综述：电动汽车智能个性化热舒适度：气候控制系统中的可持续创新

《RENEWABLE & SUSTAINABLE ENERGY REVIEWS》：Smart and personalized thermal comfort in electric vehicles: Sustainable innovations in climate control systems

　　

**摘要**

作为影响续航里程的主要设备，汽车空调的技术创新对于优化电动汽车（EV）的能量分配具有重要意义。车舱个性化舒适系统（VCS）凭借其能效和热舒适方面的优势，为缓解"里程焦虑"和乘员热不适提供了有前景的解决方案。本文对电动汽车座舱中的个性化热环境管理进行了全面的文献综述，涵盖终端设备、理论基础和技术路径。首先，总结了VCS的当前应用现状。定量证据综合分析表明，VCS在提升乘员热舒适度方面具有潜力，其改善程度显著受背景温度影响。其次，回顾了支撑个性化热环境创建的基本理论，包括个体热状态感知、热生理调节和热舒适感知。我们强调了多段热生理和舒适度模型在评估非对称场景中的适用性。最后，提出了智能化和个性化热舒适控制的技术框架。由数据层、模型层和执行层组成的分层架构能够整合多源环境信息、生理信号和用户交互数据，实现热舒适预测和能量优化的协同决策，从而支持座舱热环境的自适应调节。本研究强调了VCS在电动汽车空调系统绿色转型中的重要作用，并为下一代座舱空调系统的设计提供了理论框架和技术路径。

**引言**

汽车电动化已被证明是促进交通运输领域节能减排和保障国家能源安全的重要途径。在电动汽车（EV）的商业化过程中，充电时间和续航能力作为关键性能指标，显著影响消费者的购买决策[1,2]，凸显了开发电池储能、快速充电技术和充电基础设施的紧迫性[3]。然而，在短期内实现这些技术的突破性迭代仍然具有挑战性，因为某些类型电池的能量密度已接近其理论极限，且快速充电站的大规模部署必然是一个长期建设过程。在此背景下，降低需求侧能耗成为提升电动汽车续航能力的另一个突破口。空调系统是电动汽车非牵引载荷中最高的能耗单元之一，完全依赖车载电池供电，且缺乏传统内燃机汽车可利用的发动机废热。在极端低温条件下，加热系统可使续航能力降低20%至59%[4]。改进现有空调系统将是提高电动汽车能效和促进行业绿色发展的关键。

然而，在汽车空调产品的开发过程中，热舒适与能效之间的矛盾始终存在。一方面，消费者对舒适驾驶体验的追求要求汽车制造商不断升级车辆空调系统[5]。热环境控制水平已从最初满足基本热生理需求和安全要求发展到多模式、智能温度调节。另一方面，续航能力对电动汽车市场的重大影响推动了电池技术进步和空调系统的绿色转型[4,[6], [7], [8], [9], [10], [11], [12], [13], [14], [15]]，包括制冷剂、冷/热源、控制系统和能量管理模式的更新（图1）。总体而言，低成本出行和舒适驾驶体验已成为市场竞争力的关键因素，也是汽车制造商的共同目标。

传统汽车空调系统基于强制对流的热力学机制，涉及多种能量损失，本质上仍是一种高能耗的空气处理策略[4]。空气的低热容量和低热导率迫使系统维持高质量流量和显著的温度梯度。从空间能量分布的角度来看，系统需要处理整个负荷，包括通风、太阳辐射、环境热传递和代谢热[16]，而实际上只有一小部分能量有效贡献于改善热舒适。这种不匹配大大降低了有效能量利用效率。此外，对流终端的高能耗并未产生令人满意的热舒适效果。城市通勤行程通常较短，由于车身和内饰材料的热存储和释放特性，乘员可能在达到热中性之前就已完成了大部分行程。在冬季冷启动条件下，暖通空调（HVAC）系统供应的热空气通常在早期阶段改善了上肢的热状况，而手部和脚部等远端身体区域可能仍然会经历不适的冷感。在夏季，太阳辐射不仅导致座舱温度波动，还加剧了不同身体区域之间的热暴露不对称性，从而削弱了均匀送风的有效性[17,18]。这些例子表明，车舱面临的挑战不仅在于高能耗，还在于传统系统无法有效应对瞬态和空间非均匀的热舒适需求。

自21世纪以来，热舒适和人体工程学领域的进步使得以座椅加热和通风为代表的VCS应用于乘员舱[19]。这一发展标志着汽车热环境控制精度的显著提升，现已在个体身体分段层面运行。通过利用有限的座舱空间或将调节设备与现有汽车部件集成，这些终端设备能够在减少向未占用区域浪费能量转移的同时，精确提供加热或冷却。这项技术允许在不牺牲热舒适的前提下扩展座舱内环境温度设定范围，从而降低整体系统负荷和热损失。此外，在动态驾驶环境中，乘员的热舒适需求表现出显著的个体差异。这些差异不仅源于性别、年龄、衣着和代谢率等生理参数[20]，还与坐姿、座位位置和对太阳辐射的暴露等空间因素密切相关[21]。身体各分段之间的热敏感性差异进一步强调了分段温控的重要性[22]。这些见解要求汽车设计师深入理解个性化舒适的理论基础，并实现传感、决策和执行方面的硬件集成。

尽管近年来关于个性化热环境创建的研究逐渐增多，但现有的综述文献主要集中在办公大楼、住宅或飞机机舱等建筑环境中的应用，讨论局部热调节策略和能效影响。这些研究通常在固定使用场景下进行，强调各种终端设备对区域热负荷分布的影响以及在稳态运行条件下对人类热舒适的改善[[23], [24], [25]]。相比之下，与电动汽车座舱相关的综述大多集中在整体热管理[26]、能耗建模[27]或热泵系统[28]。然而，针对动态驾驶环境中VCS的系统性综述和评估仍然缺乏，特别是关于其适应性、分段级控制特征以及设计与乘客个体差异的关系。为了将此研究与现有作品区分开来，我们特别关注以下几个方面：

- 考察VCS的当前应用并综合现有研究数据，系统评估不同设备的潜力，包括其局部和整体效果，以及对环境温度的敏感性。
- 从数据采集、热生理和热舒适的角度回顾和分析现有模型和技术的适用性，重点关注个性化座舱热环境创建和热舒适评估。
- 建立电动汽车智能和个性化环境控制的一体化框架，并探索关于个体识别、模型应用和能耗权衡的工程实施建议。

本研究第2章概述了综述的范围、文献筛选标准和数据处理方法。第3章通过系统回顾建筑和交通领域的期刊出版物，考察VCS的当前应用。它整合了这两类环境中设备的实验数据，从全局和局部角度全面评估热舒适改善。第4章系统总结了个性化热环境创建的关键技术和理论，包括环境信息获取、热生理建模和热舒适预测。第5章综合了上述设备和理论，并提出了车舱个性化智能热环境创建的技术路径。

**章节片段**

**术语、范围和规模**

本综述的内容主要分为两个相互支持的研究部分，如图2所示：

第一部分专注于设备和系统层面的设计与评估。通过利用有限的座舱空间或将调节设备与现有汽车部件结合，VCS为不同身体分段提供了更灵活的调节。本研究回顾了迄今为止已部署的VCS类型，以及潜在的未来配置。定量……

**车辆座舱中个性化舒适系统的性能：应用和人体响应**

本章回顾了VCS的当前应用，包括已商业化和新兴设备。纳入成熟设备是因为它们为评估局部热调节效果和制定近期电动汽车座舱空调策略提供了最实用的基础。利用现有的热舒适实验数据，从三个维度对VCS的潜在影响进行了定量综合：目标控制区域、环境温度条件，以及……

**红外面部热成像**

人脸相对有限的衣物覆盖，加上狭小的座舱空间，为近距离红外数据采集提供了有利条件。通过适当的传感器方向设置，还可以同步捕捉周围座舱壁面的温度[85]。面部出汗引起的温度变化也可在热图像中反映出来[86]，在炎热条件下可能被视为个体热感觉的直接指标。

**智能和个性化热舒适控制框架**

为实现车舱的智能和个性化热调节，需要一个系统级框架将多模态传感、基于模型的预测和控制导向的执行整合到一个闭环过程中。该框架由三层组成，如图11所示。数据层负责获取表征乘员与座舱热环境相互作用的多源信息，包括环境参数、生理……

**结论**

个性化热舒适系统为提高电动汽车的能量管理效率和乘员热舒适提供了可持续的选择。这种分段聚焦的调节策略代表了超越传统整个座舱调节方法的创新。本综述从设备应用、定量……四个角度系统概述了未来车舱个性化智能热环境控制的技术路径。

**作者贡献声明**

Linye Song：撰写初稿，调查研究，数据整理。Haifeng Xia：监督指导，资源提供，撰写审阅与编辑。Shuming Zhang：数据整理，调查研究。Yongchao Zhai：监督指导，项目管理。Maohui Luo：监督指导，方法论。Xiang Zhou：资金获取，监督指导，资源提供。

**利益冲突声明**

作者声明他们没有已知的竞争性经济利益或个人关系可能会影响本文中报告的工作。

**致谢**

本研究得到了中国国家自然科学基金（Grant No. 52578141）的支持。

Linye Song | Haifeng Xia | Shuming Zhang | Yongchao Zhai | Maohui Luo | Xiang Zhou

同济大学机械工程学院，中国