龍曉明

（浙江寧波奇亞電控科技有限公司， 浙江 寧波 315800）

汽車自動(dòng)空調(diào)舒適性控制是行業(yè)的一個(gè)難點(diǎn)，而溫度風(fēng)門作為控制中最關(guān)鍵的對(duì)象，一直以來(lái)，國(guó)內(nèi)企業(yè)難以對(duì)其系統(tǒng)控制有較深入的研究，原因在于空調(diào)熱交換系統(tǒng)與熱控制系統(tǒng)來(lái)自不同的供應(yīng)商，有關(guān)熱力學(xué)、流體力學(xué)、溫度場(chǎng)分布、噪聲、溫升、出風(fēng)溫度分布線性及溫差等非控制類學(xué)科，熱控制系統(tǒng)供應(yīng)商關(guān)注甚微，這種開(kāi)發(fā)模式無(wú)法全方位、系統(tǒng)地對(duì)整車空調(diào)進(jìn)行理解，難以利用HAVC總成相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)有效地控制空調(diào)，使車內(nèi)的舒適性盡如人意。不同車企不同車系熱負(fù)荷不同，如：出風(fēng)口位置和數(shù)量、風(fēng)門開(kāi)度、空氣流量、車窗玻璃和面積、遮陽(yáng)面積、車身排氣孔、車身保溫和密封等，都將導(dǎo)致空調(diào)系統(tǒng)舒適性的變化。為了做好舒適性標(biāo)定，熱交換系統(tǒng)供應(yīng)商都會(huì)對(duì)HVAC溫度風(fēng)門進(jìn)行溫度線性試驗(yàn)，盡可能在設(shè)計(jì)時(shí)將風(fēng)門開(kāi)度（實(shí)際對(duì)應(yīng)伺服電機(jī)的位置反饋電壓） 與出風(fēng)口溫度呈線性變化。但是，受車體空間限制，HVAC高度集成使風(fēng)道變得曲窄，同時(shí)蒸發(fā)器溫度分布不均、風(fēng)道和風(fēng)門設(shè)計(jì)不合理等影響，基本上呈現(xiàn)非線性變化，甚至局部還會(huì)有溫度陡變現(xiàn)象。

1 技術(shù)問(wèn)題

很多不了解空調(diào)熱交換系統(tǒng)的控制器供應(yīng)商，不能充分理解和利用HVAC的固有特性，試圖用一個(gè)模型或線性函數(shù)來(lái)標(biāo)定好空調(diào)的舒適性，最終難以實(shí)現(xiàn)。這也是目前車企和零部件供應(yīng)商比較棘手的問(wèn)題。傳統(tǒng)控制方式的缺點(diǎn)如下。

1） 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，未按HVAC溫度線性試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行正確提取，使溫度風(fēng)門控制曲線的曲率或斜率與實(shí)車空調(diào)相差甚遠(yuǎn)，導(dǎo)致標(biāo)定工作事倍功半。

2） 所有車型采用一個(gè)算法，只對(duì)風(fēng)門開(kāi)度做簡(jiǎn)單調(diào)整，很難實(shí)現(xiàn)不同車型對(duì)舒適性的個(gè)性化需求。

3） 采用分段一次函數(shù)控制溫度風(fēng)門，標(biāo)定時(shí)只能單純修改變量系數(shù)，修改某個(gè)系數(shù)后滿足了該工況，但同時(shí)可能會(huì)影響到之前已標(biāo)定好的工況，難以實(shí)現(xiàn)在全工況下目標(biāo)溫度保持±2℃甚至更高的要求。

2 技術(shù)方案

自動(dòng)空調(diào)都會(huì)有一個(gè)乘員所希望達(dá)到的目標(biāo)設(shè)定溫度Ts，雖然舒適性會(huì)受到生理、心理、物理、環(huán)境、經(jīng)濟(jì)、風(fēng)土習(xí)慣等因素的影響，但總體來(lái)說(shuō)，溫度是最關(guān)鍵的指標(biāo)。通過(guò)發(fā)達(dá)國(guó)家多項(xiàng)試驗(yàn)，綜合認(rèn)為夏季舒適性推薦溫度為21~28℃，冬季為18~25℃。我們的目的：整車在環(huán)境溫度-40~40℃范圍全工況條件下，結(jié)合HVAC固有特性設(shè)計(jì)合理的溫度風(fēng)門控制算法，并結(jié)合出風(fēng)風(fēng)向、風(fēng)速等控制，使乘員的頭部溫度低于腳部溫度，車內(nèi)平均溫度達(dá)到Ts±2℃要求。

2.1 提取溫度風(fēng)門自動(dòng)控制數(shù)據(jù)

根據(jù)HVAC總成的溫度線性試驗(yàn)數(shù)據(jù)，結(jié)合舒適性控制的需求，提取點(diǎn)對(duì)點(diǎn)查表的數(shù)據(jù)，不采用傳統(tǒng)單一線性或分段直線來(lái)控制溫度風(fēng)門，更能應(yīng)對(duì)各種非線性變化，使舒適性標(biāo)定更容易實(shí)現(xiàn)。

風(fēng)門驅(qū)動(dòng)一般采用反饋式伺服電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)兩種類型，反饋式伺服電機(jī)是依靠反饋電壓來(lái)確定風(fēng)門位置，而步進(jìn)電機(jī)是按步進(jìn)角度來(lái)確定風(fēng)門位置。反饋式伺服電機(jī)單步最小反饋電壓可達(dá)0.05V，每個(gè)電壓對(duì)應(yīng)風(fēng)門一個(gè)角度，在做HVAC溫度線性試驗(yàn)時(shí)，往往直接采用電壓與溫度的關(guān)系進(jìn)行試驗(yàn)（實(shí)際是角度與溫度）；而步進(jìn)電機(jī)單步最小步進(jìn)角度可達(dá)0.05°，風(fēng)門轉(zhuǎn)動(dòng)1°對(duì)應(yīng)N個(gè)電脈沖數(shù)，依靠脈沖計(jì)數(shù)來(lái)確定風(fēng)門位置。兩者都能滿足空調(diào)舒適性風(fēng)門的控制要求。步進(jìn)電機(jī)由于成本較高，本案以較為常用的伺服電機(jī)來(lái)進(jìn)行討論。

反饋式伺服電機(jī)的位置反饋電壓一般為0~5V，而自動(dòng)空調(diào)微處理器的AD采集精度至少要求10bit，理論上可以細(xì)分為1024個(gè)數(shù)據(jù)，我們按1000計(jì)算：5／1000=0.005V，即單步最小電壓可達(dá)0.005V?？紤]到以碳膜電阻值為位置反饋的伺服電機(jī)的精度、電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)與制動(dòng)防抖要求，以及電磁騷擾信號(hào)的影響，實(shí)際上我們能有效細(xì)分到最小0.05V。

一體式HVAC總成的溫度線性試驗(yàn)，能獲取HVAC風(fēng)道內(nèi)的溫度線性分布特性，通常按以下工況進(jìn)行。

1） 車企提供整車儀表臺(tái)板及風(fēng)管。

2） 鼓風(fēng)機(jī)端電壓6V。

3） 進(jìn)風(fēng)溫度5℃。

4） 加熱器進(jìn)口溫度85℃。

由于國(guó)內(nèi)車企對(duì)空調(diào)的平臺(tái)化實(shí)施效果不好，HVAC風(fēng)門角度會(huì)因不同的車型而改變，以致于伺服電機(jī)的位置反饋電壓范圍也會(huì)變化。下面以某成功案例進(jìn)行分析研究，以獲取控制數(shù)據(jù)。

2.1.1 吹面模式溫度線性數(shù)據(jù)整理

如表1所示數(shù)據(jù)，按照車企要求：出風(fēng)口之間的溫差不得超過(guò)5℃。根據(jù)人體夏季舒適性需求中“冷吹面”以及“單個(gè)出風(fēng)口溫度超過(guò)某一臨界溫度時(shí)人體有燥熱感”為原則提取數(shù)據(jù)。本案以單個(gè)出風(fēng)口吹面溫度＜25℃，且以出風(fēng)口平均溫度23.5℃（A0） 為臨界點(diǎn)。

1） 當(dāng)溫度風(fēng)門的位置反饋電壓Vtf≥4.0V以后，出風(fēng)口溫度基本不變，說(shuō)明風(fēng)門已轉(zhuǎn)動(dòng)到最冷位置，選擇此反饋電壓作為最冷端的極限邊界數(shù)值。

2） 當(dāng)溫度風(fēng)門的位置反饋電壓為2.6V≤Vtf≤4.0V時(shí)（2.6V為臨界溫度點(diǎn)A0對(duì)應(yīng)的反饋電壓），其對(duì)應(yīng)的風(fēng)口溫度滿足夏季人體舒適性需求，因此，作為自動(dòng)吹面模式時(shí)溫度風(fēng)門的控制參考數(shù)據(jù)。

3） 當(dāng)Vtf＜2.6V時(shí)，其對(duì)應(yīng)風(fēng)口溫度可能不滿足人體舒適性要求，因此，在自動(dòng)吹面模式提取數(shù)據(jù)時(shí)不予關(guān)注。

4） 若HVAC廠家提供的原始試驗(yàn)數(shù)據(jù)是按照0.2V遞增／遞減進(jìn)行測(cè)試，我們可以按照0.1V或0.05V細(xì)分處理，然后將溫度值進(jìn)行均分計(jì)算。對(duì)溫度變化較快的區(qū)域（即單位電壓范圍內(nèi)對(duì)應(yīng)的溫度變化過(guò)大），也須進(jìn)行細(xì)分控制。

例如：表1中反饋電壓從3.3V變到3.2V，這個(gè)區(qū)域電壓變化0.1V，對(duì)應(yīng)的溫度變化1.3℃，相對(duì)于其它區(qū)域溫度變化較快，可以細(xì)分新增插入一中間值3.25V，其溫度值為3.3V與3.2V對(duì)應(yīng)溫度值之和的平均值，即（16.1+17.4） ／2≈16.8。

表1 吹面模式溫度線性試驗(yàn)數(shù)據(jù) （整理）

5） 若車型或HVAC總成變化，其控制數(shù)據(jù)也會(huì)發(fā)生變化，須重新量身定制。

2.1.2 吹面吹腳模式溫度線性數(shù)據(jù)整理

如表2所示數(shù)據(jù)，吹腳4個(gè)風(fēng)口之間部分溫差超過(guò)5℃，同時(shí)部分吹腳風(fēng)口溫度比吹面風(fēng)口溫度高出了很多，這樣的HVAC總成特性可能會(huì)影響人體的垂直溫差舒適性需求。根據(jù)春／秋季舒適性需求，本著“吹面不燥熱，吹腳不冰涼”為原則進(jìn)行數(shù)據(jù)提取。

表2 吹面吹腳模式溫度線性試驗(yàn)數(shù)據(jù) （整理）

1） 按照“單個(gè)吹面出風(fēng)口溫度＜25℃”為原則，確定吹面出風(fēng)口平均溫度臨界點(diǎn)A1。

2） 按照“所有吹腳出風(fēng)口平均溫度值＞25℃”，同時(shí)考慮“防止風(fēng)門電機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中抖動(dòng)所需的回差電壓”為原則，確定吹腳出風(fēng)口平均溫度臨界點(diǎn)B0，B0和A0溫度所對(duì)應(yīng)的風(fēng)門反饋電壓VtfB0-VtfA0的絕對(duì)值≥0.1V，以此來(lái)提取吹面吹腳模式時(shí)溫度風(fēng)門所需的控制數(shù)據(jù)。參照上述2.1.1小節(jié)中吹面模式溫度風(fēng)門的反饋電壓，可以作如下選擇：①本案A1對(duì)應(yīng)溫度風(fēng)門反饋電壓為2.2V，B0對(duì)應(yīng)溫度風(fēng)門反饋電壓為2.8V，當(dāng)2.2V≤Vtf≤2.8V時(shí)，作為吹面吹腳模式下溫度風(fēng)門的自動(dòng)控制數(shù)據(jù)；兩個(gè)邊界端點(diǎn)可以在實(shí)車標(biāo)定時(shí)根據(jù)情況修正；②當(dāng)Vtf＜2.2V時(shí)，單個(gè)吹面風(fēng)口出風(fēng)溫度已超過(guò)25℃，可能影響舒適性，因此，在自動(dòng)吹面吹腳模式提取數(shù)據(jù)時(shí)不予關(guān)注。

2.1.3 吹腳模式溫度線性數(shù)據(jù)整理

如表3所示數(shù)據(jù)，腳部右下風(fēng)口局部溫度比其它風(fēng)口高很多。根據(jù)人體冬季舒適性需求中“熱吹腳”原則，從試驗(yàn)數(shù)據(jù)中提取吹腳出風(fēng)口平均溫度值大于等于臨界溫度值B1的所有數(shù)據(jù)，同時(shí)考慮防止風(fēng)門電機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中抖動(dòng)所需的回差電壓（即B1和A1溫度所對(duì)應(yīng)的風(fēng)門反饋電壓VtfB1-VtfA1的絕對(duì)值≥0.1V） 來(lái)提取吹腳模式時(shí)溫度風(fēng)門所需的控制數(shù)據(jù)。由于該HVAC總成各吹腳風(fēng)口溫差較大，本案按照吹腳出風(fēng)口平均溫度＞25℃作為臨界溫度點(diǎn)B1，同時(shí)考慮上述2.1.2小節(jié)中溫度風(fēng)門的反饋電壓，可以作如下選擇。

表3 吹腳模式溫度線性試驗(yàn)數(shù)據(jù) （整理）

1） 當(dāng)Vtf≤2.4V （對(duì)應(yīng)吹腳溫度臨界點(diǎn)B1） 時(shí)，作為吹腳模式下溫度風(fēng)門的自動(dòng)控制參考數(shù)據(jù)，在實(shí)車標(biāo)定時(shí)根據(jù)情況可適當(dāng)修正。

2） 當(dāng)Vtf≤0.9V時(shí)，溫度風(fēng)門已轉(zhuǎn)動(dòng)到最熱位置，選擇此反饋電壓作為最熱端的極限邊界數(shù)值。

3） 當(dāng)Vtf＞2.4V時(shí)，其對(duì)應(yīng)風(fēng)口溫度可能影響舒適性，因此，在自動(dòng)吹腳模式提取數(shù)據(jù)時(shí)不予關(guān)注。

2.2 溫度風(fēng)門舒適性控制算法設(shè)計(jì)

以自動(dòng)空調(diào)目標(biāo)設(shè)定溫度Ts±2℃作為車內(nèi)理想的舒適性溫度，結(jié)合軟件控制中的綜合溫度Tc和Ts的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度來(lái)擬合溫度風(fēng)門控制數(shù)據(jù)。

2.2.1 溫度風(fēng)門控制數(shù)據(jù)初始擬合

1） 當(dāng)Tc=0時(shí)，我們默認(rèn)為整車空調(diào)的舒適性中心值，其對(duì)應(yīng)的溫度風(fēng)門的擬合溫度值盡量選擇22~25℃范圍，本案以Tc=0對(duì)應(yīng)擬合后的平均溫度為23.5℃，即表1中臨界溫度A0點(diǎn)（對(duì)應(yīng)反饋電壓Vtf=2.6V）。將表1中平均溫度低于A0點(diǎn)的溫度值和對(duì)應(yīng)的反饋電壓直接移到表4中，作為溫度風(fēng)門在吹面模式下的自動(dòng)控制參考數(shù)據(jù)。

2） 將表2中溫度風(fēng)門反饋電壓2.2V≤Vtf≤2.5V之間的平均溫度值（為8個(gè)出風(fēng)口的溫度平均值） 和對(duì)應(yīng)的反饋電壓順序移植到表4中，與上述1） 項(xiàng)數(shù)據(jù)連接起來(lái)。

3） 將表3中溫度風(fēng)門反饋電壓Vtf≤2.1V的平均溫度值和對(duì)應(yīng)的反饋電壓順序移植到表4中，與上述2） 項(xiàng)數(shù)據(jù)連接起來(lái)，所得數(shù)據(jù)如表4所示，這是溫度風(fēng)門自動(dòng)控制的初始數(shù)據(jù)。

表4 溫度風(fēng)門控制數(shù)據(jù)初始擬合

2.2.2 目標(biāo)設(shè)定溫度值Ts的確定

實(shí)際應(yīng)用中，汽車自動(dòng)空調(diào)目標(biāo)設(shè)定溫度范圍有以下幾種情況。

1） 目標(biāo)設(shè)定溫度Ts：LO （15.5℃） ←→16~32℃←→HI（32.5℃），按每0.5℃進(jìn)行細(xì)分，共35個(gè)點(diǎn)，即從最冷到最熱最多共有35個(gè)擋位可以人為進(jìn)行車內(nèi)目標(biāo)溫度的調(diào)節(jié)。

2） 目標(biāo)設(shè)定溫度Ts：LO （17.5℃） ←→18~32℃←→HI（32.5℃），共有31個(gè)點(diǎn)，即從最冷到最熱共有31個(gè)擋位可以人為調(diào)節(jié)。

3） 目標(biāo)設(shè)定溫度Ts：LO （17.5℃） ←→18~28℃←→HI（28.5℃），共有23個(gè)點(diǎn)，即從最冷到最熱只有23個(gè)擋位，這是新能源汽車綜合考慮空調(diào)舒適性和整車節(jié)能性的最佳選擇。

因此，按照這樣的調(diào)節(jié)范圍，從HVAC固有特性中提取的數(shù)據(jù)量并不大，最多只有35點(diǎn)的數(shù)據(jù)，我們采用“點(diǎn)對(duì)點(diǎn)”查表的控制方式，在實(shí)車春秋、冬、夏季道路標(biāo)定時(shí)可以很方便地應(yīng)對(duì)復(fù)雜的工況情況，使舒適性標(biāo)定工作事半功倍。

2.2.3 溫度風(fēng)門控制數(shù)據(jù)最終擬合

根據(jù)表4得知：此HVAC總成在局部區(qū)域的溫度變化過(guò)快，因此需按伺服電機(jī)的最小步進(jìn)值0.05V細(xì)分控制。

1） 綜合溫度Tc值的確定：車內(nèi)實(shí)際溫度會(huì)受到車內(nèi)傳感器溫度、車外環(huán)境溫度、日照強(qiáng)度、車速等變量的影響，因此，其綜合溫度的數(shù)學(xué)模型可以按如下公式進(jìn)行計(jì)算。

式中：Ti——車內(nèi)傳感器采集到的溫度；Ts——人為設(shè)定的目標(biāo)溫度；Eo——車外環(huán)境溫度補(bǔ)償值；Es——日照強(qiáng)度補(bǔ)償值；Esp——車速補(bǔ)償值；e——偏移量。

①Ti能反應(yīng)車內(nèi)溫度傳感器安裝部位流動(dòng)空氣的實(shí)際溫度值，它不代表整個(gè)車內(nèi)的真實(shí)溫度。當(dāng)車內(nèi)溫度變化時(shí)，Ti也會(huì)有相應(yīng)變化，因此車內(nèi)溫度變化可以通過(guò)Ti映射出來(lái)。系數(shù)a根據(jù)實(shí)車舒適性道路標(biāo)定情況來(lái)調(diào)節(jié)；②To車外環(huán)境溫度對(duì)車體熱負(fù)荷影響很大，同時(shí)車體材質(zhì)的隔熱性與密封性對(duì)車內(nèi)溫度也會(huì)帶來(lái)很大影響。這些影響并非線性變化，而且不同車型的補(bǔ)償值會(huì)有差異。我們可以按照-40～+40℃范圍內(nèi)，環(huán)境溫度傳感器采集到的溫度值To每改變3～5℃進(jìn)行補(bǔ)償，如表5所示；③當(dāng)較強(qiáng)的陽(yáng)光照射到車體時(shí)，車內(nèi)熱負(fù)荷會(huì)增加；當(dāng)陽(yáng)光較弱時(shí)車內(nèi)熱負(fù)荷又會(huì)減小，因此，必須進(jìn)行舒適性補(bǔ)償，補(bǔ)償速度本著“夏季快進(jìn)慢退、冬季慢進(jìn)快退”原則，不同的日照強(qiáng)度，車內(nèi)的陽(yáng)光傳感器會(huì)采集到不同的電壓值，MCU根據(jù)電壓值可以得知對(duì)應(yīng)的日照強(qiáng)度。本案以陽(yáng)光強(qiáng)度≤500W／m2補(bǔ)償值Es=0，具體控制參數(shù)見(jiàn)表6。夏天，若日照強(qiáng)度的當(dāng)前值＞初值，則以每0.01V／s遞增逼近當(dāng)前值；日照強(qiáng)度的當(dāng)前值＜初值時(shí)，以每0.005V／s遞減逼近當(dāng)前值；冬天，若日照強(qiáng)度的當(dāng)前值＞初值，則以每0.005V／s遞增逼近當(dāng)前值；日照強(qiáng)度的當(dāng)前值＜初值時(shí)，以每0.01V／s遞減逼近當(dāng)前值。④車速快慢會(huì)影響車體熱負(fù)荷變化，根據(jù)實(shí)車道路標(biāo)定情況進(jìn)行適當(dāng)補(bǔ)償。對(duì)車體密封和隔熱較差的車輛，其補(bǔ)償值會(huì)增加。本案以車速40km／h時(shí)補(bǔ)償值Esp=0，車速與溫度補(bǔ)償曲線如圖1所示。⑤在實(shí)車道路標(biāo)定過(guò)程中，往往會(huì)遇到：車內(nèi)實(shí)際頭部平均溫度與目標(biāo)溫度存在一定的偏差，此時(shí)可以根據(jù)實(shí)際偏差，對(duì)TC進(jìn)行e值修正。

表5 車外溫度補(bǔ)償

表6 陽(yáng)光強(qiáng)度補(bǔ)償

圖1 車速與溫度補(bǔ)償曲線

2） 本案Ts選擇LO （15.5） ←→16~32←→HI （32.5） 共35個(gè)數(shù)據(jù)；選擇Tc=0時(shí)，Ts=23.0，Ts以此值按0.5℃向上遞增、向下遞減；同時(shí)將表4中溫度變化較快的區(qū)域，尤其是吹面、吹面吹腳區(qū)域的數(shù)據(jù)進(jìn)行細(xì)分插補(bǔ)，并去掉幾個(gè)邊界值（Vtf＞3.8V和Vtf＜1.1V的數(shù)據(jù)），與Ts數(shù)據(jù)長(zhǎng)度相等即可，詳見(jiàn)表7。

3） 為了防止風(fēng)門漏風(fēng)，一般會(huì)在HVAC風(fēng)口與風(fēng)門結(jié)合處配裝密封條，我們?cè)谧詣?dòng)控制算法中，采取風(fēng)門轉(zhuǎn)動(dòng)到臨近邊界位置時(shí)，讓電機(jī)延遲運(yùn)轉(zhuǎn) （≤1s） 后再制動(dòng)的方式，不僅可以使風(fēng)門充分密封，避免電機(jī)在邊界位置抖動(dòng)，還會(huì)減小電機(jī)堵轉(zhuǎn)時(shí)間，大大延長(zhǎng)了電機(jī)使用壽命。

3 結(jié)束語(yǔ)

汽車自動(dòng)空調(diào)的舒適性控制涉及到多個(gè)輸出變量，如：溫度風(fēng)門、出風(fēng)模式風(fēng)門、進(jìn)風(fēng)模式風(fēng)門、壓縮機(jī)啟停、鼓風(fēng)機(jī)風(fēng)量等，本文只提及了溫度風(fēng)門的控制方法，文中衍生出的幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)數(shù)據(jù)：A0、B0、A1、B1，以及綜合溫度TC概念，可以用于對(duì)空調(diào)模式風(fēng)門和進(jìn)風(fēng)風(fēng)門的控制算法研究。上述方法是根據(jù)真實(shí)項(xiàng)目HVAC總成溫度線性試驗(yàn)（固有物理特性） 所提煉的控制數(shù)據(jù)，結(jié)合人體舒適性需求和機(jī)電控制技術(shù)所獨(dú)創(chuàng)的舒適性預(yù)設(shè)計(jì)控制算法，并在多個(gè)實(shí)戰(zhàn)項(xiàng)目中得到充分驗(yàn)證，能快速實(shí)現(xiàn)空調(diào)的舒適性道路標(biāo)定。

表7 溫度風(fēng)門控制數(shù)據(jù)最終擬合