淺析新能源汽車空調智能控制系統的關鍵技術

楊秀強

摘 要：新能源汽車的持續發展對空調系統的智能化程度提出了更高要求。目前新能源汽車智能空調系統需要在整車功能、數字孿生控制、深度學習、人體舒適性、智能大健康體系等方面有所發展，形成了包括空調熱舒適性系統、電池加熱冷卻系統、電驅冷卻系統、車機散熱系統、補水排氣系統、空氣質量管理系統等在內的多個子系統，相應的智能化控制實現難度并不低。其中熱泵空調技術、電動壓縮機控制技術以及余熱回收技術，是汽車空調智能控制系統中較為基礎的關鍵技術。

關鍵詞：新能源汽車 空調智能控制系統 熱泵空調技術 電動壓縮機控制技術

空調系統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，還能發揮換氣、凈化空氣、調節濕度與空氣流速等作用，進而為駕駛員營造舒適的車內駕駛環境，有效避免環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，空調系統通過制熱維持車內溫暖，并能對封窗上的霜霧與冰雪進行預防或去除，從而防止駕駛員由于溫度較低而反應變慢、手腳變僵或因為霜霧冰雪阻擋視線等情況發生；夏季氣候炎熱的時候，空調系統通過制冷維持車內涼爽，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；車內空氣較為渾濁或有煙氣、粉塵等的情況下，空調系統能通過通風換氣維持良好的車內空間空氣情況。

1 新能源汽車智能空調系統概述

1.1 新能源汽車智能空調系統的基本要求

新能源汽車市場近年來蓬勃發展，大量以環保、節能、智能為代名詞的汽車逐漸成為消費者購買汽車的首要選擇。與傳統汽車的空調系統相比，人們對新能源汽車的智能空調系統有著更高的要求，希望能獲得更為智能化、人性化的良好體驗。新能源汽車智能空調系統需要在原有的空調系統基礎上，實現智能功能的全面拓展。首先，滿足整車功能的需求。智能空調系統應當實現自干燥、空調維持、駐車通風等直流變直流需求，并且應當根據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、鎖車生命守護模式等提供相應的功能支持。其次，數字孿生管理控制。運用數字孿生技術對車內溫度變化以及電池溫度變化進行仿真預測，并基于此實現包括前饋控制、預約空調提前計算溫控時間、預約充電、預約電池保溫提前計算溫控時間等功能。然后，深度學習。新能源汽車的智能空調系統能對用戶的行為數據進行記錄、分析和學習，進而基于用戶習慣提供個性化服務，提前對用戶行為加以預測并進行提示、推薦與引導，為用戶提供更為舒適的空調功能及服務。再然后，構建“人體舒適性”模型。新能源汽車的智能空調系統能基于以人為本理念，通過大數據技術等構建“人體舒適性”模型，進而根據模型中的性別、年齡、胖瘦、衣著等關鍵信息劃分人體冷熱適應等級，實現對車內溫度、濕度、空氣速率等的智能化控制，確保人體冷熱適應等級與環境舒適性等級高度匹配。最后，拓展發展智能大健康體系功能。在各種先進技術的支持下，汽車智能空調系統的功能將進一步得到拓展，除了以基本的溫濕度控制、空氣凈化等功能外，還可在CO2/O2含量監測與控制、智能香氛、除菌殺菌乃至理療、情緒檢測、生理指標檢測等方面進行功能拓展，進而構建全方面有利于用戶身心健康的車內環境。

1.2 新能源汽車智能空調系統的構成

（1）空調熱舒適性系統。該系統實際上就是傳統汽車空調系統在新能源汽車時代的智能化升級系統，主要功能在于實現制熱、制冷、除濕、前擋除霧、空氣循環等的智能調節。其中制熱系統由電子水泵、水加熱器、暖風四通閥、暖風芯體等組成，多為冷卻液加熱式，通過將發動機出水口的冷卻液通入暖風水箱后依靠鼓風機將水箱周圍熱空氣吹入車內的方式制暖，同時對前擋玻璃的霜霧加以去除。制冷系統則主要由壓縮機、冷凝器、電子膨脹閥、蒸發器、換熱器等組成，制冷方式則為蒸氣壓縮方式，由制冷劑蒸發時吸收的熱量進行制冷，同時還能實現除濕、凈化空氣等功能。通風系統則是由搜狗風道、風門等構成，由風門將車內、外空氣進行調節，再經蒸發器冷卻除濕或加熱器處理，最后將冷、暖風按照實際需要進行混合并送入車中?？諝鈨艋到y由空氣過濾器、電子集塵器、陰離子發生器等構成，既能持續過濾和凈化送入車內的空氣，又能將車內的污濁氣體及時排出車外。整個空調熱舒適性系統的運行還離不開車機的控制微處理器、傳感器、控制開關等的支持，從而基于車內溫度、濕度、空氣流速等實現智能化控制。

（2）電池加熱冷卻系統。新能源汽車充電或行駛過程中需要對電池進行加熱或冷卻處理，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回路進行串并聯，并在汽車充電或行駛過程中實現余熱回收、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換熱器有效降溫；電池溫度處于中等范圍時，可通過四通換向閥串聯電驅回路并依靠前端低溫散熱器進行散熱。電池溫度較低時，則可通過三同比例閥串聯電機回路，依靠電機余熱對電池進行保溫處理。電池處于超低溫狀態時，則可通過三通比例閥傳遞水水換熱器的熱量并對電池進行加熱。

（3）電驅冷卻系統。電驅冷卻系統由電動水泵、驅動電機、軟管、散熱器、冷卻風扇等構成，并且可通過自然冷卻、風冷與水冷三種方式進行冷卻降溫。

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

（5）補水排氣系統。補水排氣系統的主要構件為膨脹水壺，其與汽車的電池、電機、暖風回路等相連，從而實現相應的回路補水。分水箱則是排氣的主要部件，其中電池與電驅回路共用一個分水箱，暖風回路則單獨用一個分水箱。

（6）空氣質量管理系統?？諝赓|量系統的構成包括PM2.5傳感器、等離子發生器、AQS傳感器、車載處理器等，通過傳感器對車內空氣質量進行實時監測，并在空氣質量不達標時進行智能化處理，實現過濾空氣、殺菌除塵、尾氣防護等功能。

2 新能源汽車空調智能控制系統的關鍵技術

2.1 熱泵空調技術

熱泵空調技術是新能源汽車空調智能控制系統中被廣泛應用的關鍵技術，也是實現制冷、制暖功能的核心技術。熱泵空調制冷與制暖時，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，進而驅動壓縮機進行不同動作，最終達到制冷或制熱的目的。熱泵空調技術本身具有高效、節能的優勢，還能通過消耗少量逆循環功進行采暖，十分適合電池容量較為有限的新能源汽車。

（1）制冷原理。熱泵空調進行制冷時，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，并通過電路與車內冷凝器、壓縮機、車內蒸發器、車外冷凝器等連接。此時空調壓縮機會在交流高壓電的驅動下，生成高溫高壓制冷劑，經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，并經由制冷電子膨脹閥傳遞到車內蒸發器，在車內吸收熱量后液體會變成低壓低溫氣體并傳入空調壓縮機中，完成循環。

（2）制熱原理。熱泵空調制熱原理如圖2所示。壓縮機運行并排出高溫高壓制冷劑，經過車內冷凝器后與車內空氣進行熱交換，釋放熱量并變為高壓中溫液體。之后再經采暖電子膨脹閥進入車外冷凝器，與車外空氣進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中，完成循環。

（3）熱泵空調系統組成。熱泵空調技術在新能源汽車中的應用，往往會形成相應的熱泵空調系統。不同品牌、不同型號的新能源汽車熱泵空調系統組成往往會存在一定差異，不過其核心始終是圍繞相應技術的實現展開。譬如比亞迪海豚的熱泵空調系統的組成就較為復雜，包含了電機控制系統、直冷直熱板、熱管理集成模塊、車內冷凝器與蒸發器、車外冷凝器、電機散熱器、電子風散、壓縮機、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、空調制熱電磁閥、空調制冷電磁閥、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。該熱泵空調系統除了能實現最基本的車內制冷與制熱功能，還能實現包括動力電池直接冷卻、動力電池直接加熱、驅動電機余熱利用、電機控制器余熱利用等功能，大幅提升了汽車溫度偏低環境下的電池續航能力，切實降低了空調系統能耗。

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

2.2 電動壓縮機控制技術

空調壓縮機作為提供制冷劑的部件，其在整個新能源汽車空調系統中占據著重要地位。而對空調系統的智能控制而言，電動壓縮機控制技術的應用自然是重中之重。洗能源汽車的空調壓縮機與傳統汽車相比，其有著不小的變化，其中最關鍵的一點就在于取消了前端驅動輪，同時增加了驅動電機與單獨的控制模塊，能實現自動化、智能化控制。新能源汽車空調壓縮機由接插件、電器盒蓋、控制器、接線端子、殼體、定子、轉子、驅動電機、平衡塊、主軸承座、十字滑環、動渦旋、靜渦旋、密封墊、頂蓋等組成，結構較為復雜。

（1）硬件系統。要實現對壓縮機的智能控制，需要構建相應的軟硬件體系，從而根據實際情況智能化驅動和控制壓縮機工作運行。電動壓縮機控制系統硬件包括控制芯片、驅動電源、電路、信號、通信接口等。根據壓縮機型號以及數據傳輸標準與要求等因素，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。驅動電源的選用通常優先考慮永磁式直流電動機，而且最好設置雙電層結構防止電力能源中斷導致的各種問題。進行電路設計需要確保電壓穩定、電流信號可轉換。信號設計則要根據壓縮機本身參數，選用量程與靈敏度均合適的傳感器。至于通信接口設計，則要根據新能源汽車的數據標準和要求進行合理設計。

（2）軟件設計。新能源汽車空調系統運行過程中，電動壓縮機控制系統的軟件應當能滿足壓縮機工作需求。而要實現這一點，則需要對包括矢量變頻控制技術、PID控制算法等在內的技術加以應用。其中矢量變頻控制技術的運用能通過變頻控制器改變壓縮機工作頻率，從而改變轉速，實現快速制冷，達到節能以及提高效率之目的。PID控制算法的運用，則能對壓縮機輸入信號的變化情況進行分析和預估，并可提前引入修正信號，從而加快壓縮機控制的反饋速度、提升控制的精準性。

2.3 余熱回收技術

對與熱回收技術加以利用，既符合新能源汽車本身節能環保的特性，又能減少電池能源消耗、提升汽車續航里程、延長電池使用壽命。目前新能源汽車空調系統中常用的余熱回收技術主要有兩種實現方式，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。通常余熱回收系統由電驅電控系統與電池包熱管理系統兩部分組成，整個系統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電控系統的熱量通過冷卻液的熱交換對電池包進行加熱。提高扇熱風扇的葉輪轉速，能促進散熱器散熱性能提升；控制冷卻水泵的葉輪轉速，能調整冷卻液流量，從而控制余熱回收性能；對四通閥內部閥門的閉合情況進行調整，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行調整，能控制流經散熱器的冷卻液流量，進而控制系統和外界環境的換熱量；對熱敏電阻本體溫度、電池包進口溫度以及電池包單體平均溫度進行設置，也能控制相應的余熱回收效果。

3 結語

綜上，加強智能化控制是推動新能源汽車空調系統智能化發展的基礎與關鍵。目前汽車空調智能控制技術已經較為成熟，能在自動化控制的基礎上與現代人工智能技術、大數據技術、云計算技術、物聯網技術等進行有機結合，有效滿足用戶需求。在可預見的未來，空調智能控制技術水平必然會進一步得到提升，從而真正為用戶打造人性化、智能化的車內空調體驗。

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