原创干货：汽车空调系统发展趋势探讨与展望

前言

汽车工业经历了一百多年的快速发展，如今已走到一个关键的十字路口。汽车空调系统作为汽车EE系统的重要组成，伴随汽车工业走过了近百年的发展历程。汽车从最初简陋的“马车”发展成今天的功能纷繁的“Magicbox”，汽车空调也从功能单一的采暖系统发展为囊括温湿度调节、除霜除雾、杀菌除尘、香氛调节、电池加热/冷却等功能的座舱舒适性调节系统和整车热管理系统。在当今智能化、网联化、电动化、共享化的“新四化”浪潮下，汽车工业何去何从，汽车空调系统又将出现怎样的发展？

新四化

“智能化”，提到这个概念大家首先想到的是自动驾驶，但笔者认为不止于此。“智能”的汽车，应当包含“内、外”的智能，对“外”的智能即自动驾驶技术，对“内”的智能应当指对驾乘人员的智能化服务，即“智能座舱”（或者很多场合也称为“数字座舱”）。

“网联化”是智能化的基石之一，不论是自动驾驶还是智能座舱，都需要V2X、大数据等网联技术提供包含定位、通讯、决策等服务。

“电动化”是智能化和网联化的推手，汽车的电动化极大地促进了智能化和网联化的发展和落地应用。这是因为随着汽车的能量来源从发动机向动力电池转变，汽车的电气架构也发生了很大的变化，一方面动力电池的电量储备相比燃油车的蓄电池大得多，不需要像传统燃油车那般非得发动机启动才能保证足够的电力输出（而发动机启动后有很多弊端，比如尾气排放、NVH影响等）；另一方面，汽车的电气架构和功能变得更为复杂，汽车变得越来越像一个超大的智能随身设备，汽车行业的发展方向也和智能手机的发展方向日益接近。

而“共享化”是市场端倒逼的结果，是前面“三化”在应用场景上的延伸，需要得到前“三化”的支撑。因为电动汽车的运营成本有优势，同时智能化、网联化的汽车可以给用户带来更好的使用体验，因此发展好了前“三化”，共享汽车是水到渠成的事。

那么，在上述“新四化”的浪潮下，汽车空调又会面临怎样的机遇和挑战呢？笔者根据自身的从业经历，尝试回答一下，旨在共同探讨，权当抛砖引玉。

No.1

作为智能座舱的重要组成，在舒适性、个性化上的发展

上文提到“智能化”在车内的体现主要是智能座舱，智能座舱旨在为驾乘人员打造安全舒适、轻松愉悦、丰富多彩的驾乘空间，而空调系统是这一切的重要组成和保障——佐证之一是人的四大主要感官，“视、听、触、嗅”，其中触觉（体感）、嗅觉都是空调系统的调节范畴。在驾驶安全性提升方面，汽车前挡的除霜除雾是通过空调系统来实现的；此外有研究表明，当车内温度达到35℃时，驾驶员的反应时间比25℃下要高出20%。[1]汽车空调可将车内温湿度保持在舒适区间、气味调节得令人神清气爽，这些都可以极大地提高驾乘安全性。

在车内舒适性提升方面，空调帮助人们战胜严酷的外部环境，使得人们无论在寒冷的冬天、酷热的夏天，还是潮湿的春天、干燥的秋天，都可以获得舒适的车内生活空间。汽车空调是一个伟大的发明，但在内燃机时代并没有将这一价值完全体现出来。原因在于空调系统耗能较大，必须开启发动机才能启动空调，但在非行车条件下一旦开启发动机，除了会产生较大的NVH影响，更重要的是，发动机长时间怠速不但影响发动机寿命，且燃烧不充分的尾气萦绕在汽车周围，车内乘员有较高的中毒和窒息的风险。而随着电动化浪潮的席卷，汽车空调的作用完全展现出来，即使在静止状态下，汽车都可以长时间开启空调来保持车内环境适宜。这彻底释放了汽车在静止状态下的空间价值，并将从根本上挑战汽车的产品属性——此前人们只是把汽车当作交通工具，很少考虑它的空间价值；但以后可能变得不一样了——在2020的CES展上，已经有敏锐的OEM厂商和媒体发现，汽车作为“移动智能空间”的概念大行其道。事实上，在拥挤的城市，移动空间的价值远远高于交通工具的价值。[2]

随着智能座舱的普及，车内唱K、露营、小憩，乃至举办小型车内PARTY等利用车内空间属性的方式，将在人群中尤其是年轻人中越来越流行，但不要忘了，这都是得益于于空调系统能够可靠地、持续地对座舱舒适性提供保障。

发展机会：

根据不同的用车场景，打造和完善个性化的空调设置，使车内“微环境”满足人们的高阶需求，包括情绪需求甚至是社交需求。如根据车内音乐、氛围灯模式，智能地调节温度、风向、香氛等。

难度挑战：★

目前的技术即可实现，主要工作在于用户需求的挖掘和使用习惯的调研。

No.2

随着汽车电气架构的进化和域控制器的普及，在功能多样化、智能化上的发展

汽车电气架构是各车载ECU功能分配、网络拓扑、通讯机制的顶层设计，是特性和功能得以顺利实现的基础。随着“智能化”、“网联化”的推进，V2X技术、L3/L4级别的自动驾驶、车载信息娱乐系统等对汽车电气架构提出了更高要求。而随着整车电气架构按功能特点和算力需求的聚类，域控制器应运而生。域控制器将功能上有联系或者算力需求类似的功能模块集中到一个硬件平台，实现硬件的平台化，从而降低整车的ECU数量和网络复杂度，有利于复杂功能的模块化开发、功能安全设计，并能有效地控制成本。

Tesla无疑是当今世界域控制器开发最前沿的公司，Model 3已率先量产实现域控制器的概念，它的网络拓扑如下图所示。在Model 3的E/E构架中，整个构架分为四大模块：第一个是自动驾驶(Autopilot)及娱乐控制模块，相当于中央计算机，第二个是右车身控制器（RBCM），第三个是左车身控制器（LBCM），第四个是前车身控制器（FBCM）。电动压缩机和PTC加热器分别挂在FBCM和RBCM上进行控制。

图| Model 3的E/E架构示意图[3]

下图是宝马规划的下一代E/E架构，显得更为激进，它将整车所有的传感器、ECU、执行器进行整合分层。顶层为中央计算机，是整车的大脑；底层是传感器和执行器；中间层为简单的中继控制器，他们没有高级功能决策权，而是完成执行器、传感器、诊断以及传统I/O的连接汇总，类似于PC中的南北桥。

图| 宝马规划的下一代E/E架构

随着域控制器和以太网技术的普及，整车算力呈指数提升，且各ECU之间交互通讯的链路被打通，可为整车提供强大的硬件平台和标准化的接口，从而能够提供更为多样化、智能化的功能，实现真正意义上的“软件定义汽车”。

图| 法雷奥人体舒适模型

发展机会：

随着算力的几何级地提升，可实现车内“微气候”的智能控制，如通过智能手环、摄像头等采集体温、血压、心率、瞳孔大小、视角注意力等生理指标，通过中央计算机计算决策，对车内环境进行调控来满足驾乘人员的个性化需求。甚至可以大胆展望一下，未来汽车可能成为私人诊所或健康体检中心，通过采集人的生理数据，通过车载互联网传输到云端，由医护人员对其健康状态进行诊断。

难度挑战：★★★★★

尚在推进中，已有相关Tier1和互联网企业启动相应的预研。最大的工作量和难点在于如何获得普适的、可靠的人体舒适性模型，并且依赖于整车算力的提升进度。

No.3

电动汽车综合热管理系统，热泵技术和高效热利用技术

针对“电动化”趋势，由于EV车没有发动机余热可以利用，因此电动汽车空调系统在制热时面临更大挑战。同时，随着电动车的普及，里程焦虑问题开始凸显，因此如何提高空调等高耗能部件的能效，从而提升整车续航里程就显得非常重要。从另一个角度来说，这也给高效的整车综合热管理系统，包括电驱散热系统、电池热管理和座舱空调系统，带来了很大的发展机遇。

为解决低温环境下座舱和动力电池的加热需求，人们把目光瞄向了热泵。热泵相当于空调系统的反向循环，COP一般可达2~4，比PTC、HVH（High Voltage Heater）等加热方式更省电。日本电装在上世纪末开始车载热泵系统的研发，并在第一代普锐斯上量产，如今历经四代Prius的迭代，已经形成非常成熟、高效的热泵系统方案。电装的热泵空调系统通过细致划分不同的工况条件和自身工作模式，来极致地提高整车热利用率，从而尽可能地降低单位里程耗电量。如下图为新一代Prius上搭载的热泵系统示意图，它具有制冷、热泵、直列除湿等工作模式。

图| 丰田Prius（PHEV）搭载的热泵系统

除热泵之外，还有综合考虑电机-电驱散热系统、动力电池热管理系统、座舱空调的整车综合热管理系统方案。如下图为捷豹I-PACE座舱冷却液循环回路示意图，该座舱冷却液回路属于座舱空调系统的一部分，后者又是整车热管理系统的一部分。该系统包含一个间接冷凝器，用于回收电驱系统的余热，提供给座舱空调采暖。该模式在-10℃~5℃的环境温度下激活，若环境温度高于15℃，则不需要利用电驱回路的热量来加热座舱空调回路。

图| 捷豹I-PACE座舱冷却液循环回路[4]

发展机会：

对整车热管理系统架构进行综合考虑和统一设计、对空调热效率进行改良，从而降低包括空调在内的整车热管理系统的热损失。发展方向有：低温热泵技术、电机-电驱及动力电池的余热回收技术、整车热管理系统协同控制系统设计。

难度挑战：★★★

目前已有部分应用，但核心技术掌握在为数不多的几家Tier1手中。要想提高热泵系统的能效和可靠性，需要进行大量的标定试验，并进行几代产品开发的迭代，积累大量数据，来不断完善控制逻辑。

No.4

飞行汽车空调系统

说到未来的出行方案，很多人都会想到“飞行汽车”，而在2020年国际消费类电子产品展览会（CES 2020）上，多款飞行汽车惊艳亮相，未来真的就要来了！

下图为CES2020澳大利亚Pegasus（天马国际）公司展出的Pegasus单座飞行汽车照片，该飞行汽车无需跑道，垂直起飞且能飞能跑。基本参数：最大空速 190km/h、 地面速度 130km/h、飞行距离 900km。

图| CES2020上展出的Pegasus单座飞行汽车

下图为CES2020贝尔展示的贝尔Nexus（Bell Nexus）飞行汽车，贝尔是世界上最大的直升机制造商。其实在CES2019上贝尔就展示过Nexus，不过今年在设计方面比之前更多更具体了，该飞行汽车搭载了6台可转向的涵道风扇，最大可载员4~5人，可以垂直起飞，起飞后可旋转风扇角度以获得更大的前进速度，着陆时，将风扇旋转回原来的位置然后就可以简单地降下来。

图| CES2020上展出的贝尔Nexus（Bell Nexus）飞行汽车

传统汽车公司也没闲着，现代汽车在CES2020上发布了PAV概念车，如下图所示。PAV（PAV实际上是Personal Air Vehicle的缩写，可译为“私人飞行器”），其命名为“e-A1”，带有一对机翼和四个螺旋桨，主要致力于解决未来大城市的拥堵和公共设施的紧张。

图| CES2020现代汽车展出的e-A1“私人飞行器”

在2018日内瓦车展上，奥迪也联合空客展示了一台名为Pop.Up Next的飞行概念汽车，如下图所示。这台车分成三个模块，分别是飞行模块、车辆底盘模块和客舱胶囊，这三个模块可以像乐高玩具一样自由组合，当乘客舱和飞行模块结合时，就是一台飞机，而当和车辆模块结合时就可以像汽车一样驾驶。当乘客输入目的地后，Pop.Up Next的系统会根据时间、交通状况和乘客需求等因素自动提供最佳的交通方案，是走地面公路，还是飞上天空，或者二者相结合？都将由乘客做出选择。需要转换方式时，飞行模块或车辆模块就会在预定地点出现，运走“胶囊”。一旦到达目的地，飞行模块和车辆模块将会自动返回专用充电站，在那里补充电量并等待下一位用户。Pop.Up Next计划在2024-2027年之间公开发布，届时将以共享化、自动化、多模式的方式运营，满足用户的多元化需求，非常的科幻先进。

图| 奥迪展示的Pop.up Next概念飞行汽车

另外，早在2017年11月，吉利就与美国太力(Terrafugia)公司达成协议，收购太力(Terrafugia)公司的全部业务和资产。在2019年9月，吉利再次出手，领投德国空中出行公司Volocopter，将竞争的触角直接从陆地延伸到了天空。

图| 太力(Terrafugia)飞行汽车

发展机会：

目前飞行汽车尚处于概念阶段，暂无量产案例。但现阶段发布的飞行汽车应用场景都限于低空飞行，车载空调系统与目前的汽车空调技术路线应该是一致的。不过由于飞行器的特点，对车载空调系统提出了更高要求，如轻量化、小型化、集成化、紧凑化，同时应具备高效的性能。

难度挑战：★★★★

由于与现有的小型汽车空调技术路线一致，因此飞行汽车空调系统技术难度不大。但飞行汽车本身量产和投入市场的难度较大，除去技术上的难关，飞行汽车未来能否真的走上街头，安全性、空域管制、续航等等都是需要解决的问题。

结语

在当前严峻的经济形势和市场环境下，当务之急是练好基本功，做好空调系统的可靠性设计和成本管理，毕竟相当一部分用户对空调系统的需求还只是最基本的制冷制热需求。但是我们也要明白，用户对亮点功能是不会嫌多的，亮点功能对于车型销售的提振作用是很大的。因此，我们也要保持对用户潜在需求和行业发展趋势的关注，及早做好布局和预研，只有这样，我们才能在未来汽车行业发生巨变时从容应对。

参考文献

1、韩建保，汽车空调提高司机的驾驶安全性，汽车与安全