楊秀強(qiáng)

摘 要：新能源汽車的持續(xù)發(fā)展對空調(diào)系統(tǒng)的智能化程度提出了更高要求。目前新能源汽車智能空調(diào)系統(tǒng)需要在整車功能、數(shù)字孿生控制、深度學(xué)習(xí)、人體舒適性、智能大健康體系等方面有所發(fā)展，形成了包括空調(diào)熱舒適性系統(tǒng)、電池加熱冷卻系統(tǒng)、電驅(qū)冷卻系統(tǒng)、車機(jī)散熱系統(tǒng)、補(bǔ)水排氣系統(tǒng)、空氣質(zhì)量管理系統(tǒng)等在內(nèi)的多個子系統(tǒng)，相應(yīng)的智能化控制實(shí)現(xiàn)難度并不低。其中熱泵空調(diào)技術(shù)、電動壓縮機(jī)控制技術(shù)以及余熱回收技術(shù)，是汽車空調(diào)智能控制系統(tǒng)中較為基礎(chǔ)的關(guān)鍵技術(shù)。

關(guān)鍵詞：新能源汽車 空調(diào)智能控制系統(tǒng) 熱泵空調(diào)技術(shù) 電動壓縮機(jī)控制技術(shù)

空調(diào)系統(tǒng)是汽車不可或缺的重要組成部分，其不僅能提供最基本的制冷、制熱功能，還能發(fā)揮換氣、凈化空氣、調(diào)節(jié)濕度與空氣流速等作用，進(jìn)而為駕駛員營造舒適的車內(nèi)駕駛環(huán)境，有效避免環(huán)境不適宜而帶來的各種影響駕駛安全的問題。冬季寒冷的時候，空調(diào)系統(tǒng)通過制熱維持車內(nèi)溫暖，并能對封窗上的霜霧與冰雪進(jìn)行預(yù)防或去除，從而防止駕駛員由于溫度較低而反應(yīng)變慢、手腳變僵或因?yàn)樗F冰雪阻擋視線等情況發(fā)生；夏季氣候炎熱的時候，空調(diào)系統(tǒng)通過制冷維持車內(nèi)涼爽，防止駕駛員由于過于燥熱而焦躁難安、注意力不集中等問題；車內(nèi)空氣較為渾濁或有煙氣、粉塵等的情況下，空調(diào)系統(tǒng)能通過通風(fēng)換氣維持良好的車內(nèi)空間空氣情況。

1 新能源汽車智能空調(diào)系統(tǒng)概述

1.1 新能源汽車智能空調(diào)系統(tǒng)的基本要求

新能源汽車市場近年來蓬勃發(fā)展，大量以環(huán)保、節(jié)能、智能為代名詞的汽車逐漸成為消費(fèi)者購買汽車的首要選擇。與傳統(tǒng)汽車的空調(diào)系統(tǒng)相比，人們對新能源汽車的智能空調(diào)系統(tǒng)有著更高的要求，希望能獲得更為智能化、人性化的良好體驗(yàn)。新能源汽車智能空調(diào)系統(tǒng)需要在原有的空調(diào)系統(tǒng)基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)智能功能的全面拓展。首先，滿足整車功能的需求。智能空調(diào)系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)實(shí)現(xiàn)自干燥、空調(diào)維持、駐車通風(fēng)等直流變直流需求，并且應(yīng)當(dāng)根據(jù)新能源汽車自身的高壓能量管理模式、低壓能量管理模式、整車替身模式、露營模式、鎖車生命守護(hù)模式等提供相應(yīng)的功能支持。其次，數(shù)字孿生管理控制。運(yùn)用數(shù)字孿生技術(shù)對車內(nèi)溫度變化以及電池溫度變化進(jìn)行仿真預(yù)測，并基于此實(shí)現(xiàn)包括前饋控制、預(yù)約空調(diào)提前計(jì)算溫控時間、預(yù)約充電、預(yù)約電池保溫提前計(jì)算溫控時間等功能。然后，深度學(xué)習(xí)。新能源汽車的智能空調(diào)系統(tǒng)能對用戶的行為數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄、分析和學(xué)習(xí)，進(jìn)而基于用戶習(xí)慣提供個性化服務(wù)，提前對用戶行為加以預(yù)測并進(jìn)行提示、推薦與引導(dǎo)，為用戶提供更為舒適的空調(diào)功能及服務(wù)。再然后，構(gòu)建“人體舒適性”模型。新能源汽車的智能空調(diào)系統(tǒng)能基于以人為本理念，通過大數(shù)據(jù)技術(shù)等構(gòu)建“人體舒適性”模型，進(jìn)而根據(jù)模型中的性別、年齡、胖瘦、衣著等關(guān)鍵信息劃分人體冷熱適應(yīng)等級，實(shí)現(xiàn)對車內(nèi)溫度、濕度、空氣速率等的智能化控制，確保人體冷熱適應(yīng)等級與環(huán)境舒適性等級高度匹配。最后，拓展發(fā)展智能大健康體系功能。在各種先進(jìn)技術(shù)的支持下，汽車智能空調(diào)系統(tǒng)的功能將進(jìn)一步得到拓展，除了以基本的溫濕度控制、空氣凈化等功能外，還可在CO2/O2含量監(jiān)測與控制、智能香氛、除菌殺菌乃至理療、情緒檢測、生理指標(biāo)檢測等方面進(jìn)行功能拓展，進(jìn)而構(gòu)建全方面有利于用戶身心健康的車內(nèi)環(huán)境。

1.2 新能源汽車智能空調(diào)系統(tǒng)的構(gòu)成

（1）空調(diào)熱舒適性系統(tǒng)。該系統(tǒng)實(shí)際上就是傳統(tǒng)汽車空調(diào)系統(tǒng)在新能源汽車時代的智能化升級系統(tǒng)，主要功能在于實(shí)現(xiàn)制熱、制冷、除濕、前擋除霧、空氣循環(huán)等的智能調(diào)節(jié)。其中制熱系統(tǒng)由電子水泵、水加熱器、暖風(fēng)四通閥、暖風(fēng)芯體等組成，多為冷卻液加熱式，通過將發(fā)動機(jī)出水口的冷卻液通入暖風(fēng)水箱后依靠鼓風(fēng)機(jī)將水箱周圍熱空氣吹入車內(nèi)的方式制暖，同時對前擋玻璃的霜霧加以去除。制冷系統(tǒng)則主要由壓縮機(jī)、冷凝器、電子膨脹閥、蒸發(fā)器、換熱器等組成，制冷方式則為蒸氣壓縮方式，由制冷劑蒸發(fā)時吸收的熱量進(jìn)行制冷，同時還能實(shí)現(xiàn)除濕、凈化空氣等功能。通風(fēng)系統(tǒng)則是由搜狗風(fēng)道、風(fēng)門等構(gòu)成，由風(fēng)門將車內(nèi)、外空氣進(jìn)行調(diào)節(jié)，再經(jīng)蒸發(fā)器冷卻除濕或加熱器處理，最后將冷、暖風(fēng)按照實(shí)際需要進(jìn)行混合并送入車中。空氣凈化系統(tǒng)由空氣過濾器、電子集塵器、陰離子發(fā)生器等構(gòu)成，既能持續(xù)過濾和凈化送入車內(nèi)的空氣，又能將車內(nèi)的污濁氣體及時排出車外。整個空調(diào)熱舒適性系統(tǒng)的運(yùn)行還離不開車機(jī)的控制微處理器、傳感器、控制開關(guān)等的支持，從而基于車內(nèi)溫度、濕度、空氣流速等實(shí)現(xiàn)智能化控制。

（2）電池加熱冷卻系統(tǒng)。新能源汽車充電或行駛過程中需要對電池進(jìn)行加熱或冷卻處理，從而保障電池安全以及維持電池使用壽命和車輛性能。電池加熱冷卻系統(tǒng)包含四通換向閥、三通比例閥等，通過這些組件將電池與電機(jī)回路進(jìn)行串并聯(lián)，并在汽車充電或行駛過程中實(shí)現(xiàn)余熱回收、電池散熱等功能。電池溫度較高時，可直接通過制冷劑和電池?fù)Q熱器有效降溫；電池溫度處于中等范圍時，可通過四通換向閥串聯(lián)電驅(qū)回路并依靠前端低溫散熱器進(jìn)行散熱。電池溫度較低時，則可通過三同比例閥串聯(lián)電機(jī)回路，依靠電機(jī)余熱對電池進(jìn)行保溫處理。電池處于超低溫狀態(tài)時，則可通過三通比例閥傳遞水水換熱器的熱量并對電池進(jìn)行加熱。

（3）電驅(qū)冷卻系統(tǒng)。電驅(qū)冷卻系統(tǒng)由電動水泵、驅(qū)動電機(jī)、軟管、散熱器、冷卻風(fēng)扇等構(gòu)成，并且可通過自然冷卻、風(fēng)冷與水冷三種方式進(jìn)行冷卻降溫。

（4）XPU、大屏主機(jī)散熱系統(tǒng)。新能源汽車作為以智能化為重要特點(diǎn)的汽車，其往往包含XPU（智能處理器）與大屏主機(jī)，二者均需要良好的散熱支持。XPU和大屏主機(jī)散熱冷卻主要是通過電機(jī)水泵、散熱器以及旁通等進(jìn)行散熱。

（5）補(bǔ)水排氣系統(tǒng)。補(bǔ)水排氣系統(tǒng)的主要構(gòu)件為膨脹水壺，其與汽車的電池、電機(jī)、暖風(fēng)回路等相連，從而實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的回路補(bǔ)水。分水箱則是排氣的主要部件，其中電池與電驅(qū)回路共用一個分水箱，暖風(fēng)回路則單獨(dú)用一個分水箱。

（6）空氣質(zhì)量管理系統(tǒng)。空氣質(zhì)量系統(tǒng)的構(gòu)成包括PM2.5傳感器、等離子發(fā)生器、AQS傳感器、車載處理器等，通過傳感器對車內(nèi)空氣質(zhì)量進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，并在空氣質(zhì)量不達(dá)標(biāo)時進(jìn)行智能化處理，實(shí)現(xiàn)過濾空氣、殺菌除塵、尾氣防護(hù)等功能。

2 新能源汽車空調(diào)智能控制系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 熱泵空調(diào)技術(shù)

熱泵空調(diào)技術(shù)是新能源汽車空調(diào)智能控制系統(tǒng)中被廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)，也是實(shí)現(xiàn)制冷、制暖功能的核心技術(shù)。熱泵空調(diào)制冷與制暖時，制冷電磁閥、制冷電子膨脹閥、電子電磁閥、采暖電子膨脹閥等會處于不同狀態(tài)，進(jìn)而驅(qū)動壓縮機(jī)進(jìn)行不同動作，最終達(dá)到制冷或制熱的目的。熱泵空調(diào)技術(shù)本身具有高效、節(jié)能的優(yōu)勢，還能通過消耗少量逆循環(huán)功進(jìn)行采暖，十分適合電池容量較為有限的新能源汽車。

（1）制冷原理。熱泵空調(diào)進(jìn)行制冷時，其原理如圖1所示。制冷電磁閥以及制冷電子膨脹閥會處于工作狀態(tài)，并通過電路與車內(nèi)冷凝器、壓縮機(jī)、車內(nèi)蒸發(fā)器、車外冷凝器等連接。此時空調(diào)壓縮機(jī)會在交流高壓電的驅(qū)動下，生成高溫高壓制冷劑，經(jīng)過制冷電磁閥后傳遞到車外冷凝器，并與出車外空氣完成熱交換。之后會生成高壓中溫液體，并經(jīng)由制冷電子膨脹閥傳遞到車內(nèi)蒸發(fā)器，在車內(nèi)吸收熱量后液體會變成低壓低溫氣體并傳入空調(diào)壓縮機(jī)中，完成循環(huán)。

（2）制熱原理。熱泵空調(diào)制熱原理如圖2所示。壓縮機(jī)運(yùn)行并排出高溫高壓制冷劑，經(jīng)過車內(nèi)冷凝器后與車內(nèi)空氣進(jìn)行熱交換，釋放熱量并變?yōu)楦邏褐袦匾后w。之后再經(jīng)采暖電子膨脹閥進(jìn)入車外冷凝器，與車外空氣進(jìn)行熱交換并變成低壓低溫氣體。最后氣體會通過采暖電磁閥回流到壓縮機(jī)中，完成循環(huán)。

（3）熱泵空調(diào)系統(tǒng)組成。熱泵空調(diào)技術(shù)在新能源汽車中的應(yīng)用，往往會形成相應(yīng)的熱泵空調(diào)系統(tǒng)。不同品牌、不同型號的新能源汽車熱泵空調(diào)系統(tǒng)組成往往會存在一定差異，不過其核心始終是圍繞相應(yīng)技術(shù)的實(shí)現(xiàn)展開。譬如比亞迪海豚的熱泵空調(diào)系統(tǒng)的組成就較為復(fù)雜，包含了電機(jī)控制系統(tǒng)、直冷直熱板、熱管理集成模塊、車內(nèi)冷凝器與蒸發(fā)器、車外冷凝器、電機(jī)散熱器、電子風(fēng)散、壓縮機(jī)、氣液分離器、消音器等，其中熱管理集成模塊主要包含電池加熱電磁閥、空氣換熱電磁閥、空調(diào)制熱電磁閥、空調(diào)制冷電磁閥、水源換熱電磁閥、制冷電磁膨脹閥、制熱電子膨脹閥、電池電子膨脹閥以及制冷劑管接頭。該熱泵空調(diào)系統(tǒng)除了能實(shí)現(xiàn)最基本的車內(nèi)制冷與制熱功能，還能實(shí)現(xiàn)包括動力電池直接冷卻、動力電池直接加熱、驅(qū)動電機(jī)余熱利用、電機(jī)控制器余熱利用等功能，大幅提升了汽車溫度偏低環(huán)境下的電池續(xù)航能力，切實(shí)降低了空調(diào)系統(tǒng)能耗。

（4）熱泵空調(diào)系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)。新能源汽車熱泵空調(diào)系統(tǒng)有著豐富的功能，不同功能的實(shí)現(xiàn)均需要相應(yīng)的技術(shù)作為支撐。以比亞迪海豚為例，其熱泵空調(diào)系統(tǒng)主要能實(shí)現(xiàn)空調(diào)制熱、動力電池加熱、空調(diào)制熱與動力電池同時加熱、空調(diào)制冷、動力電池冷卻、空調(diào)制冷和動力電池同時冷卻等功能。進(jìn)行空調(diào)制熱時，空調(diào)壓縮機(jī)、制熱電子膨脹閥、水源換熱電磁閥、空調(diào)采暖電磁閥等均會工作，高溫高壓制冷劑會通過車內(nèi)冷凝器放熱以起到制熱作用，并且板式換熱器能對驅(qū)動電機(jī)、電機(jī)控制器等的余熱進(jìn)行吸收。如果溫度極低，系統(tǒng)還會智能開啟PTC加熱器輔助加熱。進(jìn)行動力電池加熱主要是依靠熱泵空調(diào)直接加熱動電池，電池加熱電磁閥、電池電子膨脹閥、水源換熱電磁閥、空調(diào)制熱電磁閥等均會處于工作狀態(tài)。同時進(jìn)行空調(diào)制熱與動力電池加熱，那么制熱電子膨脹閥與電池電子膨脹閥會同時開啟。至于空調(diào)制冷、動力電池冷卻，則與空調(diào)制熱、動力電池加熱的實(shí)現(xiàn)形式大同小異，只不過工作的電磁閥、膨脹閥以及冷卻劑流經(jīng)路徑有所不同。

2.2 電動壓縮機(jī)控制技術(shù)

空調(diào)壓縮機(jī)作為提供制冷劑的部件，其在整個新能源汽車空調(diào)系統(tǒng)中占據(jù)著重要地位。而對空調(diào)系統(tǒng)的智能控制而言，電動壓縮機(jī)控制技術(shù)的應(yīng)用自然是重中之重。洗能源汽車的空調(diào)壓縮機(jī)與傳統(tǒng)汽車相比，其有著不小的變化，其中最關(guān)鍵的一點(diǎn)就在于取消了前端驅(qū)動輪，同時增加了驅(qū)動電機(jī)與單獨(dú)的控制模塊，能實(shí)現(xiàn)自動化、智能化控制。新能源汽車空調(diào)壓縮機(jī)由接插件、電器盒蓋、控制器、接線端子、殼體、定子、轉(zhuǎn)子、驅(qū)動電機(jī)、平衡塊、主軸承座、十字滑環(huán)、動渦旋、靜渦旋、密封墊、頂蓋等組成，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。

（1）硬件系統(tǒng)。要實(shí)現(xiàn)對壓縮機(jī)的智能控制，需要構(gòu)建相應(yīng)的軟硬件體系，從而根據(jù)實(shí)際情況智能化驅(qū)動和控制壓縮機(jī)工作運(yùn)行。電動壓縮機(jī)控制系統(tǒng)硬件包括控制芯片、驅(qū)動電源、電路、信號、通信接口等。根據(jù)壓縮機(jī)型號以及數(shù)據(jù)傳輸標(biāo)準(zhǔn)與要求等因素，選擇合適的控制芯片即可，目前新能源汽車中較為常用的為DSP芯片。驅(qū)動電源的選用通常優(yōu)先考慮永磁式直流電動機(jī)，而且最好設(shè)置雙電層結(jié)構(gòu)防止電力能源中斷導(dǎo)致的各種問題。進(jìn)行電路設(shè)計(jì)需要確保電壓穩(wěn)定、電流信號可轉(zhuǎn)換。信號設(shè)計(jì)則要根據(jù)壓縮機(jī)本身參數(shù)，選用量程與靈敏度均合適的傳感器。至于通信接口設(shè)計(jì)，則要根據(jù)新能源汽車的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)和要求進(jìn)行合理設(shè)計(jì)。

（2）軟件設(shè)計(jì)。新能源汽車空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行過程中，電動壓縮機(jī)控制系統(tǒng)的軟件應(yīng)當(dāng)能滿足壓縮機(jī)工作需求。而要實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，則需要對包括矢量變頻控制技術(shù)、PID控制算法等在內(nèi)的技術(shù)加以應(yīng)用。其中矢量變頻控制技術(shù)的運(yùn)用能通過變頻控制器改變壓縮機(jī)工作頻率，從而改變轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)快速制冷，達(dá)到節(jié)能以及提高效率之目的。PID控制算法的運(yùn)用，則能對壓縮機(jī)輸入信號的變化情況進(jìn)行分析和預(yù)估，并可提前引入修正信號，從而加快壓縮機(jī)控制的反饋速度、提升控制的精準(zhǔn)性。

2.3 余熱回收技術(shù)

對與熱回收技術(shù)加以利用，既符合新能源汽車本身節(jié)能環(huán)保的特性，又能減少電池能源消耗、提升汽車?yán)m(xù)航里程、延長電池使用壽命。目前新能源汽車空調(diào)系統(tǒng)中常用的余熱回收技術(shù)主要有兩種實(shí)現(xiàn)方式，其一為基于冷卻器的高溫回路和電池低溫回路熱交換，其二為高溫回路直接和電池低溫回路熱交換。通常余熱回收系統(tǒng)由電驅(qū)電控系統(tǒng)與電池包熱管理系統(tǒng)兩部分組成，整個系統(tǒng)中包含了冷卻液的對流交換、散熱器的熱交換、熱敏電阻加熱等熱量傳遞形式，并能在四通道電磁閥的作用下將電驅(qū)電控系統(tǒng)的熱量通過冷卻液的熱交換對電池包進(jìn)行加熱。提高扇熱風(fēng)扇的葉輪轉(zhuǎn)速，能促進(jìn)散熱器散熱性能提升；控制冷卻水泵的葉輪轉(zhuǎn)速，能調(diào)整冷卻液流量，從而控制余熱回收性能；對四通閥內(nèi)部閥門的閉合情況進(jìn)行調(diào)整，能改變冷卻液流動路線，從而影響熱交換，控制余熱回收性能；對比例閥閥門開度大小進(jìn)行調(diào)整，能控制流經(jīng)散熱器的冷卻液流量，進(jìn)而控制系統(tǒng)和外界環(huán)境的換熱量；對熱敏電阻本體溫度、電池包進(jìn)口溫度以及電池包單體平均溫度進(jìn)行設(shè)置，也能控制相應(yīng)的余熱回收效果。

3 結(jié)語

綜上，加強(qiáng)智能化控制是推動新能源汽車空調(diào)系統(tǒng)智能化發(fā)展的基礎(chǔ)與關(guān)鍵。目前汽車空調(diào)智能控制技術(shù)已經(jīng)較為成熟，能在自動化控制的基礎(chǔ)上與現(xiàn)代人工智能技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)、云計(jì)算技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，有效滿足用戶需求。在可預(yù)見的未來，空調(diào)智能控制技術(shù)水平必然會進(jìn)一步得到提升，從而真正為用戶打造人性化、智能化的車內(nèi)空調(diào)體驗(yàn)。

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