關(guān)于電動汽車空調(diào)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(fā)是目前汽車的發(fā)展趨勢，同時也是各大車廠對新技術(shù)的投入重點之一。主要做法是將現(xiàn)有成熟的傳統(tǒng)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(diào)的部分也出現(xiàn)同樣的需求。本文針對傳統(tǒng)車不同類型的空調(diào)系統(tǒng)的電動化改裝情況進行初步分析。

1 目前國內(nèi)汽車空調(diào)的分類與工作原理簡述

1.1 汽車空調(diào)的分類

1）按汽車空調(diào)操作系統(tǒng)的配置，車用空調(diào)主要可分為手動空調(diào)、手動電控空調(diào)、自動空調(diào)等。目前在業(yè)內(nèi)主要采用此分類形式。

手動空調(diào)系統(tǒng)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(jié)構(gòu)操作HVAC（Heating Ventilation Air-conditioning and Cooling，即暖通空調(diào)，本文中特指車內(nèi)空調(diào)器總成）風(fēng)門，操作手感不易控制，A／C（Air Conditioning，本文中指空調(diào)壓縮機啟動開關(guān)）、風(fēng)速、溫度及出風(fēng)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(diào)雖依舊需要操作人員手動控制全部空調(diào)功能，但HVAC包含電動伺服機構(gòu)，可將操作阻力屏蔽在電動伺服機構(gòu)層面，操作手感易于控制在較高的水準(zhǔn)上。同時，功能指令由單片機采集、輸出，可實現(xiàn)多種功能的聯(lián)動。手動電控空調(diào)常用于乘用車及較高端商用車，成本高于手動空調(diào)，但低于自動空調(diào)。

自動空調(diào)系統(tǒng)與手動電控空調(diào)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(diào)全自動調(diào)節(jié)）功能，自行運算確定此時此刻適宜的車內(nèi)環(huán)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(diào)的功能劃分，車用空調(diào)包括暖風(fēng)機、制冷機、冷暖空調(diào)等幾大類。嚴(yán)格來說，其中暖風(fēng)機與制冷機并不能做到溫度、濕度、風(fēng)速等的全方位調(diào)節(jié)，但由于在一定程度上具有控制車內(nèi)空氣品質(zhì)的能力，在一定程度上也可統(tǒng)一歸為汽車空調(diào)大類。

1.2 汽車空調(diào)工作原理簡述

目前傳統(tǒng)汽車空調(diào)系統(tǒng)的工作原理一般為制冷與制暖分立。制冷系統(tǒng)部分以氣態(tài)制冷劑由壓縮機壓縮為液態(tài)后，經(jīng)過膨脹閥，回歸氣態(tài)，并在此過程吸收掉大量熱量。在HVAC內(nèi)，吸熱過程主要在蒸發(fā)器中完成，被吸收大量熱量的低溫空氣再由風(fēng)機吹出，與駕駛艙內(nèi)進行熱交換，降低車廂內(nèi)氣溫?？照{(diào)壓縮機的動力即為發(fā)動機運轉(zhuǎn)輸出，會直接消耗小部分發(fā)動機動力。

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

基于此種工作原理，傳統(tǒng)車輛在車輛發(fā)動機未起動的前提下，空調(diào)系統(tǒng)是不能夠進行制冷、制熱工作的，只能使風(fēng)機運轉(zhuǎn)，作為 “電扇”使用。

2 目前國內(nèi)電動汽車開發(fā)狀況及空調(diào)需求

2.1 國內(nèi)電動汽車開發(fā)狀況

全世界的新能源汽車發(fā)展都處于起步初期，雖有一些國際一線大廠已經(jīng)推出了相對成熟的電動及混合動力車型，但在純電動領(lǐng)域，一直未有實質(zhì)性的量產(chǎn)突破，瓶頸即為動力電池的容量及充電蓄能時間，此技術(shù)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(fā)展時間里，雖然與國際巨頭相比有相當(dāng)大的技術(shù)差距，但差距正在一步步縮小，同樣的技術(shù)瓶頸也在同一時間擺在中國車企面前。

目前，國內(nèi)主流的開發(fā)模式，即將傳統(tǒng)能源（汽油、柴油）車輛的內(nèi)燃機更換為為之匹配開發(fā)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(shè)計。而完全針對電動而重新設(shè)計的純電動汽車僅僅停留在概念車階段，產(chǎn)業(yè)化為時尚早。

2.2 電動汽車空調(diào)需求

傳統(tǒng)車輛，在經(jīng)歷了動力、能源的雙重變革之后，對車內(nèi)空調(diào)系統(tǒng)的影響也不容小覷，同樣的動力、能源變化，使空調(diào)系統(tǒng)部件與控制的設(shè)計要求也出現(xiàn)了相當(dāng)?shù)淖兓?/p>

2.2.1 壓縮機動力改變

在不改變原空調(diào)制冷原理的前提下，壓縮機的動力源由原來的發(fā)動機提供并經(jīng)由皮帶傳動變?yōu)殡娔苤苯域?qū)動，即電機帶動。

對于壓縮機，在傳統(tǒng)車中，基本是由主觀控制信號、系統(tǒng)壓力、蒸發(fā)器溫度、內(nèi)外溫度、整車（發(fā)動機）保護等同時對其進行控制，而其運行狀態(tài)也基本只有開啟、停止2種狀態(tài)，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(shù)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(tǒng)的壓縮機，必須具備變轉(zhuǎn)速 （變制冷量）功能，類似于家用空調(diào)的無級變頻。隨著蒸發(fā)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(diào)節(jié)制冷能力的閉環(huán)控制，使蒸發(fā)器表面溫度穩(wěn)定在所需的區(qū)間 （一般為2～4℃之間），最大限度地避免設(shè)備啟停帶來的能量沖擊。壓縮機需要根據(jù)采集到的必要信號，適時計算出相對應(yīng)的 “時間-轉(zhuǎn)速”曲線，根據(jù)此曲線每一點的斜率，確定轉(zhuǎn)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(diào)節(jié)壓縮機，穩(wěn)定轉(zhuǎn)速，最大限度減少電量損失，這是電動空調(diào)系統(tǒng)適應(yīng)電動汽車的核心內(nèi)容。

2.2.2 制暖原理完全不同

傳統(tǒng)車采暖以利用發(fā)動機散熱能量為主，汽油發(fā)動機的冷卻液在90℃左右時為發(fā)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(fā)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(nèi)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(jù)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(nèi)加熱的需求，所以，在純電動車輛上需要配置獨立的取暖設(shè)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(shù)，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(shè)備，這些從家用產(chǎn)品移植而來的產(chǎn)品本身雖早已達到量產(chǎn)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(yōu)劣勢對比如表1所示。

表1 車用制熱方案優(yōu)劣勢對比

在燃油加熱與獨立電加熱的方案中，從環(huán)保及便利性角度考慮，PTC電加熱有絕對優(yōu)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(xù)航的原則，應(yīng)側(cè)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(tǒng)車相比，也有很大程度的不同。傳統(tǒng)汽車空調(diào)側(cè)重對制冷系統(tǒng)的控制，單獨設(shè)置A／C啟動功能，對于制熱狀態(tài)，一般只是單純利用溫度風(fēng)門限制混風(fēng)比例，對暖風(fēng)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(diào)節(jié)暖風(fēng)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(quán)重與制冷系統(tǒng)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(guān)鍵點。

3 電動汽車空調(diào)控制系統(tǒng)改裝

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

3.1 手動空調(diào)系統(tǒng)電動化改裝

手動空調(diào)系統(tǒng)是最簡單、最基礎(chǔ)的空調(diào)系統(tǒng)，一切工作 （除系統(tǒng)保護）均需要操作者手動完成，且HVAC不能實現(xiàn)多種功能聯(lián)動。

1）需要將制冷部分的具體執(zhí)行權(quán)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?？刂圃匕⊿OC（State of Charger，即電池的荷電狀態(tài)）、是否急加速、壓力傳感器狀態(tài)、蒸發(fā)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(shè)備的啟動與停止。此功能的引入，可獨立設(shè)置開關(guān)按鈕，當(dāng)然也可以將開關(guān)整合至溫度調(diào)節(jié)旋鈕中，如在溫度旋鈕制熱端設(shè)置微動開關(guān)，當(dāng)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(fā)至VCU（Vehicle Control Unit，整車控制器），再經(jīng)由VCU給出動作指令，在VCU的協(xié)調(diào)下，避免加熱設(shè)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(nèi)外并無法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)對此進行強制，建議設(shè)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(nèi)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(yù)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(jié)構(gòu)的制造及安裝工藝，大部分依靠鋼絲拉線操控風(fēng)門的低端車型在安裝及使用過程中極易出現(xiàn)拉線安裝不到位或拉線 （旋鈕）回彈現(xiàn)象，無法保證對開關(guān)的有效施力，從而造成功能不能實現(xiàn)。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(nèi)或HVAC綜合控制盤動作范圍內(nèi)設(shè)置微動開關(guān)，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(diào)系統(tǒng)電動化改裝

手動電控空調(diào)系統(tǒng)的制冷、制熱工作原理與手動空調(diào)是完全一致的，區(qū)別在于將控制HVAC風(fēng)門的執(zhí)行機構(gòu)由拉線控制變?yōu)樗欧C構(gòu) （伺服電機或步進電機）。同時，控制器由單純的機械結(jié)構(gòu)變?yōu)榛趩纹瑱C的電子控制方式，即可實現(xiàn)軟件層的聯(lián)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(diào)是相同的，優(yōu)點在于各種功能間并無嚴(yán)格的獨立性，且新的功能可以融入現(xiàn)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(diào)節(jié)按鍵（旋鈕）設(shè)置為制熱操作達到某一程度時，開啟制熱設(shè)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(shè)置按鍵。在原空調(diào)控制器配有預(yù)留鍵時，可直接將預(yù)留上的空鍵位設(shè)置為制熱啟動；若無預(yù)留鍵位，則可以考慮將原空調(diào)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(fēng)量，即風(fēng)量減弱為零時，空調(diào)系統(tǒng)停機）、內(nèi)／外循環(huán)鍵 （可整合為一個按鍵，由按鍵標(biāo)識及指示燈共同確認所處狀態(tài)）等。一般制熱與制冷系統(tǒng)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(xié)調(diào)。

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(xié)議）通信?？照{(diào)控制器向其它控制單元收發(fā)信號需配合CAN BUS做出適配，使其端口及報文內(nèi)容可被相關(guān)控制單元利用，避免出現(xiàn)通信不暢的問題。對此，通信協(xié)議的校核至關(guān)重要。

3.3 自動空調(diào)系統(tǒng)電動化改裝

自動空調(diào)由于配備多種傳感器，同時具備相當(dāng)?shù)淖詣诱{(diào)節(jié)功能，使空調(diào)系統(tǒng)在自主控制方面有了強大的主動性，配合適當(dāng)?shù)目刂瞥绦?，基本可由空調(diào)控制器實現(xiàn)所有的控制功能。

1）實際操作方案與手動電控空調(diào)系統(tǒng)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(xié)調(diào)制熱設(shè)備的開啟與否，若制熱設(shè)備可以控制自身產(chǎn)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(tài)設(shè)置符合人體舒適度并節(jié)能的要求。

2）在具體的自動程序設(shè)計中，可以參考傳統(tǒng)車對于空調(diào)系統(tǒng)對人體舒適性的要求 （可參考標(biāo)準(zhǔn)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(nèi)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(cè)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(nèi)， 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(shè)計原則要基于不同地區(qū)、不同使用習(xí)慣，甚至不同人種的不同要求。

3）根據(jù)原則性要求，再加入電動汽車空調(diào)系統(tǒng)的特點，配合適當(dāng)?shù)乃惴?，可粗略設(shè)計出適合具體車型的控制程序。涉及空調(diào)控制器的改動，一般需由控制器供應(yīng)商配合完成。

筆者參與改裝的某自動空調(diào)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(xiàn)了信息的高效傳輸。首先保證了制冷功能的實現(xiàn)，但在具體的調(diào)溫過程中，由于無法直接采用原傳統(tǒng)車空調(diào)控制器的調(diào)溫信號，則首先將其采集至VCU內(nèi)，由VCU具體發(fā)出轉(zhuǎn)速要求，再根據(jù)車內(nèi)溫度使車內(nèi)溫度傳感器、空調(diào)控制器、VCU、電動壓縮機共同組成控制閉環(huán)，實現(xiàn)了基本的穩(wěn)定調(diào)速。

4 結(jié)語

綜上所述，基于傳統(tǒng)汽車空調(diào)系統(tǒng)的電動化改裝是目前國內(nèi)純電動車及部分混合動力汽車的主流開發(fā)方式。但由于原車結(jié)構(gòu)所限，很多細節(jié)都是專為傳統(tǒng)動力設(shè)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(xiàn)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(jié)構(gòu)，這種先天優(yōu)勢是改裝車望塵莫及的。由于篇幅關(guān)系，很多細節(jié)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.