【汽車校友百校聯(lián)盟】淺析新能源汽車空調(diào)智能控制系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)小易@汽車 EAC新能源與熱管理2024年2月8日 20:47 新疆 聽全文

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作者：楊秀強(qiáng)

江蘇省徐州技師學(xué)院汽車工程學(xué)院江蘇省徐州市

空調(diào)系統(tǒng)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(fā)揮換氣?凈化空氣?調(diào)節(jié)濕度與空氣流速等作用,進(jìn)而為駕駛員營造舒適的車內(nèi)駕駛環(huán)境,有效避免環(huán)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(diào)系統(tǒng)通過制熱維持車內(nèi)溫暖,并能對封窗上的霜霧與冰雪進(jìn)行預(yù)防或去除,從而防止駕駛員由于溫度較低而反應(yīng)變慢?手腳變僵或因?yàn)樗F冰雪阻擋視線等情況發(fā)生;夏季氣候炎熱的時候,空調(diào)系統(tǒng)通過制冷維持車內(nèi)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(nèi)空氣較為渾濁或有煙氣?粉塵等的情況下,空調(diào)系統(tǒng)能通過通風(fēng)換氣維持良好的車內(nèi)空間空氣情況?

新能源汽車市場近年來蓬勃發(fā)展,大量以環(huán)保?節(jié)能?智能為代名詞的汽車逐漸成為消費(fèi)者購買汽車的首要選擇?與傳統(tǒng)汽車的空調(diào)系統(tǒng)相比,人們對新能源汽車的智能空調(diào)系統(tǒng)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(yàn)?新能源汽車智能空調(diào)系統(tǒng)需要在原有的空調(diào)系統(tǒng)基礎(chǔ)上,實(shí)現(xiàn)智能功能的全面拓展?首先,滿足整車功能的需求?智能空調(diào)系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)實(shí)現(xiàn)自干燥?空調(diào)維持?駐車通風(fēng)等直流變直流需求,并且應(yīng)當(dāng)根據(jù)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(hù)模式等提供相應(yīng)的功能支持?其次,數(shù)字孿生管理控制?運(yùn)用數(shù)字孿生技術(shù)對車內(nèi)溫度變化以及電池溫度變化進(jìn)行仿真預(yù)測,并基于此實(shí)現(xiàn)包括前饋控制?預(yù)約空調(diào)提前計算溫控時間?預(yù)約充電?預(yù)約電池保溫提前計算溫控時間等功能?然后,深度學(xué)習(xí)?新能源汽車的智能空調(diào)系統(tǒng)能對用戶的行為數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄?分析和學(xué)習(xí),進(jìn)而基于用戶習(xí)慣提供個性化服務(wù),提前對用戶行為加以預(yù)測并進(jìn)行提示?推薦與引導(dǎo),為用戶提供更為舒適的空調(diào)功能及服務(wù)?再然后,構(gòu)建“人體舒適性”模型?新能源汽車的智能空調(diào)系統(tǒng)能基于以人為本理念,通過大數(shù)據(jù)技術(shù)等構(gòu)建“人體舒適性”模型,進(jìn)而根據(jù)模型中的性別?年齡?胖瘦?衣著等關(guān)鍵信息劃分人體冷熱適應(yīng)等級,實(shí)現(xiàn)對車內(nèi)溫度?濕度?空氣速率等的智能化控制,確保人體冷熱適應(yīng)等級與環(huán)境舒適性等級高度匹配?最后,拓展發(fā)展智能大健康體系功能?在各種先進(jìn)技術(shù)的支持下,汽車智能空調(diào)系統(tǒng)的功能將進(jìn)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(jiān)測與控制?智能香氛?除菌殺菌乃至理療?情緒檢測?生理指標(biāo)檢測等方面進(jìn)行功能拓展,進(jìn)而構(gòu)建全方面有利于用戶身心健康的車內(nèi)環(huán)境?

(1)空調(diào)熱舒適性系統(tǒng)?該系統(tǒng)實(shí)際上就是傳統(tǒng)汽車空調(diào)系統(tǒng)在新能源汽車時代的智能化升級系統(tǒng),主要功能在于實(shí)現(xiàn)制熱?制冷?除濕?前擋除霧?空氣循環(huán)等的智能調(diào)節(jié)?其中制熱系統(tǒng)由電子水泵?水加熱器?暖風(fēng)四通閥?暖風(fēng)芯體等組成,多為冷卻液加熱式,通過將發(fā)動機(jī)出水口的冷卻液通入暖風(fēng)水箱后依靠鼓風(fēng)機(jī)將水箱周圍熱空氣吹入車內(nèi)的方式制暖,同時對前擋玻璃的霜霧加以去除?制冷系統(tǒng)則主要由壓縮機(jī)?冷凝器?電子膨脹閥?蒸發(fā)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(fā)時吸收的熱量進(jìn)行制冷,同時還能實(shí)現(xiàn)除濕?凈化空氣等功能?通風(fēng)系統(tǒng)則是由搜狗風(fēng)道?風(fēng)門等構(gòu)成,由風(fēng)門將車內(nèi)?外空氣進(jìn)行調(diào)節(jié),再經(jīng)蒸發(fā)器冷卻除濕或加熱器處理,最后將冷?暖風(fēng)按照實(shí)際需要進(jìn)行混合并送入車中?空氣凈化系統(tǒng)由空氣過濾器?電子集塵器?陰離子發(fā)生器等構(gòu)成,既能持續(xù)過濾和凈化送入車內(nèi)的空氣,又能將車內(nèi)的污濁氣體及時排出車外?整個空調(diào)熱舒適性系統(tǒng)的運(yùn)行還離不開車機(jī)的控制微處理器?傳感器?控制開關(guān)等的支持,從而基于車內(nèi)溫度?濕度?空氣流速等實(shí)現(xiàn)智能化控制?

(2)電池加熱冷卻系統(tǒng)?新能源汽車充電或行駛過程中需要對電池進(jìn)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(tǒng)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(jī)回路進(jìn)行串并聯(lián),并在汽車充電或行駛過程中實(shí)現(xiàn)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?fù)Q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(lián)電驅(qū)回路并依靠前端低溫散熱器進(jìn)行散熱?電池溫度較低時,則可通過三同比例閥串聯(lián)電機(jī)回路,依靠電機(jī)余熱對電池進(jìn)行保溫處理?電池處于超低溫狀態(tài)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(jìn)行加熱?

(3)電驅(qū)冷卻系統(tǒng)?電驅(qū)冷卻系統(tǒng)由電動水泵?驅(qū)動電機(jī)?軟管?散熱器?冷卻風(fēng)扇等構(gòu)成,并且可通過自然冷卻?風(fēng)冷與水冷三種方式進(jìn)行冷卻降溫?

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

(5)補(bǔ)水排氣系統(tǒng)?補(bǔ)水排氣系統(tǒng)的主要構(gòu)件為膨脹水壺,其與汽車的電池?電機(jī)?暖風(fēng)回路等相連,從而實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的回路補(bǔ)水?分水箱則是排氣的主要部件,其中電池與電驅(qū)回路共用一個分水箱,暖風(fēng)回路則單獨(dú)用一個分水箱?

(6)空氣質(zhì)量管理系統(tǒng)?空氣質(zhì)量系統(tǒng)的構(gòu)成包括PM2.5傳感器?等離子發(fā)生器?AQS傳感器?車載處理器等,通過傳感器對車內(nèi)空氣質(zhì)量進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測,并在空氣質(zhì)量不達(dá)標(biāo)時進(jìn)行智能化處理,實(shí)現(xiàn)過濾空氣?殺菌除塵?尾氣防護(hù)等功能?

熱泵空調(diào)技術(shù)是新能源汽車空調(diào)智能控制系統(tǒng)中被廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù),也是實(shí)現(xiàn)制冷?制暖功能的核心技術(shù)?熱泵空調(diào)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(tài),進(jìn)而驅(qū)動壓縮機(jī)進(jìn)行不同動作,最終達(dá)到制冷或制熱的目的?熱泵空調(diào)技術(shù)本身具有高效?節(jié)能的優(yōu)勢,還能通過消耗少量逆循環(huán)功進(jìn)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(diào)進(jìn)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(tài),并通過電路與車內(nèi)冷凝器?壓縮機(jī)?車內(nèi)蒸發(fā)器?車外冷凝器等連接?此時空調(diào)壓縮機(jī)會在交流高壓電的驅(qū)動下,生成高溫高壓制冷劑,經(jīng)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(jīng)由制冷電子膨脹閥傳遞到車內(nèi)蒸發(fā)器,在車內(nèi)吸收熱量后液體會變成低壓低溫氣體并傳入空調(diào)壓縮機(jī)中,完成循環(huán)?

(2)制熱原理?熱泵空調(diào)制熱原理如圖2所示?壓縮機(jī)運(yùn)行并排出高溫高壓制冷劑,經(jīng)過車內(nèi)冷凝器后與車內(nèi)空氣進(jìn)行熱交換,釋放熱量并變?yōu)楦邏褐袦匾后w?之后再經(jīng)采暖電子膨脹閥進(jìn)入車外冷凝器,與車外空氣進(jìn)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(jī)中,完成循環(huán)?

(3)熱泵空調(diào)系統(tǒng)組成?熱泵空調(diào)技術(shù)在新能源汽車中的應(yīng)用,往往會形成相應(yīng)的熱泵空調(diào)系統(tǒng)?不同品牌?不同型號的新能源汽車熱泵空調(diào)系統(tǒng)組成往往會存在一定差異,不過其核心始終是圍繞相應(yīng)技術(shù)的實(shí)現(xiàn)展開?譬如比亞迪海豚的熱泵空調(diào)系統(tǒng)的組成就較為復(fù)雜,包含了電機(jī)控制系統(tǒng)?直冷直熱板?熱管理集成模塊?車內(nèi)冷凝器與蒸發(fā)器?車外冷凝器?電機(jī)散熱器?電子風(fēng)散?壓縮機(jī)?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(diào)制熱電磁閥?空調(diào)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(diào)系統(tǒng)除了能實(shí)現(xiàn)最基本的車內(nèi)制冷與制熱功能,還能實(shí)現(xiàn)包括動力電池直接冷卻?動力電池直接加熱?驅(qū)動電機(jī)余熱利用?電機(jī)控制器余熱利用等功能,大幅提升了汽車溫度偏低環(huán)境下的電池續(xù)航能力,切實(shí)降低了空調(diào)系統(tǒng)能耗?

(4)熱泵空調(diào)系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)?新能源汽車熱泵空調(diào)系統(tǒng)有著豐富的功能,不同功能的實(shí)現(xiàn)均需要相應(yīng)的技術(shù)作為支撐?以比亞迪海豚為例,其熱泵空調(diào)系統(tǒng)主要能實(shí)現(xiàn)空調(diào)制熱?動力電池加熱?空調(diào)制熱與動力電池同時加熱?空調(diào)制冷?動力電池冷卻?空調(diào)制冷和動力電池同時冷卻等功能?進(jìn)行空調(diào)制熱時,空調(diào)壓縮機(jī)?制熱電子膨脹閥?水源換熱電磁閥?空調(diào)采暖電磁閥等均會工作,高溫高壓制冷劑會通過車內(nèi)冷凝器放熱以起到制熱作用,并且板式換熱器能對驅(qū)動電機(jī)?電機(jī)控制器等的余熱進(jìn)行吸收?如果溫度極低,系統(tǒng)還會智能開啟PTC加熱器輔助加熱?進(jìn)行動力電池加熱主要是依靠熱泵空調(diào)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(diào)制熱電磁閥等均會處于工作狀態(tài)?同時進(jìn)行空調(diào)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(diào)制冷?動力電池冷卻,則與空調(diào)制熱?動力電池加熱的實(shí)現(xiàn)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(jīng)路徑有所不同?

空調(diào)壓縮機(jī)作為提供制冷劑的部件,其在整個新能源汽車空調(diào)系統(tǒng)中占據(jù)著重要地位?而對空調(diào)系統(tǒng)的智能控制而言,電動壓縮機(jī)控制技術(shù)的應(yīng)用自然是重中之重?洗能源汽車的空調(diào)壓縮機(jī)與傳統(tǒng)汽車相比,其有著不小的變化,其中最關(guān)鍵的一點(diǎn)就在于取消了前端驅(qū)動輪,同時增加了驅(qū)動電機(jī)與單獨(dú)的控制模塊,能實(shí)現(xiàn)自動化?智能化控制?新能源汽車空調(diào)壓縮機(jī)由接插件?電器盒蓋?控制器?接線端子?殼體?定子?轉(zhuǎn)子?驅(qū)動電機(jī)?平衡塊?主軸承座?十字滑環(huán)?動渦旋?靜渦旋?密封墊?頂蓋等組成,結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜?

(1)硬件系統(tǒng)?要實(shí)現(xiàn)對壓縮機(jī)的智能控制,需要構(gòu)建相應(yīng)的軟硬件體系,從而根據(jù)實(shí)際情況智能化驅(qū)動和控制壓縮機(jī)工作運(yùn)行?電動壓縮機(jī)控制系統(tǒng)硬件包括控制芯片?驅(qū)動電源?電路?信號?通信接口等?根據(jù)壓縮機(jī)型號以及數(shù)據(jù)傳輸標(biāo)準(zhǔn)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(qū)動電源的選用通常優(yōu)先考慮永磁式直流電動機(jī),而且最好設(shè)置雙電層結(jié)構(gòu)防止電力能源中斷導(dǎo)致的各種問題?進(jìn)行電路設(shè)計需要確保電壓穩(wěn)定?電流信號可轉(zhuǎn)換?信號設(shè)計則要根據(jù)壓縮機(jī)本身參數(shù),選用量程與靈敏度均合適的傳感器?至于通信接口設(shè)計,則要根據(jù)新能源汽車的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)和要求進(jìn)行合理設(shè)計?

(2)軟件設(shè)計?新能源汽車空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行過程中,電動壓縮機(jī)控制系統(tǒng)的軟件應(yīng)當(dāng)能滿足壓縮機(jī)工作需求?而要實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn),則需要對包括矢量變頻控制技術(shù)?PID控制算法等在內(nèi)的技術(shù)加以應(yīng)用?其中矢量變頻控制技術(shù)的運(yùn)用能通過變頻控制器改變壓縮機(jī)工作頻率,從而改變轉(zhuǎn)速,實(shí)現(xiàn)快速制冷,達(dá)到節(jié)能以及提高效率之目的?PID控制算法的運(yùn)用,則能對壓縮機(jī)輸入信號的變化情況進(jìn)行分析和預(yù)估,并可提前引入修正信號,從而加快壓縮機(jī)控制的反饋速度?提升控制的精準(zhǔn)性?

對與熱回收技術(shù)加以利用,既符合新能源汽車本身節(jié)能環(huán)保的特性,又能減少電池能源消耗?提升汽車?yán)m(xù)航里程?延長電池使用壽命?目前新能源汽車空調(diào)系統(tǒng)中常用的余熱回收技術(shù)主要有兩種實(shí)現(xiàn)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(tǒng)由電驅(qū)電控系統(tǒng)與電池包熱管理系統(tǒng)兩部分組成,整個系統(tǒng)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(qū)電控系統(tǒng)的熱量通過冷卻液的熱交換對電池包進(jìn)行加熱?提高扇熱風(fēng)扇的葉輪轉(zhuǎn)速,能促進(jìn)散熱器散熱性能提升;控制冷卻水泵的葉輪轉(zhuǎn)速,能調(diào)整冷卻液流量,從而控制余熱回收性能;對四通閥內(nèi)部閥門的閉合情況進(jìn)行調(diào)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(jìn)行調(diào)整,能控制流經(jīng)散熱器的冷卻液流量,進(jìn)而控制系統(tǒng)和外界環(huán)境的換熱量;對熱敏電阻本體溫度?電池包進(jìn)口溫度以及電池包單體平均溫度進(jìn)行設(shè)置,也能控制相應(yīng)的余熱回收效果?

綜上,加強(qiáng)智能化控制是推動新能源汽車空調(diào)系統(tǒng)智能化發(fā)展的基礎(chǔ)與關(guān)鍵?目前汽車空調(diào)智能控制技術(shù)已經(jīng)較為成熟,能在自動化控制的基礎(chǔ)上與現(xiàn)代人工智能技術(shù)?大數(shù)據(jù)技術(shù)?云計算技術(shù)?物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等進(jìn)行有機(jī)結(jié)合,有效滿足用戶需求?在可預(yù)見的未來,空調(diào)智能控制技術(shù)水平必然會進(jìn)一步得到提升,從而真正為用戶打造人性化?智能化的車內(nèi)空調(diào)體驗(yàn)?

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