車(chē)內(nèi)溫度傳感器安裝位置對(duì)空調(diào)性能的影響

宮曉彬，毛翼

(泛亞汽車(chē)技術(shù)中心有限公司，上海 201208)

0 引言

隨著國(guó)內(nèi)汽車(chē)市場(chǎng)的發(fā)展與成熟，對(duì)車(chē)的使用性能和舒適性提出了更高的要求。汽車(chē)空調(diào)系統(tǒng)的發(fā)展經(jīng)歷了從無(wú)到有，從單獨(dú)的供熱功能到冷暖一體。汽車(chē)空調(diào)的控制系統(tǒng)也隨之發(fā)展，從手動(dòng)到電動(dòng)，再到自動(dòng)控制，使客戶體驗(yàn)有了極大地提升。自動(dòng)空調(diào)可以提供一個(gè)既經(jīng)濟(jì)又舒適的控制過(guò)程，而不需要對(duì)空調(diào)系統(tǒng)有深入了解，減少在操作空調(diào)上的時(shí)間，有利于行車(chē)安全。隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，以前只有在高端車(chē)型上配備的自動(dòng)空調(diào)已經(jīng)成為越來(lái)越多車(chē)型的基本配置[1]。

1 自動(dòng)空調(diào)控制系統(tǒng)簡(jiǎn)介

車(chē)內(nèi)溫度的控制過(guò)程是一個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程，以乘客艙溫度為控制對(duì)象，不斷進(jìn)行乘客艙熱負(fù)荷與空調(diào)系統(tǒng)制冷量的能量平衡過(guò)程。車(chē)身圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱，空調(diào)系統(tǒng)產(chǎn)生的冷量及車(chē)內(nèi)設(shè)備、乘員、內(nèi)飾熱量三者之間相互影響，其中車(chē)身圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱就可分為導(dǎo)熱、對(duì)流和輻射，空調(diào)系統(tǒng)產(chǎn)生的冷量受到發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速等一系列因素的影響，車(chē)內(nèi)設(shè)備的工作狀態(tài)及乘員數(shù)量存在不確定性，這些都對(duì)空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行有著巨大的影響，這些因素的變化會(huì)實(shí)時(shí)表現(xiàn)為車(chē)內(nèi)熱負(fù)荷的變化，公式(1)所示的車(chē)內(nèi)溫度及其變化趨勢(shì)是表征車(chē)內(nèi)熱負(fù)荷的一個(gè)重要參數(shù)，自動(dòng)空調(diào)控制系統(tǒng)采用這一參數(shù)作為控制對(duì)象。

Pintmass(t)]dt+Tcompartment(t0)

(1)

式中：Tcompartment為車(chē)內(nèi)空氣溫度，℃；

t為當(dāng)前時(shí)間，s；

t0為上次計(jì)算時(shí)間，s；

k為車(chē)內(nèi)空調(diào)的熱物性參數(shù)，K/J；

P為車(chē)內(nèi)外結(jié)構(gòu)對(duì)車(chē)內(nèi)空氣的傳熱，W；

下角HVAC為空調(diào)系統(tǒng)產(chǎn)生的冷量；

下角body為通過(guò)車(chē)身結(jié)構(gòu)對(duì)車(chē)內(nèi)的傳熱量；

下角window為通過(guò)車(chē)窗結(jié)構(gòu)對(duì)車(chē)內(nèi)的傳熱量；

下角intmass為車(chē)輛內(nèi)飾的散熱量。

自動(dòng)空調(diào)控制系統(tǒng)是一個(gè)望目控制系統(tǒng)，即通過(guò)輸入的設(shè)定溫度為基準(zhǔn)，不斷將車(chē)內(nèi)溫度向目標(biāo)值靠近的控制過(guò)程。為達(dá)到控制的精確性就必須實(shí)時(shí)得到當(dāng)前車(chē)內(nèi)溫度狀況，這樣就形成了以車(chē)內(nèi)實(shí)際溫度為信號(hào)的反饋控制系統(tǒng)，如圖1所示。

圖1 自動(dòng)空調(diào)系統(tǒng)

車(chē)內(nèi)溫度的獲得主要有兩種方式：(1)通過(guò)安裝在車(chē)內(nèi)的溫度傳感器實(shí)時(shí)獲取車(chē)內(nèi)溫度。該方法對(duì)溫度的精確度有較高的保證，但是也會(huì)出現(xiàn)片面性，因?yàn)檐?chē)內(nèi)溫度的控制過(guò)程是一個(gè)整體過(guò)程，傳感器只能得到車(chē)內(nèi)一點(diǎn)附近的空氣溫度，因此需要對(duì)傳感器的安裝和濾波進(jìn)行多次調(diào)試選擇。(2)通過(guò)初始條件輸入，建立熱力學(xué)模型計(jì)算得到車(chē)內(nèi)溫度。該方法能反映車(chē)內(nèi)總體的溫度狀況，無(wú)傳感器布置等問(wèn)題，但是也存在計(jì)算偏差，且技術(shù)難度較大等問(wèn)題。國(guó)內(nèi)一些研究機(jī)構(gòu)對(duì)該方法進(jìn)行了模擬研究[2-3]，效果較好，但是主要在PC上進(jìn)行，離車(chē)載嵌入式系統(tǒng)還有一定的差距。

車(chē)內(nèi)溫度傳感器主要有兩種方式，一種是帶有機(jī)械式風(fēng)機(jī)的傳感器總成，因?yàn)橛蟹€(wěn)定的風(fēng)速流過(guò)，所以溫度能保持穩(wěn)定；另一種是通過(guò)空調(diào)箱的風(fēng)機(jī)采取虹吸的方法對(duì)傳感器進(jìn)行氣流通過(guò)，加入了空調(diào)箱風(fēng)速的影響因素，使系統(tǒng)濾波更加復(fù)雜。前種方式的優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)復(fù)雜度降低，后一種方式的優(yōu)點(diǎn)是成本降低。文中的研究對(duì)象采用了帶有機(jī)械式風(fēng)機(jī)的傳感器總成作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，系統(tǒng)主要由車(chē)內(nèi)溫度傳感器、自動(dòng)空調(diào)控制模塊、空調(diào)箱等組成。

2 車(chē)內(nèi)溫度傳感器特性要求

在反饋控制系統(tǒng)中反饋值的精確度和波動(dòng)性都會(huì)影響系統(tǒng)的精度和穩(wěn)定[4]。車(chē)內(nèi)溫度傳感器作為自動(dòng)空調(diào)控制系統(tǒng)的反饋輸入，對(duì)控制的影響非常顯著，要做到控制的穩(wěn)定和精度，需要保證車(chē)內(nèi)溫度反饋的精度、快速響應(yīng)和減小波動(dòng)。故提出車(chē)內(nèi)溫度傳感器指標(biāo)要求如下：

(1)反映車(chē)內(nèi)總體溫度變化趨勢(shì)。采用呼吸點(diǎn)作為車(chē)內(nèi)溫度的整體參考點(diǎn)和評(píng)價(jià)指標(biāo)，因?yàn)樵搮^(qū)域風(fēng)速較為穩(wěn)定，且混合充分，要求傳感器準(zhǔn)確反映該區(qū)域溫度或者與其存在明晰的關(guān)系。響應(yīng)快速，滯后小；

(2)溫度波動(dòng)小。要求溫度的波動(dòng)小于特定值，可通過(guò)濾波等方式消除波動(dòng)，要求傳感器布置在能反映溫度，但又不在風(fēng)速的路徑上；

(3)不受環(huán)境的影響。車(chē)內(nèi)乘員的肢體動(dòng)作、物品的擺放、陽(yáng)光、出風(fēng)、開(kāi)門(mén)窗、內(nèi)部風(fēng)道、儀表熱源等要避免影響到傳感器，否則都會(huì)造成偏差。

3 傳感器布置位置的選取

針對(duì)某車(chē)型，改裝車(chē)內(nèi)溫度傳感器位置。綜合考慮陽(yáng)光、風(fēng)向和美觀等多種因素，在儀表臺(tái)上選取兩點(diǎn)進(jìn)行研究，如圖2所示。

圖2 試驗(yàn)傳感器布置位置

(1)方向盤(pán)下儀表臺(tái)上方位置。此位置不在空調(diào)出風(fēng)路徑上，同時(shí)人體活動(dòng)不易觸及。

(2)方向盤(pán)下儀表臺(tái)下方位置。此位置在車(chē)內(nèi)較低的部位，不容易受外界環(huán)境的影響。

4 試驗(yàn)研究

在不同的環(huán)境溫度下進(jìn)行試驗(yàn)，獲取傳感器溫度及車(chē)內(nèi)溫度，車(chē)內(nèi)溫度通過(guò)布置在車(chē)內(nèi)的多點(diǎn)溫度平均得到。

(1)溫度傳感器布置于位置1

當(dāng)環(huán)境溫度為40 ℃時(shí)，空調(diào)出風(fēng)集中于上部出風(fēng)口，溫度傳感器與呼吸點(diǎn)平均溫度變化曲線如圖3所示。

圖3 環(huán)境溫度為40 ℃時(shí)溫度傳感器與呼吸點(diǎn)平均溫度變化曲線(位置1)

當(dāng)環(huán)境溫度為10 ℃，空調(diào)上部出風(fēng)口占比60%，下部出風(fēng)口占比40%，溫度傳感器與呼吸點(diǎn)平均溫度變化曲線如圖4所示。

圖4 環(huán)境溫度為10 ℃時(shí)溫度傳感器與呼吸點(diǎn)平均溫度變化曲線(位置1)

當(dāng)環(huán)境溫度為-20 ℃時(shí)，空調(diào)出風(fēng)集中于下部出風(fēng)口，溫度傳感器與呼吸點(diǎn)平均溫度變化曲線如圖5所示。

圖5 環(huán)境溫度為-20 ℃時(shí)溫度傳感器與呼吸點(diǎn)平均溫度變化曲線(位置1)

由圖3—5可知，車(chē)內(nèi)溫度傳感器在位置1時(shí)，對(duì)于感知出風(fēng)溫度較為接近，波動(dòng)小;對(duì)下部出風(fēng)口不敏感，受儀表臺(tái)內(nèi)部熱源的影響大。由圖5可知，傳感器溫度隨時(shí)間不斷增加，但是車(chē)內(nèi)溫度并無(wú)顯著增加。

(2)溫度傳感器布置于位置2

當(dāng)環(huán)境溫度為40 ℃時(shí)，空調(diào)出風(fēng)集中于上部出風(fēng)口，溫度傳感器與呼吸點(diǎn)平均溫度變化曲線如圖6所示。

圖6 環(huán)境溫度為40 ℃時(shí)溫度傳感器與呼吸點(diǎn)平均溫度變化曲線(位置2)

當(dāng)環(huán)境溫度為10 ℃時(shí)，空調(diào)上部出風(fēng)口占比60%，下部出風(fēng)口占比40%，溫度傳感器與呼吸點(diǎn)平均溫度變化曲線如圖7所示。

圖7 環(huán)境溫度為10 ℃時(shí)溫度傳感器與呼吸點(diǎn)平均溫度變化曲線(位置2)

當(dāng)環(huán)境溫度為-20 ℃時(shí)，空調(diào)出風(fēng)集中于下部出風(fēng)口，溫度傳感器與呼吸點(diǎn)平均溫度變化曲線如圖8所示。

圖8 環(huán)境溫度為-20 ℃時(shí)溫度傳感器與呼吸點(diǎn)平均溫度變化曲線(位置2)

由圖6—8可知，車(chē)內(nèi)溫度傳感器在位置2時(shí)，對(duì)于感知上部出風(fēng)口溫度不利，在感知下部出風(fēng)口時(shí)受駕駛員動(dòng)作對(duì)氣流的影響，造成了較大的波動(dòng)。因?yàn)閭鞲衅鞑▌?dòng)，導(dǎo)致系統(tǒng)輸出波動(dòng)，又反饋影響車(chē)內(nèi)溫度，造成系統(tǒng)諧振，出風(fēng)溫度有較大的波動(dòng)。

5 位置影響分析

計(jì)算車(chē)內(nèi)溫度傳感器值與車(chē)內(nèi)呼吸點(diǎn)溫度的差值，取3 600 s內(nèi)的數(shù)據(jù)計(jì)算其平均值。平均值反映二者的接近程度。平均值越接近0，則該位置越能反映真實(shí)的車(chē)內(nèi)溫度。計(jì)算車(chē)內(nèi)溫度傳感器值在穩(wěn)態(tài)階段的標(biāo)準(zhǔn)差。標(biāo)準(zhǔn)差反映其波動(dòng)程度。標(biāo)準(zhǔn)差越小，則該位置受車(chē)輛及空調(diào)運(yùn)行過(guò)程中如模式、風(fēng)量、溫度、車(chē)速等噪聲因素的影響越小。繪制車(chē)內(nèi)溫度傳感器值與呼吸點(diǎn)溫度差值的平均值和穩(wěn)態(tài)階段傳感器值的標(biāo)準(zhǔn)差與環(huán)境溫度關(guān)系圖，如圖9所示。

圖9 溫度差值的平均值與標(biāo)準(zhǔn)差

由圖9可知，在40 ℃時(shí)，位置1的差值平均值小于位置2，但是傳感器值的標(biāo)準(zhǔn)差略大于位置2。在10 ℃時(shí)，位置1的差值平均值大于位置2，傳感器值的標(biāo)準(zhǔn)差相當(dāng)。在-20 ℃時(shí)，位置1的差值平均值和傳感器值的標(biāo)準(zhǔn)差都小于位置2。

由圖可知，在測(cè)量精度方面，位置1優(yōu)于位置2;在穩(wěn)定性方面，位置1與位置2相當(dāng)，均在1 K左右。綜合分析可得位置1要優(yōu)于位置2。

另外，位置1受到陽(yáng)光照射的影響，包括車(chē)輛停放過(guò)程中的陽(yáng)光照射和車(chē)輛行駛過(guò)程中間歇的陽(yáng)光照射。位置2受到駕駛員腿部位置前后左右動(dòng)作的影響。增加了車(chē)內(nèi)溫度傳感器修正模型開(kāi)發(fā)及標(biāo)定開(kāi)發(fā)的難度。

在實(shí)際車(chē)輛開(kāi)發(fā)過(guò)程中，位置選擇還要考慮設(shè)計(jì)的美觀和噪聲的影響。位置1位于乘客可視區(qū)域，由于傳感器需要開(kāi)孔進(jìn)行空氣流通，所以在美觀上，位置2要優(yōu)于位置1;位置1離乘客更近，傳感器通風(fēng)電機(jī)的噪聲更容易被感知到，所以在噪聲上，位置2要優(yōu)于位置1。

綜上所述，在開(kāi)發(fā)過(guò)程中，應(yīng)先采集各備選位置在不同環(huán)境溫度下的采集精度和穩(wěn)定性數(shù)據(jù)，然后選擇采集精度和穩(wěn)定性均較佳的位置。

6 車(chē)內(nèi)溫度修正模型

基于位置2對(duì)車(chē)內(nèi)溫度傳感器值建立修正模型，該模型分為非穩(wěn)態(tài)和穩(wěn)態(tài)兩個(gè)階段。分別采用不同的修正公式。

6.1 非穩(wěn)態(tài)階段

在非穩(wěn)態(tài)階段，車(chē)內(nèi)溫度變化快速，且車(chē)內(nèi)溫度的變化過(guò)程與出風(fēng)模式、出風(fēng)風(fēng)量等強(qiáng)相關(guān)，當(dāng)風(fēng)量越大時(shí)，達(dá)到穩(wěn)態(tài)的時(shí)間越短。該階段的車(chē)內(nèi)溫度修正δunsteady以根據(jù)車(chē)內(nèi)溫差dTc設(shè)定的補(bǔ)償值為基礎(chǔ)，并根據(jù)出風(fēng)模式和出風(fēng)風(fēng)量設(shè)定該補(bǔ)償值的系數(shù)。

Tfiltered=Traw+A·B·δunsteady

(2)

式中：Tfiltered為修正后的車(chē)內(nèi)溫度，℃；Traw為傳感器采集的原始車(chē)內(nèi)溫度，℃；δunsteady為根據(jù)車(chē)內(nèi)溫差dTc的補(bǔ)償值，K；A為根據(jù)出風(fēng)模式設(shè)定的補(bǔ)償值的系數(shù)，%;B為根據(jù)出風(fēng)風(fēng)量設(shè)定的補(bǔ)償值的系數(shù)，%。

6.2 穩(wěn)態(tài)階段

在穩(wěn)態(tài)階段，車(chē)內(nèi)溫度、出風(fēng)模式、出風(fēng)風(fēng)量、出風(fēng)溫度等均達(dá)到穩(wěn)定輸出，此時(shí)需對(duì)車(chē)內(nèi)溫度的穩(wěn)態(tài)偏差進(jìn)行修正。

Tfiltered=Traw+δsteady

(3)

式中：Tfiltered為修正后的車(chē)內(nèi)溫度，℃；Traw為傳感器采集的原始車(chē)內(nèi)溫度，℃；δsteady由公式(4)計(jì)算得到，K。

δsteady在計(jì)算時(shí)，先分別計(jì)算在無(wú)日照和最大日照強(qiáng)度時(shí)的修正值，再根據(jù)當(dāng)前日照強(qiáng)度百分比進(jìn)行差分計(jì)算得出，如公式(4)所示。

δsteady=δ1+(δ2-δ1)·E/Emax

(4)

式中：δ1為無(wú)日照時(shí)的修正值，K；δ2為最大日照時(shí)的修正值，K；E為當(dāng)前日照強(qiáng)度，W/m2；Emax為根據(jù)當(dāng)前環(huán)境溫度設(shè)定的最大日照強(qiáng)度，W/m2。

經(jīng)過(guò)上述模型修正后的車(chē)內(nèi)溫度，還需進(jìn)行均值濾波和差值濾波。根據(jù)穩(wěn)定性要求設(shè)定均值濾波，根據(jù)系統(tǒng)特性設(shè)定車(chē)內(nèi)溫度的變化率。這樣可以消除傳感器采樣波動(dòng)和短時(shí)噪聲造成的溫度波動(dòng)。該濾波算法經(jīng)過(guò)實(shí)車(chē)驗(yàn)證，取得良好的應(yīng)用效果。

7 結(jié)論

文中通過(guò)分析，得到以下結(jié)論：

(1)車(chē)內(nèi)溫度傳感器應(yīng)避免安裝在車(chē)內(nèi)成員能直接或間接影響到的位置;

(2)車(chē)內(nèi)溫度傳感器應(yīng)選擇在氣流混合均勻的位置，且不在出風(fēng)路徑上。若布置在出風(fēng)路徑上，則應(yīng)盡量遠(yuǎn)離出風(fēng)口;

(3)在冬季長(zhǎng)時(shí)間駕車(chē)后溫度傳感器將會(huì)顯著受到儀表臺(tái)內(nèi)部熱源的影響;

(4)在備選位置中，應(yīng)選擇采集精度及穩(wěn)定性均較佳的位置，降低修正模型及標(biāo)定的開(kāi)發(fā)難度;

(5)針對(duì)位置2建立車(chē)內(nèi)溫度傳感器修正模型，達(dá)到良好的效果。