浅析新能源汽车空调智能控制系统的关键技术

杨秀强

摘 要：新能源汽车的持续发展对空调系统的智能化程度提出了更高要求。目前新能源汽车智能空调系统需要在整车功能、数字孪生控制、深度学习、人体舒适性、智能大健康体系等方面有所发展，形成了包括空调热舒适性系统、电池加热冷却系统、电驱冷却系统、车机散热系统、补水排气系统、空气质量管理系统等在内的多个子系统，相应的智能化控制实现难度并不低。其中热泵空调技术、电动压缩机控制技术以及余热回收技术，是汽车空调智能控制系统中较为基础的关键技术。

关键词：新能源汽车 空调智能控制系统 热泵空调技术 电动压缩机控制技术

空调系统是汽车不可或缺的重要组成部分，其不仅能提供最基本的制冷、制热功能，还能发挥换气、净化空气、调节湿度与空气流速等作用，进而为驾驶员营造舒适的车内驾驶环境，有效避免环境不适宜而带来的各种影响驾驶安全的问题。冬季寒冷的时候，空调系统通过制热维持车内温暖，并能对封窗上的霜雾与冰雪进行预防或去除，从而防止驾驶员由于温度较低而反应变慢、手脚变僵或因为霜雾冰雪阻挡视线等情况发生；夏季气候炎热的时候，空调系统通过制冷维持车内凉爽，防止驾驶员由于过于燥热而焦躁难安、注意力不集中等问题；车内空气较为浑浊或有烟气、粉尘等的情况下，空调系统能通过通风换气维持良好的车内空间空气情况。

1 新能源汽车智能空调系统概述

1.1 新能源汽车智能空调系统的基本要求

新能源汽车市场近年来蓬勃发展，大量以环保、节能、智能为代名词的汽车逐渐成为消费者购买汽车的首要选择。与传统汽车的空调系统相比，人们对新能源汽车的智能空调系统有着更高的要求，希望能获得更为智能化、人性化的良好体验。新能源汽车智能空调系统需要在原有的空调系统基础上，实现智能功能的全面拓展。首先，满足整车功能的需求。智能空调系统应当实现自干燥、空调维持、驻车通风等直流变直流需求，并且应当根据新能源汽车自身的高压能量管理模式、低压能量管理模式、整车替身模式、露营模式、锁车生命守护模式等提供相应的功能支持。其次，数字孪生管理控制。运用数字孪生技术对车内温度变化以及电池温度变化进行仿真预测，并基于此实现包括前馈控制、预约空调提前计算温控时间、预约充电、预约电池保温提前计算温控时间等功能。然后，深度学习。新能源汽车的智能空调系统能对用户的行为数据进行记录、分析和学习，进而基于用户习惯提供个性化服务，提前对用户行为加以预测并进行提示、推荐与引导，为用户提供更为舒适的空调功能及服务。再然后，构建“人体舒适性”模型。新能源汽车的智能空调系统能基于以人为本理念，通过大数据技术等构建“人体舒适性”模型，进而根据模型中的性别、年龄、胖瘦、衣着等关键信息划分人体冷热适应等级，实现对车内温度、湿度、空气速率等的智能化控制，确保人体冷热适应等级与环境舒适性等级高度匹配。最后，拓展发展智能大健康体系功能。在各种先进技术的支持下，汽车智能空调系统的功能将进一步得到拓展，除了以基本的温湿度控制、空气净化等功能外，还可在CO2/O2含量监测与控制、智能香氛、除菌杀菌乃至理疗、情绪检测、生理指标检测等方面进行功能拓展，进而构建全方面有利于用户身心健康的车内环境。

1.2 新能源汽车智能空调系统的构成

（1）空调热舒适性系统。该系统实际上就是传统汽车空调系统在新能源汽车时代的智能化升级系统，主要功能在于实现制热、制冷、除湿、前挡除雾、空气循环等的智能调节。其中制热系统由电子水泵、水加热器、暖风四通阀、暖风芯体等组成，多为冷却液加热式，通过将发动机出水口的冷却液通入暖风水箱后依靠鼓风机将水箱周围热空气吹入车内的方式制暖，同时对前挡玻璃的霜雾加以去除。制冷系统则主要由压缩机、冷凝器、电子膨胀阀、蒸发器、换热器等组成，制冷方式则为蒸气压缩方式，由制冷剂蒸发时吸收的热量进行制冷，同时还能实现除湿、净化空气等功能。通风系统则是由搜狗风道、风门等构成，由風门将车内、外空气进行调节，再经蒸发器冷却除湿或加热器处理，最后将冷、暖风按照实际需要进行混合并送入车中。空气净化系统由空气过滤器、电子集尘器、阴离子发生器等构成，既能持续过滤和净化送入车内的空气，又能将车内的污浊气体及时排出车外。整个空调热舒适性系统的运行还离不开车机的控制微处理器、传感器、控制开关等的支持，从而基于车内温度、湿度、空气流速等实现智能化控制。

（2）电池加热冷却系统。新能源汽车充电或行驶过程中需要对电池进行加热或冷却处理，从而保障电池安全以及维持电池使用寿命和车辆性能。电池加热冷却系统包含四通换向阀、三通比例阀等，通过这些组件将电池与电机回路进行串并联，并在汽车充电或行驶过程中实现余热回收、电池散热等功能。电池温度较高时，可直接通过制冷剂和电池换热器有效降温；电池温度处于中等范围时，可通过四通换向阀串联电驱回路并依靠前端低温散热器进行散热。电池温度较低时，则可通过三同比例阀串联电机回路，依靠电机余热对电池进行保温处理。电池处于超低温状态时，则可通过三通比例阀传递水水换热器的热量并对电池进行加热。

（3）电驱冷却系统。电驱冷却系统由电动水泵、驱动电机、软管、散热器、冷却风扇等构成，并且可通过自然冷却、风冷与水冷三种方式进行冷却降温。

（4）XPU、大屏主机散热系统。新能源汽车作为以智能化为重要特点的汽车，其往往包含XPU（智能处理器）与大屏主机，二者均需要良好的散热支持。XPU和大屏主机散热冷却主要是通过电机水泵、散热器以及旁通等进行散热。

（5）补水排气系统。补水排气系统的主要构件为膨胀水壶，其与汽车的电池、电机、暖风回路等相连，从而实现相应的回路补水。分水箱则是排气的主要部件，其中电池与电驱回路共用一个分水箱，暖风回路则单独用一个分水箱。

（6）空气质量管理系统。空气质量系统的构成包括PM2.5传感器、等离子发生器、AQS传感器、车载处理器等，通过传感器对车内空气质量进行实时监测，并在空气质量不达标时进行智能化处理，实现过滤空气、杀菌除尘、尾气防护等功能。

2 新能源汽车空调智能控制系统的关键技术

2.1 热泵空调技术

热泵空调技术是新能源汽车空调智能控制系统中被广泛应用的关键技术，也是实现制冷、制暖功能的核心技术。热泵空调制冷与制暖时，制冷电磁阀、制冷电子膨胀阀、电子电磁阀、采暖电子膨胀阀等会处于不同状态，进而驱动压缩机进行不同动作，最终达到制冷或制热的目的。热泵空调技术本身具有高效、节能的优势，还能通过消耗少量逆循环功进行采暖，十分适合电池容量较为有限的新能源汽车。

（1）制冷原理。热泵空调进行制冷时，其原理如图1所示。制冷电磁阀以及制冷电子膨胀阀会处于工作状态，并通过电路与车内冷凝器、压缩机、车内蒸发器、车外冷凝器等连接。此时空调压缩机会在交流高压电的驱动下，生成高温高压制冷剂，经过制冷电磁阀后传递到车外冷凝器，并与出车外空气完成热交换。之后会生成高压中温液体，并经由制冷电子膨胀阀传递到车内蒸发器，在车内吸收热量后液体会变成低压低温气体并传入空调压缩机中，完成循环。

（2）制热原理。热泵空调制热原理如图2所示。压缩机运行并排出高温高压制冷剂，经过车内冷凝器后与车内空气进行热交换，释放热量并变为高压中温液体。之后再经采暖电子膨胀阀进入车外冷凝器，与车外空气进行热交换并变成低压低温气体。最后气体会通过采暖电磁阀回流到压缩机中，完成循环。

（3）热泵空调系统组成。热泵空调技术在新能源汽车中的应用，往往会形成相应的热泵空调系统。不同品牌、不同型号的新能源汽车热泵空调系统组成往往会存在一定差异，不过其核心始终是围绕相应技术的实现展开。譬如比亚迪海豚的热泵空调系统的组成就较为复杂，包含了电机控制系统、直冷直热板、热管理集成模块、车内冷凝器与蒸发器、车外冷凝器、电机散热器、电子风散、压缩机、气液分离器、消音器等，其中热管理集成模块主要包含电池加热电磁阀、空气换热电磁阀、空调制热电磁阀、空调制冷电磁阀、水源换热电磁阀、制冷电磁膨胀阀、制热电子膨胀阀、电池电子膨胀阀以及制冷剂管接头。该热泵空调系统除了能实现最基本的车内制冷与制热功能，还能实现包括动力电池直接冷却、动力电池直接加热、驱动电机余热利用、电机控制器余热利用等功能，大幅提升了汽車温度偏低环境下的电池续航能力，切实降低了空调系统能耗。

（4）热泵空调系统功能实现。新能源汽车热泵空调系统有着丰富的功能，不同功能的实现均需要相应的技术作为支撑。以比亚迪海豚为例，其热泵空调系统主要能实现空调制热、动力电池加热、空调制热与动力电池同时加热、空调制冷、动力电池冷却、空调制冷和动力电池同时冷却等功能。进行空调制热时，空调压缩机、制热电子膨胀阀、水源换热电磁阀、空调采暖电磁阀等均会工作，高温高压制冷剂会通过车内冷凝器放热以起到制热作用，并且板式换热器能对驱动电机、电机控制器等的余热进行吸收。如果温度极低，系统还会智能开启PTC加热器辅助加热。进行动力电池加热主要是依靠热泵空调直接加热动电池，电池加热电磁阀、电池电子膨胀阀、水源换热电磁阀、空调制热电磁阀等均会处于工作状态。同时进行空调制热与动力电池加热，那么制热电子膨胀阀与电池电子膨胀阀会同时开启。至于空调制冷、动力电池冷却，则与空调制热、动力电池加热的实现形式大同小异，只不过工作的电磁阀、膨胀阀以及冷却剂流经路径有所不同。

2.2 电动压缩机控制技术

空调压缩机作为提供制冷剂的部件，其在整个新能源汽车空调系统中占据着重要地位。而对空调系统的智能控制而言，电动压缩机控制技术的应用自然是重中之重。洗能源汽车的空调压缩机与传统汽车相比，其有着不小的变化，其中最关键的一点就在于取消了前端驱动轮，同时增加了驱动电机与单独的控制模块，能实现自动化、智能化控制。新能源汽车空调压缩机由接插件、电器盒盖、控制器、接线端子、壳体、定子、转子、驱动电机、平衡块、主轴承座、十字滑环、动涡旋、静涡旋、密封垫、顶盖等组成，结构较为复杂。

（1）硬件系统。要实现对压缩机的智能控制，需要构建相应的软硬件体系，从而根据实际情况智能化驱动和控制压缩机工作运行。电动压缩机控制系统硬件包括控制芯片、驱动电源、电路、信号、通信接口等。根据压缩机型号以及数据传输标准与要求等因素，选择合适的控制芯片即可，目前新能源汽车中较为常用的为DSP芯片。驱动电源的选用通常优先考虑永磁式直流电动机，而且最好设置双电层结构防止电力能源中断导致的各种问题。进行电路设计需要确保电压稳定、电流信号可转换。信号设计则要根据压缩机本身参数，选用量程与灵敏度均合适的传感器。至于通信接口设计，则要根据新能源汽车的数据标准和要求进行合理设计。

（2）软件设计。新能源汽车空调系统运行过程中，电动压缩机控制系统的软件应当能满足压缩机工作需求。而要实现这一点，则需要对包括矢量变频控制技术、PID控制算法等在内的技术加以应用。其中矢量变频控制技术的运用能通过变频控制器改变压缩机工作频率，从而改变转速，实现快速制冷，达到节能以及提高效率之目的。PID控制算法的运用，则能对压缩机输入信号的变化情况进行分析和预估，并可提前引入修正信号，从而加快压缩机控制的反馈速度、提升控制的精准性。

2.3 余热回收技术

对与热回收技术加以利用，既符合新能源汽车本身节能环保的特性，又能减少电池能源消耗、提升汽车续航里程、延长电池使用寿命。目前新能源汽车空调系统中常用的余热回收技术主要有两种实现方式，其一为基于冷却器的高温回路和电池低温回路热交换，其二为高温回路直接和电池低温回路热交换。通常余热回收系统由电驱电控系统与电池包热管理系统两部分组成，整个系统中包含了冷却液的对流交换、散热器的热交换、热敏电阻加热等热量传递形式，并能在四通道电磁阀的作用下将电驱电控系统的热量通过冷却液的热交换对电池包进行加热。提高扇热风扇的叶轮转速，能促进散热器散热性能提升；控制冷却水泵的叶轮转速，能调整冷却液流量，从而控制余热回收性能；对四通阀内部阀门的闭合情况进行调整，能改变冷却液流动路线，从而影响热交换，控制余热回收性能；对比例阀阀门开度大小进行调整，能控制流经散热器的冷却液流量，进而控制系统和外界环境的换热量；对热敏电阻本体温度、电池包进口温度以及电池包单体平均温度进行设置，也能控制相应的余热回收效果。

3 结语

综上，加强智能化控制是推动新能源汽车空调系统智能化发展的基础与关键。目前汽车空调智能控制技术已经较为成熟，能在自动化控制的基础上与现代人工智能技术、大数据技术、云计算技术、物联网技术等进行有机结合，有效满足用户需求。在可预见的未来，空调智能控制技术水平必然会进一步得到提升，从而真正为用户打造人性化、智能化的车内空调体验。

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