關于電動汽車空調改裝探討

谷 豐

（北京汽車新能源汽車有限公司，北京 102606）

電動汽車的開發是目前汽車的發展趨勢，同時也是各大車廠對新技術的投入重點之一。主要做法是將現有成熟的傳統動力 （汽油、柴油）車輛進行電動化改裝，使其具備使用電能作為全部動力源的特點。而空調的部分也出現同樣的需求。本文針對傳統車不同類型的空調系統的電動化改裝情況進行初步分析。

1 目前國內汽車空調的分類與工作原理簡述

1.1 汽車空調的分類

1）按汽車空調操作系統的配置，車用空調主要可分為手動空調、手動電控空調、自動空調等。目前在業內主要采用此分類形式。

手動空調系統中，電子部分最為簡單，成本低，可靠性相對也較高，但由于機械傳動結構操作HVAC（Heating Ventilation Air-conditioning and Cooling，即暖通空調，本文中特指車內空調器總成）風門，操作手感不易控制，A／C（Air Conditioning，本文中指空調壓縮機啟動開關）、風速、溫度及出風方向等全部功能均需操作人員手動控制，目前多用于低端車型，市場占有率最大。

手動電控空調雖依舊需要操作人員手動控制全部空調功能，但HVAC包含電動伺服機構，可將操作阻力屏蔽在電動伺服機構層面，操作手感易于控制在較高的水準上。同時，功能指令由單片機采集、輸出，可實現多種功能的聯動。手動電控空調常用于乘用車及較高端商用車，成本高于手動空調，但低于自動空調。

自動空調系統與手動電控空調相比，配置了更多傳感器 （需額外采集車外溫度、駕駛艙溫度、陽光照度等），同時具備AUTO（空調全自動調節）功能，自行運算確定此時此刻適宜的車內環境，成本最高，目前常用于豪華車型或普通車型的豪華配置版本。

2）按汽車空調的功能劃分，車用空調包括暖風機、制冷機、冷暖空調等幾大類。嚴格來說，其中暖風機與制冷機并不能做到溫度、濕度、風速等的全方位調節，但由于在一定程度上具有控制車內空氣品質的能力，在一定程度上也可統一歸為汽車空調大類。

1.2 汽車空調工作原理簡述

目前傳統汽車空調系統的工作原理一般為制冷與制暖分立。制冷系統部分以氣態制冷劑由壓縮機壓縮為液態后，經過膨脹閥，回歸氣態，并在此過程吸收掉大量熱量。在HVAC內，吸熱過程主要在蒸發器中完成，被吸收大量熱量的低溫空氣再由風機吹出，與駕駛艙內進行熱交換，降低車廂內氣溫。空調壓縮機的動力即為發動機運轉輸出，會直接消耗小部分發動機動力。

而制熱方式，主要利用車輛余熱，將發動機散熱水引入HVAC的暖風芯體，加熱周圍空氣，再經由風機將熱空氣吹出。

基于此種工作原理，傳統車輛在車輛發動機未起動的前提下，空調系統是不能夠進行制冷、制熱工作的，只能使風機運轉，作為 “電扇”使用。

2 目前國內電動汽車開發狀況及空調需求

2.1 國內電動汽車開發狀況

全世界的新能源汽車發展都處于起步初期，雖有一些國際一線大廠已經推出了相對成熟的電動及混合動力車型，但在純電動領域，一直未有實質性的量產突破，瓶頸即為動力電池的容量及充電蓄能時間，此技術瓶頸直接限制了純電動汽車的普及與性能提升。

中國的電動汽車研究工作，在短短幾年的發展時間里，雖然與國際巨頭相比有相當大的技術差距，但差距正在一步步縮小，同樣的技術瓶頸也在同一時間擺在中國車企面前。

目前，國內主流的開發模式，即將傳統能源（汽油、柴油）車輛的內燃機更換為為之匹配開發的電動機，同時相配套的變速傳動、整車控制部件及能量源一并更換，以改裝的形式達到純電動車輛的設計。而完全針對電動而重新設計的純電動汽車僅僅停留在概念車階段，產業化為時尚早。

2.2 電動汽車空調需求

傳統車輛，在經歷了動力、能源的雙重變革之后，對車內空調系統的影響也不容小覷，同樣的動力、能源變化，使空調系統部件與控制的設計要求也出現了相當的變化。

2.2.1 壓縮機動力改變

在不改變原空調制冷原理的前提下，壓縮機的動力源由原來的發動機提供并經由皮帶傳動變為電能直接驅動，即電機帶動。

對于壓縮機，在傳統車中，基本是由主觀控制信號、系統壓力、蒸發器溫度、內外溫度、整車（發動機）保護等同時對其進行控制，而其運行狀態也基本只有開啟、停止2種狀態，這對能源是極大的浪費。須知每次壓縮機的啟動都要消耗數倍于正常運行的能量，這在電動汽車上必須要改變。適合于電動系統的壓縮機，必須具備變轉速 （變制冷量）功能，類似于家用空調的無級變頻。隨著蒸發器表面溫度的變化，電動壓縮機采取緩慢加速、減速方式完成調節制冷能力的閉環控制，使蒸發器表面溫度穩定在所需的區間 （一般為2～4℃之間），最大限度地避免設備啟停帶來的能量沖擊。壓縮機需要根據采集到的必要信號，適時計算出相對應的 “時間-轉速”曲線，根據此曲線每一點的斜率，確定轉速加速度的值。電動壓縮機工作流程示意如圖1所示。

柔和地調節壓縮機，穩定轉速，最大限度減少電量損失，這是電動空調系統適應電動汽車的核心內容。

2.2.2 制暖原理完全不同

傳統車采暖以利用發動機散熱能量為主，汽油發動機的冷卻液在90℃左右時為發動機的最佳工作溫度，一般正常工作時，冷卻液在85～100℃之間。而柴油發動機冷卻液溫度稍低，一般也會保持在80～90℃，此時的冷卻液足以提供車艙內取暖所需熱量。

但在純電動車中，散熱部件主要為動力電機，根據其絕緣等級，正常情況下其散熱水溫度不會超過60℃，這樣的水溫，遠遠不能滿足車內加熱的需求，所以，在純電動車輛上需要配置獨立的取暖設備。目前，市場中較成熟的有燃油加熱器和PTC（Positive Temperature Coefficient，正溫度系數，本文中特指以此特性材料制成的電加熱裝置）電加熱器等幾種可供電動汽車采用的獨立加熱設備，這些從家用產品移植而來的產品本身雖早已達到量產的成熟水平，可就電動汽車的需求而言，其利弊明顯，依然很難平衡。車用制熱方案優劣勢對比如表1所示。

表1 車用制熱方案優劣勢對比

在燃油加熱與獨立電加熱的方案中，從環保及便利性角度考慮，PTC電加熱有絕對優勢，但電加熱的電能消耗對于純電動汽車來說，弱點過于明顯，兩種方案各有利弊。但本著保證動力及續航的原則，應側重于采用盡可能不過分影響動力電池的采暖方案。

2.2.3 控制邏輯不同

控制邏輯與原傳統車相比，也有很大程度的不同。傳統汽車空調側重對制冷系統的控制，單獨設置A／C啟動功能，對于制熱狀態，一般只是單純利用溫度風門限制混風比例，對暖風芯體本身溫度不加控制 （部分豪華車型可采集并控制水閥調節暖風芯體溫度）。而電動汽車需要將制熱功能的開啟與停止單獨把控，其重要度的權重與制冷系統相同。如何平衡制冷與制熱兩項功能的引入與切換，并做到最充分的能源利用，成為關鍵點。

3 電動汽車空調控制系統改裝

基于傳統車輛空調控制系統的電動化改裝，其改裝的目的在于使現有傳統車空調系統適合于以電池為動力源的純電動汽車，達到與傳統車相同的使用效果，并盡可能做到對能源的節省和充分利用。以下是對3種常見空調系統的改裝分析。

3.1 手動空調系統電動化改裝

手動空調系統是最簡單、最基礎的空調系統，一切工作 （除系統保護）均需要操作者手動完成，且HVAC不能實現多種功能聯動。

1）需要將制冷部分的具體執行權交給整車控制器來完成，在人工選擇開啟壓縮機時，由整車控制器分析此時對于車輛來說是否允許啟動壓縮機。控制元素包括SOC（State of Charger，即電池的荷電狀態）、是否急加速、壓力傳感器狀態、蒸發器表面溫度等。

2）制熱的功能要求需單獨提出，以此來控制獨立制熱設備的啟動與停止。此功能的引入，可獨立設置開關按鈕，當然也可以將開關整合至溫度調節旋鈕中，如在溫度旋鈕制熱端設置微動開關，當溫度旋鈕旋至制熱端某位置時，加熱裝置開始工作。加熱開啟請求需首先發至VCU（Vehicle Control Unit，整車控制器），再經由VCU給出動作指令，在VCU的協調下，避免加熱設備與壓縮機同時開啟造成電負荷過大及能源浪費。

3）對于制熱功能，需在控制器中增加指示燈，提示此時制熱是否已開啟。目前國內外并無法規標準對此進行強制，建議設計為黃色，與電加熱后除霜相同。

4）部分外圍電路的增加。首先要考慮附加PCB的布置位置，如不能在原控制器內整合、安置，則需外掛到控制器外某適合的空間 （如中控臺其它預留按鍵），同時要考慮對電路板的保護。

但在實際改裝中，必須考慮手動結構的制造及安裝工藝，大部分依靠鋼絲拉線操控風門的低端車型在安裝及使用過程中極易出現拉線安裝不到位或拉線 （旋鈕）回彈現象，無法保證對開關的有效施力，從而造成功能不能實現。我公司的某款采用鋼絲拉索控制器的低端車型，即因此原因放棄在控制器內或HVAC綜合控制盤動作范圍內設置微動開關，而在中控臺獨立安置PTC按鍵。此按鍵將PTC請求信號輸入至VCU，得到允許后，功能啟動并反饋至按鍵指示燈。

3.2 手動電控空調系統電動化改裝

手動電控空調系統的制冷、制熱工作原理與手動空調是完全一致的，區別在于將控制HVAC風門的執行機構由拉線控制變為伺服機構 （伺服電機或步進電機）。同時，控制器由單純的機械結構變為基于單片機的電子控制方式，即可實現軟件層的聯動控制與部分功能的自主控制。

1）在電動化改造中，基本思路與手動空調是相同的，優點在于各種功能間并無嚴格的獨立性，且新的功能可以融入現有的按鍵或旋鈕，依靠程序進行輸入，達到 “一鍵多能”。如將溫度調節按鍵（旋鈕）設置為制熱操作達到某一程度時，開啟制熱設備，同時使壓縮機停止工作。此流程均可由控制器自行完成。

2）對于制熱功能，也可獨立設置按鍵。在原空調控制器配有預留鍵時，可直接將預留上的空鍵位設置為制熱啟動；若無預留鍵位，則可以考慮將原空調控制器中某相對次要功能鍵改為所需的制熱啟動，如OFF鍵 （OFF功能可整合至風量，即風量減弱為零時，空調系統停機）、內／外循環鍵 （可整合為一個按鍵，由按鍵標識及指示燈共同確認所處狀態）等。一般制熱與制冷系統不允許同時開啟，以免造成不必要的電能浪費。此功能同樣可由VCU采集后進行協調。

3）針對控制器通信問題，原車型可能為硬線連接，并不包含總線通信。而目前電動汽車一般采取整車控制器CAN BUS（Controller Area Network，總線協議）通信。空調控制器向其它控制單元收發信號需配合CAN BUS做出適配，使其端口及報文內容可被相關控制單元利用，避免出現通信不暢的問題。對此，通信協議的校核至關重要。

3.3 自動空調系統電動化改裝

自動空調由于配備多種傳感器，同時具備相當的自動調節功能，使空調系統在自主控制方面有了強大的主動性，配合適當的控制程序，基本可由空調控制器實現所有的控制功能。

1）實際操作方案與手動電控空調系統的改裝幾乎相同，但由于控制器的自主處理范圍進一步擴大，在控制程序中加入獨立制熱功能后，需更加全面的自動程序協調制熱設備的開啟與否，若制熱設備可以控制自身產熱溫度或輸出功率，則在控制邏輯中還需針對不同的制熱狀態設置符合人體舒適度并節能的要求。

2）在具體的自動程序設計中，可以參考傳統車對于空調系統對人體舒適性的要求 （可參考標準ISO 7730），人的腿、足、肩、臉及喉對溫度變化相對最為敏感，冬季車內采暖時首先要提升腿部、足的溫度 （即車廂下部空間）；夏季需制冷時，則首先要降低上半身溫度，側重面部。如日本舒適要求包括冬季上半身氣溫為24～28℃，下半身氣溫為28～32℃時人體感到舒適；而夏季溫度為24～26℃范圍內， 上半身氣流速度為0.6～0.9 m ／s， 下半身氣流速度為0.2～0.3m ／s時， 人體感到舒適。

注意:對控制算法的設計原則要基于不同地區、不同使用習慣，甚至不同人種的不同要求。

3）根據原則性要求，再加入電動汽車空調系統的特點，配合適當的算法，可粗略設計出適合具體車型的控制程序。涉及空調控制器的改動，一般需由控制器供應商配合完成。

筆者參與改裝的某自動空調車型，原即為CAN BUS通信，在改裝中采用同樣CAN BUS通信的電動壓縮機，方便地實現了信息的高效傳輸。首先保證了制冷功能的實現，但在具體的調溫過程中，由于無法直接采用原傳統車空調控制器的調溫信號，則首先將其采集至VCU內，由VCU具體發出轉速要求，再根據車內溫度使車內溫度傳感器、空調控制器、VCU、電動壓縮機共同組成控制閉環，實現了基本的穩定調速。

4 結語

綜上所述，基于傳統汽車空調系統的電動化改裝是目前國內純電動車及部分混合動力汽車的主流開發方式。但由于原車結構所限，很多細節都是專為傳統動力設計，并沒有考慮電動方案的需求，為改裝帶來了極大的難度。而在不遠的將來，純電動汽車將逐步融入現有市場，越來越多的電動車型將會擁有為其量身打造的布置與結構，這種先天優勢是改裝車望塵莫及的。由于篇幅關系，很多細節不能詳述，以后會專文討論。

［1］Steven Daly.Automotive Air Conditioning and Climate Control Systems［M］.London: Elsevier Butterworth-Heinemann Co.Ltd， 2006.

［2］祝占元.電動汽車［M］.鄭州:黃河水利出版社，2007.