，在40 ℃環(huán)境下，試驗(yàn)開(kāi)始前15 min屬于快速降溫階段，評(píng)價(jià)人員打分從3分較快下降到1分；當(dāng)試驗(yàn)進(jìn)行至第25 min時(shí)，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(píng)價(jià)人員打分升至3分，說(shuō)明車(chē)內(nèi)溫度明顯上升，舒適性不能維持，試驗(yàn)結(jié)束。

3）低溫舒適性主觀評(píng)價(jià)試驗(yàn)分析

從圖4低溫舒適性主觀評(píng)價(jià)試驗(yàn)曲線中可以看出，在-18 ℃環(huán)境下，試驗(yàn)開(kāi)始前15 min屬于快速升溫階段，評(píng)價(jià)人員打分從-3分較快升至-1分；當(dāng)試驗(yàn)進(jìn)行至第15 min時(shí)，前排主、副駕打分均在舒適區(qū)內(nèi)，后排人員整體感覺(jué)微冷；第15～35 min整體評(píng)價(jià)舒適；從第35 min關(guān)閉空調(diào)，并保溫10 min，評(píng)價(jià)人員打分降至-1分，說(shuō)明車(chē)內(nèi)溫度有所降低，舒適性不能維持，試驗(yàn)結(jié)束。

圖4 高、低溫舒適性主觀評(píng)價(jià)分值曲線

在整個(gè)高、低溫舒適性主觀評(píng)價(jià)試驗(yàn)過(guò)程中，正駕、副駕和后排整體感受的一致性較高，自動(dòng)空調(diào)在使用過(guò)程中能夠快速降溫、升溫且維持性較好，使車(chē)內(nèi)評(píng)價(jià)人員獲得了舒適環(huán)境。但當(dāng)空調(diào)關(guān)閉后，整車(chē)環(huán)境舒適性變差，無(wú)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(jìn)方向

自動(dòng)空調(diào)的標(biāo)定策略、標(biāo)定過(guò)程和標(biāo)定驗(yàn)收仍存在不足，可以從以下3個(gè)方面改進(jìn)。

（1）室內(nèi)與室外相結(jié)合，提升標(biāo)定可靠度。整車(chē)在實(shí)際行駛時(shí)，環(huán)境、溫度、濕度復(fù)雜多變，車(chē)型研發(fā)時(shí)，為縮短周期，常在空調(diào)標(biāo)定時(shí)采用風(fēng)洞模擬實(shí)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(yàn)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(zhǎng)的測(cè)試周期內(nèi)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、解決問(wèn)題，提升自動(dòng)空調(diào)運(yùn)行可靠性和使用舒適性。

（2）增加驗(yàn)收試驗(yàn)工況。人們對(duì)于乘車(chē)舒適性的要求越來(lái)越高，從簡(jiǎn)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(duì)應(yīng)增加男性、女性或兒童、成人、老人不同人群的體感驗(yàn)收評(píng)價(jià)以及春秋季驗(yàn)收評(píng)價(jià)。

（3）將虛擬仿真與自動(dòng)空調(diào)標(biāo)定相結(jié)合。通過(guò)引入空調(diào)假人不斷優(yōu)化控制策略，建立適合我國(guó)人群特征的空調(diào)舒適性評(píng)價(jià)規(guī)范，搭建閉環(huán)測(cè)評(píng)體系，使自動(dòng)空調(diào)開(kāi)發(fā)流程更完善，評(píng)價(jià)結(jié)果更有效、客觀及合理。

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2021-07-02

1002-4581（2021）05-0009-05

U463.85+1

A

10.14175/j.issn.1002-4581.2021.05.003