汽車空調溫度風門控制方法研究

龍曉明

（浙江寧波奇亞電控科技有限公司， 浙江 寧波 315800）

汽車自動空調舒適性控制是行業的一個難點，而溫度風門作為控制中最關鍵的對象，一直以來，國內企業難以對其系統控制有較深入的研究，原因在于空調熱交換系統與熱控制系統來自不同的供應商，有關熱力學、流體力學、溫度場分布、噪聲、溫升、出風溫度分布線性及溫差等非控制類學科，熱控制系統供應商關注甚微，這種開發模式無法全方位、系統地對整車空調進行理解，難以利用HAVC總成相關試驗數據有效地控制空調，使車內的舒適性盡如人意。不同車企不同車系熱負荷不同，如：出風口位置和數量、風門開度、空氣流量、車窗玻璃和面積、遮陽面積、車身排氣孔、車身保溫和密封等，都將導致空調系統舒適性的變化。為了做好舒適性標定，熱交換系統供應商都會對HVAC溫度風門進行溫度線性試驗，盡可能在設計時將風門開度（實際對應伺服電機的位置反饋電壓） 與出風口溫度呈線性變化。但是，受車體空間限制，HVAC高度集成使風道變得曲窄，同時蒸發器溫度分布不均、風道和風門設計不合理等影響，基本上呈現非線性變化，甚至局部還會有溫度陡變現象。

1 技術問題

很多不了解空調熱交換系統的控制器供應商，不能充分理解和利用HVAC的固有特性，試圖用一個模型或線性函數來標定好空調的舒適性，最終難以實現。這也是目前車企和零部件供應商比較棘手的問題。傳統控制方式的缺點如下。

1） 控制系統設計時，未按HVAC溫度線性試驗數據進行正確提取，使溫度風門控制曲線的曲率或斜率與實車空調相差甚遠，導致標定工作事倍功半。

2） 所有車型采用一個算法，只對風門開度做簡單調整，很難實現不同車型對舒適性的個性化需求。

3） 采用分段一次函數控制溫度風門，標定時只能單純修改變量系數，修改某個系數后滿足了該工況，但同時可能會影響到之前已標定好的工況，難以實現在全工況下目標溫度保持±2℃甚至更高的要求。

2 技術方案

自動空調都會有一個乘員所希望達到的目標設定溫度Ts，雖然舒適性會受到生理、心理、物理、環境、經濟、風土習慣等因素的影響，但總體來說，溫度是最關鍵的指標。通過發達國家多項試驗，綜合認為夏季舒適性推薦溫度為21~28℃，冬季為18~25℃。我們的目的：整車在環境溫度-40~40℃范圍全工況條件下，結合HVAC固有特性設計合理的溫度風門控制算法，并結合出風風向、風速等控制，使乘員的頭部溫度低于腳部溫度，車內平均溫度達到Ts±2℃要求。

2.1 提取溫度風門自動控制數據

根據HVAC總成的溫度線性試驗數據，結合舒適性控制的需求，提取點對點查表的數據，不采用傳統單一線性或分段直線來控制溫度風門，更能應對各種非線性變化，使舒適性標定更容易實現。

風門驅動一般采用反饋式伺服電機和步進電機兩種類型，反饋式伺服電機是依靠反饋電壓來確定風門位置，而步進電機是按步進角度來確定風門位置。反饋式伺服電機單步最小反饋電壓可達0.05V，每個電壓對應風門一個角度，在做HVAC溫度線性試驗時，往往直接采用電壓與溫度的關系進行試驗（實際是角度與溫度）；而步進電機單步最小步進角度可達0.05°，風門轉動1°對應N個電脈沖數，依靠脈沖計數來確定風門位置。兩者都能滿足空調舒適性風門的控制要求。步進電機由于成本較高，本案以較為常用的伺服電機來進行討論。

反饋式伺服電機的位置反饋電壓一般為0~5V，而自動空調微處理器的AD采集精度至少要求10bit，理論上可以細分為1024個數據，我們按1000計算：5／1000=0.005V，即單步最小電壓可達0.005V?？紤]到以碳膜電阻值為位置反饋的伺服電機的精度、電機轉動與制動防抖要求，以及電磁騷擾信號的影響，實際上我們能有效細分到最小0.05V。

一體式HVAC總成的溫度線性試驗，能獲取HVAC風道內的溫度線性分布特性，通常按以下工況進行。

1） 車企提供整車儀表臺板及風管。

2） 鼓風機端電壓6V。

3） 進風溫度5℃。

4） 加熱器進口溫度85℃。

由于國內車企對空調的平臺化實施效果不好，HVAC風門角度會因不同的車型而改變，以致于伺服電機的位置反饋電壓范圍也會變化。下面以某成功案例進行分析研究，以獲取控制數據。

2.1.1 吹面模式溫度線性數據整理

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

1） 當溫度風門的位置反饋電壓Vtf≥4.0V以后，出風口溫度基本不變，說明風門已轉動到最冷位置，選擇此反饋電壓作為最冷端的極限邊界數值。

2） 當溫度風門的位置反饋電壓為2.6V≤Vtf≤4.0V時（2.6V為臨界溫度點A0對應的反饋電壓），其對應的風口溫度滿足夏季人體舒適性需求，因此，作為自動吹面模式時溫度風門的控制參考數據。

3） 當Vtf＜2.6V時，其對應風口溫度可能不滿足人體舒適性要求，因此，在自動吹面模式提取數據時不予關注。

4） 若HVAC廠家提供的原始試驗數據是按照0.2V遞增／遞減進行測試，我們可以按照0.1V或0.05V細分處理，然后將溫度值進行均分計算。對溫度變化較快的區域（即單位電壓范圍內對應的溫度變化過大），也須進行細分控制。

例如：表1中反饋電壓從3.3V變到3.2V，這個區域電壓變化0.1V，對應的溫度變化1.3℃，相對于其它區域溫度變化較快，可以細分新增插入一中間值3.25V，其溫度值為3.3V與3.2V對應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數據 （整理）

5） 若車型或HVAC總成變化，其控制數據也會發生變化，須重新量身定制。

2.1.2 吹面吹腳模式溫度線性數據整理

如表2所示數據，吹腳4個風口之間部分溫差超過5℃，同時部分吹腳風口溫度比吹面風口溫度高出了很多，這樣的HVAC總成特性可能會影響人體的垂直溫差舒適性需求。根據春／秋季舒適性需求，本著“吹面不燥熱，吹腳不冰涼”為原則進行數據提取。

表2 吹面吹腳模式溫度線性試驗數據 （整理）

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

2） 按照“所有吹腳出風口平均溫度值＞25℃”，同時考慮“防止風門電機在運轉過程中抖動所需的回差電壓”為原則，確定吹腳出風口平均溫度臨界點B0，B0和A0溫度所對應的風門反饋電壓VtfB0-VtfA0的絕對值≥0.1V，以此來提取吹面吹腳模式時溫度風門所需的控制數據。參照上述2.1.1小節中吹面模式溫度風門的反饋電壓，可以作如下選擇：①本案A1對應溫度風門反饋電壓為2.2V，B0對應溫度風門反饋電壓為2.8V，當2.2V≤Vtf≤2.8V時，作為吹面吹腳模式下溫度風門的自動控制數據；兩個邊界端點可以在實車標定時根據情況修正；②當Vtf＜2.2V時，單個吹面風口出風溫度已超過25℃，可能影響舒適性，因此，在自動吹面吹腳模式提取數據時不予關注。

2.1.3 吹腳模式溫度線性數據整理

如表3所示數據，腳部右下風口局部溫度比其它風口高很多。根據人體冬季舒適性需求中“熱吹腳”原則，從試驗數據中提取吹腳出風口平均溫度值大于等于臨界溫度值B1的所有數據，同時考慮防止風門電機在運轉過程中抖動所需的回差電壓（即B1和A1溫度所對應的風門反饋電壓VtfB1-VtfA1的絕對值≥0.1V） 來提取吹腳模式時溫度風門所需的控制數據。由于該HVAC總成各吹腳風口溫差較大，本案按照吹腳出風口平均溫度＞25℃作為臨界溫度點B1，同時考慮上述2.1.2小節中溫度風門的反饋電壓，可以作如下選擇。

表3 吹腳模式溫度線性試驗數據 （整理）

1） 當Vtf≤2.4V （對應吹腳溫度臨界點B1） 時，作為吹腳模式下溫度風門的自動控制參考數據，在實車標定時根據情況可適當修正。

2） 當Vtf≤0.9V時，溫度風門已轉動到最熱位置，選擇此反饋電壓作為最熱端的極限邊界數值。

3） 當Vtf＞2.4V時，其對應風口溫度可能影響舒適性，因此，在自動吹腳模式提取數據時不予關注。

2.2 溫度風門舒適性控制算法設計

以自動空調目標設定溫度Ts±2℃作為車內理想的舒適性溫度，結合軟件控制中的綜合溫度Tc和Ts的數據長度來擬合溫度風門控制數據。

2.2.1 溫度風門控制數據初始擬合

1） 當Tc=0時，我們默認為整車空調的舒適性中心值，其對應的溫度風門的擬合溫度值盡量選擇22~25℃范圍，本案以Tc=0對應擬合后的平均溫度為23.5℃，即表1中臨界溫度A0點（對應反饋電壓Vtf=2.6V）。將表1中平均溫度低于A0點的溫度值和對應的反饋電壓直接移到表4中，作為溫度風門在吹面模式下的自動控制參考數據。

2） 將表2中溫度風門反饋電壓2.2V≤Vtf≤2.5V之間的平均溫度值（為8個出風口的溫度平均值） 和對應的反饋電壓順序移植到表4中，與上述1） 項數據連接起來。

3） 將表3中溫度風門反饋電壓Vtf≤2.1V的平均溫度值和對應的反饋電壓順序移植到表4中，與上述2） 項數據連接起來，所得數據如表4所示，這是溫度風門自動控制的初始數據。

表4 溫度風門控制數據初始擬合

2.2.2 目標設定溫度值Ts的確定

實際應用中，汽車自動空調目標設定溫度范圍有以下幾種情況。

1） 目標設定溫度Ts：LO （15.5℃） ←→16~32℃←→HI（32.5℃），按每0.5℃進行細分，共35個點，即從最冷到最熱最多共有35個擋位可以人為進行車內目標溫度的調節。

2） 目標設定溫度Ts：LO （17.5℃） ←→18~32℃←→HI（32.5℃），共有31個點，即從最冷到最熱共有31個擋位可以人為調節。

3） 目標設定溫度Ts：LO （17.5℃） ←→18~28℃←→HI（28.5℃），共有23個點，即從最冷到最熱只有23個擋位，這是新能源汽車綜合考慮空調舒適性和整車節能性的最佳選擇。

因此，按照這樣的調節范圍，從HVAC固有特性中提取的數據量并不大，最多只有35點的數據，我們采用“點對點”查表的控制方式，在實車春秋、冬、夏季道路標定時可以很方便地應對復雜的工況情況，使舒適性標定工作事半功倍。

2.2.3 溫度風門控制數據最終擬合

根據表4得知：此HVAC總成在局部區域的溫度變化過快，因此需按伺服電機的最小步進值0.05V細分控制。

1） 綜合溫度Tc值的確定：車內實際溫度會受到車內傳感器溫度、車外環境溫度、日照強度、車速等變量的影響，因此，其綜合溫度的數學模型可以按如下公式進行計算。

式中：Ti——車內傳感器采集到的溫度；Ts——人為設定的目標溫度；Eo——車外環境溫度補償值；Es——日照強度補償值；Esp——車速補償值；e——偏移量。

①Ti能反應車內溫度傳感器安裝部位流動空氣的實際溫度值，它不代表整個車內的真實溫度。當車內溫度變化時，Ti也會有相應變化，因此車內溫度變化可以通過Ti映射出來。系數a根據實車舒適性道路標定情況來調節；②To車外環境溫度對車體熱負荷影響很大，同時車體材質的隔熱性與密封性對車內溫度也會帶來很大影響。這些影響并非線性變化，而且不同車型的補償值會有差異。我們可以按照-40～+40℃范圍內，環境溫度傳感器采集到的溫度值To每改變3～5℃進行補償，如表5所示；③當較強的陽光照射到車體時，車內熱負荷會增加；當陽光較弱時車內熱負荷又會減小，因此，必須進行舒適性補償，補償速度本著“夏季快進慢退、冬季慢進快退”原則，不同的日照強度，車內的陽光傳感器會采集到不同的電壓值，MCU根據電壓值可以得知對應的日照強度。本案以陽光強度≤500W／m2補償值Es=0，具體控制參數見表6。夏天，若日照強度的當前值＞初值，則以每0.01V／s遞增逼近當前值；日照強度的當前值＜初值時，以每0.005V／s遞減逼近當前值；冬天，若日照強度的當前值＞初值，則以每0.005V／s遞增逼近當前值；日照強度的當前值＜初值時，以每0.01V／s遞減逼近當前值。④車速快慢會影響車體熱負荷變化，根據實車道路標定情況進行適當補償。對車體密封和隔熱較差的車輛，其補償值會增加。本案以車速40km／h時補償值Esp=0，車速與溫度補償曲線如圖1所示。⑤在實車道路標定過程中，往往會遇到：車內實際頭部平均溫度與目標溫度存在一定的偏差，此時可以根據實際偏差，對TC進行e值修正。

表5 車外溫度補償

表6 陽光強度補償

圖1 車速與溫度補償曲線

2） 本案Ts選擇LO （15.5） ←→16~32←→HI （32.5） 共35個數據；選擇Tc=0時，Ts=23.0，Ts以此值按0.5℃向上遞增、向下遞減；同時將表4中溫度變化較快的區域，尤其是吹面、吹面吹腳區域的數據進行細分插補，并去掉幾個邊界值（Vtf＞3.8V和Vtf＜1.1V的數據），與Ts數據長度相等即可，詳見表7。

3） 為了防止風門漏風，一般會在HVAC風口與風門結合處配裝密封條，我們在自動控制算法中，采取風門轉動到臨近邊界位置時，讓電機延遲運轉 （≤1s） 后再制動的方式，不僅可以使風門充分密封，避免電機在邊界位置抖動，還會減小電機堵轉時間，大大延長了電機使用壽命。

3 結束語

汽車自動空調的舒適性控制涉及到多個輸出變量，如：溫度風門、出風模式風門、進風模式風門、壓縮機啟停、鼓風機風量等，本文只提及了溫度風門的控制方法，文中衍生出的幾個關鍵點數據：A0、B0、A1、B1，以及綜合溫度TC概念，可以用于對空調模式風門和進風風門的控制算法研究。上述方法是根據真實項目HVAC總成溫度線性試驗（固有物理特性） 所提煉的控制數據，結合人體舒適性需求和機電控制技術所獨創的舒適性預設計控制算法，并在多個實戰項目中得到充分驗證，能快速實現空調的舒適性道路標定。

表7 溫度風門控制數據最終擬合