关于电动汽车空调改装探讨

谷 丰

（北京汽车新能源汽车有限公司，北京 102606）

电动汽车的开发是目前汽车的发展趋势，同时也是各大车厂对新技术的投入重点之一。主要做法是将现有成熟的传统动力 （汽油、柴油）车辆进行电动化改装，使其具备使用电能作为全部动力源的特点。而空调的部分也出现同样的需求。本文针对传统车不同类型的空调系统的电动化改装情况进行初步分析。

1 目前国内汽车空调的分类与工作原理简述

1.1 汽车空调的分类

1）按汽车空调操作系统的配置，车用空调主要可分为手动空调、手动电控空调、自动空调等。目前在业内主要采用此分类形式。

手动空调系统中，电子部分最为简单，成本低，可靠性相对也较高，但由于机械传动结构操作HVAC（Heating Ventilation Air-conditioning and Cooling，即暖通空调，本文中特指车内空调器总成）风门，操作手感不易控制，A／C（Air Conditioning，本文中指空调压缩机启动开关）、风速、温度及出风方向等全部功能均需操作人员手动控制，目前多用于低端车型，市场占有率最大。

手动电控空调虽依旧需要操作人员手动控制全部空调功能，但HVAC包含电动伺服机构，可将操作阻力屏蔽在电动伺服机构层面，操作手感易于控制在较高的水准上。同时，功能指令由单片机采集、输出，可实现多种功能的联动。手动电控空调常用于乘用车及较高端商用车，成本高于手动空调，但低于自动空调。

自动空调系统与手动电控空调相比，配置了更多传感器 （需额外采集车外温度、驾驶舱温度、阳光照度等），同时具备AUTO（空调全自动调节）功能，自行运算确定此时此刻适宜的车内环境，成本最高，目前常用于豪华车型或普通车型的豪华配置版本。

2）按汽车空调的功能划分，车用空调包括暖风机、制冷机、冷暖空调等几大类。严格来说，其中暖风机与制冷机并不能做到温度、湿度、风速等的全方位调节，但由于在一定程度上具有控制车内空气品质的能力，在一定程度上也可统一归为汽车空调大类。

1.2 汽车空调工作原理简述

目前传统汽车空调系统的工作原理一般为制冷与制暖分立。制冷系统部分以气态制冷剂由压缩机压缩为液态后，经过膨胀阀，回归气态，并在此过程吸收掉大量热量。在HVAC内，吸热过程主要在蒸发器中完成，被吸收大量热量的低温空气再由风机吹出，与驾驶舱内进行热交换，降低车厢内气温。空调压缩机的动力即为发动机运转输出，会直接消耗小部分发动机动力。

而制热方式，主要利用车辆余热，将发动机散热水引入HVAC的暖风芯体，加热周围空气，再经由风机将热空气吹出。

基于此种工作原理，传统车辆在车辆发动机未起动的前提下，空调系统是不能够进行制冷、制热工作的，只能使风机运转，作为 “电扇”使用。

2 目前国内电动汽车开发状况及空调需求

2.1 国内电动汽车开发状况

全世界的新能源汽车发展都处于起步初期，虽有一些国际一线大厂已经推出了相对成熟的电动及混合动力车型，但在纯电动领域，一直未有实质性的量产突破，瓶颈即为动力电池的容量及充电蓄能时间，此技术瓶颈直接限制了纯电动汽车的普及与性能提升。

中国的电动汽车研究工作，在短短几年的发展时间里，虽然与国际巨头相比有相当大的技术差距，但差距正在一步步缩小，同样的技术瓶颈也在同一时间摆在中国车企面前。

目前，国内主流的开发模式，即将传统能源（汽油、柴油）车辆的内燃机更换为为之匹配开发的电动机，同时相配套的变速传动、整车控制部件及能量源一并更换，以改装的形式达到纯电动车辆的设计。而完全针对电动而重新设计的纯电动汽车仅仅停留在概念车阶段，产业化为时尚早。

2.2 电动汽车空调需求

传统车辆，在经历了动力、能源的双重变革之后，对车内空调系统的影响也不容小觑，同样的动力、能源变化，使空调系统部件与控制的设计要求也出现了相当的变化。

2.2.1 压缩机动力改变

在不改变原空调制冷原理的前提下，压缩机的动力源由原来的发动机提供并经由皮带传动变为电能直接驱动，即电机带动。

对于压缩机，在传统车中，基本是由主观控制信号、系统压力、蒸发器温度、内外温度、整车（发动机）保护等同时对其进行控制，而其运行状态也基本只有开启、停止2种状态，这对能源是极大的浪费。须知每次压缩机的启动都要消耗数倍于正常运行的能量，这在电动汽车上必须要改变。适合于电动系统的压缩机，必须具备变转速 （变制冷量）功能，类似于家用空调的无级变频。随着蒸发器表面温度的变化，电动压缩机采取缓慢加速、减速方式完成调节制冷能力的闭环控制，使蒸发器表面温度稳定在所需的区间 （一般为2～4℃之间），最大限度地避免设备启停带来的能量冲击。压缩机需要根据采集到的必要信号，适时计算出相对应的 “时间-转速”曲线，根据此曲线每一点的斜率，确定转速加速度的值。电动压缩机工作流程示意如图1所示。

柔和地调节压缩机，稳定转速，最大限度减少电量损失，这是电动空调系统适应电动汽车的核心内容。

2.2.2 制暖原理完全不同

传统车采暖以利用发动机散热能量为主，汽油发动机的冷却液在90℃左右时为发动机的最佳工作温度，一般正常工作时，冷却液在85～100℃之间。而柴油发动机冷却液温度稍低，一般也会保持在80～90℃，此时的冷却液足以提供车舱内取暖所需热量。

但在纯电动车中，散热部件主要为动力电机，根据其绝缘等级，正常情况下其散热水温度不会超过60℃，这样的水温，远远不能满足车内加热的需求，所以，在纯电动车辆上需要配置独立的取暖设备。目前，市场中较成熟的有燃油加热器和PTC（Positive Temperature Coefficient，正温度系数，本文中特指以此特性材料制成的电加热装置）电加热器等几种可供电动汽车采用的独立加热设备，这些从家用产品移植而来的产品本身虽早已达到量产的成熟水平，可就电动汽车的需求而言，其利弊明显，依然很难平衡。车用制热方案优劣势对比如表1所示。

表1 车用制热方案优劣势对比

在燃油加热与独立电加热的方案中，从环保及便利性角度考虑，PTC电加热有绝对优势，但电加热的电能消耗对于纯电动汽车来说，弱点过于明显，两种方案各有利弊。但本着保证动力及续航的原则，应侧重于采用尽可能不过分影响动力电池的采暖方案。

2.2.3 控制逻辑不同

控制逻辑与原传统车相比，也有很大程度的不同。传统汽车空调侧重对制冷系统的控制，单独设置A／C启动功能，对于制热状态，一般只是单纯利用温度风门限制混风比例，对暖风芯体本身温度不加控制 （部分豪华车型可采集并控制水阀调节暖风芯体温度）。而电动汽车需要将制热功能的开启与停止单独把控，其重要度的权重与制冷系统相同。如何平衡制冷与制热两项功能的引入与切换，并做到最充分的能源利用，成为关键点。

3 电动汽车空调控制系统改装

基于传统车辆空调控制系统的电动化改装，其改装的目的在于使现有传统车空调系统适合于以电池为动力源的纯电动汽车，达到与传统车相同的使用效果，并尽可能做到对能源的节省和充分利用。以下是对3种常见空调系统的改装分析。

3.1 手动空调系统电动化改装

手动空调系统是最简单、最基础的空调系统，一切工作 （除系统保护）均需要操作者手动完成，且HVAC不能实现多种功能联动。

1）需要将制冷部分的具体执行权交给整车控制器来完成，在人工选择开启压缩机时，由整车控制器分析此时对于车辆来说是否允许启动压缩机。控制元素包括SOC（State of Charger，即电池的荷电状态）、是否急加速、压力传感器状态、蒸发器表面温度等。

2）制热的功能要求需单独提出，以此来控制独立制热设备的启动与停止。此功能的引入，可独立设置开关按钮，当然也可以将开关整合至温度调节旋钮中，如在温度旋钮制热端设置微动开关，当温度旋钮旋至制热端某位置时，加热装置开始工作。加热开启请求需首先发至VCU（Vehicle Control Unit，整车控制器），再经由VCU给出动作指令，在VCU的协调下，避免加热设备与压缩机同时开启造成电负荷过大及能源浪费。

3）对于制热功能，需在控制器中增加指示灯，提示此时制热是否已开启。目前国内外并无法规标准对此进行强制，建议设计为黄色，与电加热后除霜相同。

4）部分外围电路的增加。首先要考虑附加PCB的布置位置，如不能在原控制器内整合、安置，则需外挂到控制器外某适合的空间 （如中控台其它预留按键），同时要考虑对电路板的保护。

但在实际改装中，必须考虑手动结构的制造及安装工艺，大部分依靠钢丝拉线操控风门的低端车型在安装及使用过程中极易出现拉线安装不到位或拉线 （旋钮）回弹现象，无法保证对开关的有效施力，从而造成功能不能实现。我公司的某款采用钢丝拉索控制器的低端车型，即因此原因放弃在控制器内或HVAC综合控制盘动作范围内设置微动开关，而在中控台独立安置PTC按键。此按键将PTC请求信号输入至VCU，得到允许后，功能启动并反馈至按键指示灯。

3.2 手动电控空调系统电动化改装

手动电控空调系统的制冷、制热工作原理与手动空调是完全一致的，区别在于将控制HVAC风门的执行机构由拉线控制变为伺服机构 （伺服电机或步进电机）。同时，控制器由单纯的机械结构变为基于单片机的电子控制方式，即可实现软件层的联动控制与部分功能的自主控制。

1）在电动化改造中，基本思路与手动空调是相同的，优点在于各种功能间并无严格的独立性，且新的功能可以融入现有的按键或旋钮，依靠程序进行输入，达到 “一键多能”。如将温度调节按键（旋钮）设置为制热操作达到某一程度时，开启制热设备，同时使压缩机停止工作。此流程均可由控制器自行完成。

2）对于制热功能，也可独立设置按键。在原空调控制器配有预留键时，可直接将预留上的空键位设置为制热启动；若无预留键位，则可以考虑将原空调控制器中某相对次要功能键改为所需的制热启动，如OFF键 （OFF功能可整合至风量，即风量减弱为零时，空调系统停机）、内／外循环键 （可整合为一个按键，由按键标识及指示灯共同确认所处状态）等。一般制热与制冷系统不允许同时开启，以免造成不必要的电能浪费。此功能同样可由VCU采集后进行协调。

3）针对控制器通信问题，原车型可能为硬线连接，并不包含总线通信。而目前电动汽车一般采取整车控制器CAN BUS（Controller Area Network，总线协议）通信。空调控制器向其它控制单元收发信号需配合CAN BUS做出适配，使其端口及报文内容可被相关控制单元利用，避免出现通信不畅的问题。对此，通信协议的校核至关重要。

3.3 自动空调系统电动化改装

自动空调由于配备多种传感器，同时具备相当的自动调节功能，使空调系统在自主控制方面有了强大的主动性，配合适当的控制程序，基本可由空调控制器实现所有的控制功能。

1）实际操作方案与手动电控空调系统的改装几乎相同，但由于控制器的自主处理范围进一步扩大，在控制程序中加入独立制热功能后，需更加全面的自动程序协调制热设备的开启与否，若制热设备可以控制自身产热温度或输出功率，则在控制逻辑中还需针对不同的制热状态设置符合人体舒适度并节能的要求。

2）在具体的自动程序设计中，可以参考传统车对于空调系统对人体舒适性的要求 （可参考标准ISO 7730），人的腿、足、肩、脸及喉对温度变化相对最为敏感，冬季车内采暖时首先要提升腿部、足的温度 （即车厢下部空间）；夏季需制冷时，则首先要降低上半身温度，侧重面部。如日本舒适要求包括冬季上半身气温为24～28℃，下半身气温为28～32℃时人体感到舒适；而夏季温度为24～26℃范围内， 上半身气流速度为0.6～0.9 m ／s， 下半身气流速度为0.2～0.3m ／s时， 人体感到舒适。

注意:对控制算法的设计原则要基于不同地区、不同使用习惯，甚至不同人种的不同要求。

3）根据原则性要求，再加入电动汽车空调系统的特点，配合适当的算法，可粗略设计出适合具体车型的控制程序。涉及空调控制器的改动，一般需由控制器供应商配合完成。

笔者参与改装的某自动空调车型，原即为CAN BUS通信，在改装中采用同样CAN BUS通信的电动压缩机，方便地实现了信息的高效传输。首先保证了制冷功能的实现，但在具体的调温过程中，由于无法直接采用原传统车空调控制器的调温信号，则首先将其采集至VCU内，由VCU具体发出转速要求，再根据车内温度使车内温度传感器、空调控制器、VCU、电动压缩机共同组成控制闭环，实现了基本的稳定调速。

4 结语

综上所述，基于传统汽车空调系统的电动化改装是目前国内纯电动车及部分混合动力汽车的主流开发方式。但由于原车结构所限，很多细节都是专为传统动力设计，并没有考虑电动方案的需求，为改装带来了极大的难度。而在不远的将来，纯电动汽车将逐步融入现有市场，越来越多的电动车型将会拥有为其量身打造的布置与结构，这种先天优势是改装车望尘莫及的。由于篇幅关系，很多细节不能详述，以后会专文讨论。

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

［2］祝占元.电动汽车［M］.郑州:黄河水利出版社，2007.