智能溫度控制技術(shù)在汽車空調(diào)系統(tǒng)中的應(yīng)用

中圖分類號：U463.385 文獻標識碼：A 文章編號：1003-8639（2025）08-0143-03

【Abstract】 Aiming at the temperature response lag and energy consumption issues of automotive air conditioning systems indynamicscenarios，thisarticleanalyzes theimplementationlogicof intellgenttemperaturecontrol technology， mainlyincluding aspects'such asglobal environmental perception，intelligentdecision engine，andneural network predictivecontrol.Atthesametime，itdiscussestheenergyeficiencyoptimizationpaths，suchasintellgentdriveof compressor units，waste heat recovery，and integration of heat pumps.Soas to provide technical references for improving the driving and riding experience and energy efficiency.

【Key words】inteligent temperature control；automobileairconditioning；energy effciencyoptimization；control system；neural network

0 引言

汽車空調(diào)系統(tǒng)從基礎(chǔ)制冷制熱功能逐步發(fā)展為現(xiàn)代智能座艙的關(guān)鍵子系統(tǒng)，其技術(shù)演進始終圍繞提升舒適性與降低能耗兩大核心自標。當前主流空調(diào)系統(tǒng)在太陽輻射突變、乘員分布不均等動態(tài)場景下，普遍存在溫度響應(yīng)滯后與局部過冷過熱問題。傳統(tǒng)控制方法難以有效協(xié)調(diào)溫度精度與能源消耗的關(guān)系，制約整車能效提升。智能溫度控制技術(shù)通過集成環(huán)境感知、預(yù)測控制與執(zhí)行機構(gòu)優(yōu)化，構(gòu)建動態(tài)響應(yīng)與能源管理的協(xié)同機制，為解決上述問題提供系統(tǒng)化技術(shù)方案。本研究基于汽車空調(diào)系統(tǒng)的技術(shù)特性，深入分析智能溫控技術(shù)在系統(tǒng)架構(gòu)、控制算法與能效優(yōu)化中的實現(xiàn)邏輯，旨在探索提升駕乘體驗與能源效率的可行路徑。

1汽車空調(diào)系統(tǒng)與智能溫控技術(shù)的基本概念

1.1汽車空調(diào)系統(tǒng)的工作原理

汽車空調(diào)系統(tǒng)通過制冷劑循環(huán)實現(xiàn)溫度調(diào)節(jié)，核心工作原理包含4個環(huán)節(jié)。

1）壓縮機將低溫低壓的氣態(tài)制冷劑壓縮為高溫高壓狀態(tài)。2）高溫制冷劑進入冷凝器，通過散熱鰭片向外界空氣釋放熱量，逐步轉(zhuǎn)變?yōu)楦邏阂簯B(tài)。3）液態(tài)制冷劑經(jīng)膨脹閥節(jié)流降壓后，壓力和溫度顯著降低。4）低溫低壓的液態(tài)制冷劑流入蒸發(fā)器，在鼓風(fēng)機氣流作用下吸收車廂內(nèi)熱量并汽化，降低出風(fēng)溫度完成制冷循環(huán)。

制熱模式下，系統(tǒng)依靠發(fā)動機冷卻液流經(jīng)暖風(fēng)水箱，再通過鼓風(fēng)機將加熱后的空氣送入車廂。整個循環(huán)過程由電子控制單元ECU實時監(jiān)測車內(nèi)溫度、濕度及太陽輻射強度，通過調(diào)節(jié)壓縮機工作狀態(tài)和風(fēng)門開度維持設(shè)定溫度。現(xiàn)代空調(diào)系統(tǒng)普遍采用可變排量壓縮機技術(shù)，可根據(jù)實際負荷自動調(diào)整制冷輸出，既避免頻繁啟停造成的溫度波動，又能有效降低系統(tǒng)能耗，實現(xiàn)基礎(chǔ)溫控功能與能源效率的平衡。

1.2智能溫控技術(shù)

智能溫度控制技術(shù)是傳統(tǒng)空調(diào)調(diào)節(jié)技術(shù)的突破性演進，本質(zhì)是通過多層次感知與自主決策構(gòu)建動態(tài)響應(yīng)機制。該技術(shù)首先通過分布式傳感器網(wǎng)絡(luò)實時采集車內(nèi)各區(qū)域溫度、乘員分布密度、日照強度等多維數(shù)據(jù)，建立完整的車廂熱環(huán)境模型。隨后由智能決策系統(tǒng)分析不同位置的熱負荷差異，預(yù)測溫場變化趨勢并生成精確控制策略。最終通過執(zhí)行機構(gòu)實現(xiàn)對空調(diào)出風(fēng)量、溫度及風(fēng)向的精細化控制。與傳統(tǒng)控制系統(tǒng)相比，智能溫控技術(shù)的核心突破在于采用自適應(yīng)控制算法，系統(tǒng)能夠自主學(xué)習(xí)駕駛習(xí)慣和乘客偏好，自動調(diào)整溫度控制參數(shù)以保持舒適性穩(wěn)定。在特殊場景下可啟動主動預(yù)測機制，例如檢測到陽光突然增強時提前增加制冷量輸出。智能技術(shù)的應(yīng)用不僅顯著提升駕乘體驗，更通過對空調(diào)系統(tǒng)各單元的協(xié)同優(yōu)化，實現(xiàn)能源的合理分配與精確管理，形成響應(yīng)快速、精度提升且能耗可控的新型溫度控制范式。

2汽車空調(diào)系統(tǒng)的智能溫控技術(shù)實現(xiàn)

2.1全域環(huán)境感知體系構(gòu)建

全域環(huán)境感知體系通過多層次傳感網(wǎng)絡(luò)捕獲車相熱狀態(tài)動態(tài)信息。系統(tǒng)在車頂中央、儀表臺下方及座椅底部部署溫度傳感器陣列，實時獲取頭部、膝部和足部垂直溫差數(shù)據(jù)。擋風(fēng)玻璃內(nèi)側(cè)的太陽輻射傳感器精準監(jiān)測光照強度變化。座椅壓力墊與紅外傳感器結(jié)合識別乘員分布位置，構(gòu)建三維熱場分布模型。數(shù)據(jù)處理層采用多源數(shù)據(jù)融合技術(shù)實現(xiàn)溫度、濕度和光照參數(shù)的時間同步，通過異常值濾波算法消除傳感器局部失效干擾。核心處理單元對溫度梯度進行動態(tài)掃描，識別局部過冷過熱區(qū)域，并結(jié)合車門開關(guān)信號預(yù)測冷熱空氣入侵風(fēng)險。該體系為智能溫控提供全時域空間熱狀態(tài)基準，克服傳統(tǒng)單點測溫的視野局限。

2.2 智能決策控制引擎設(shè)計

智能決策引擎通過構(gòu)建動態(tài)規(guī)則庫驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)精確響應(yīng)。控制核心采用運行參數(shù)自適應(yīng)調(diào)整機制，檢測到太陽輻射突增時自動增強壓縮機功率輸出，乘員離座區(qū)域則降低送風(fēng)強度維持節(jié)能狀態(tài)。系統(tǒng)持續(xù)學(xué)習(xí)駕駛習(xí)慣與乘客偏好，在長途駕駛中自動降低溫度波動瀕率以提升舒適性。執(zhí)行單元協(xié)同調(diào)度模塊聯(lián)動變頻壓縮機、電子膨脹閥和風(fēng)門電機，根據(jù)實時熱負荷調(diào)整制冷劑流量與氣流分布。控制策略引入過渡過程抑制機制，在設(shè)定溫度調(diào)整階段自動限制壓縮機轉(zhuǎn)速變化率，避免空調(diào)出風(fēng)溫度驟變引發(fā)體感不適，形成兼顧響應(yīng)速度與運行平順性的控制范式。

2.3基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的預(yù)測控制

如圖1所示，基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的預(yù)測控制系統(tǒng)通過輸入層采集多維環(huán)境參數(shù)，其中溫度傳感器陣列精確監(jiān)測空間熱分布，太陽輻射傳感器捕捉光熱變化，乘員識別模塊獲取人體熱源信息，共同構(gòu)成環(huán)境感知基礎(chǔ)。特征處理器對原始信號進行標準化處理，通過熱慣量補償消除金屬部件熱延遲對測溫精度的影響，并加權(quán)融合各區(qū)域數(shù)據(jù)以構(gòu)建三維溫度場模型。

圖1基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測控制流程圖

預(yù)測引擎作為核心決策中樞，采用三階神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模擬車廂熱力學(xué)特性。首層解析太陽輻射與溫度傳遞的非線性關(guān)系，中間層量化玻璃透熱的時滯效應(yīng)，輸出層生成未來時域溫變曲線。該模型特別強化超前預(yù)判能力，在車輛啟動前即可基于地理位置獲取天氣預(yù)報數(shù)據(jù)，主動調(diào)整座艙初始溫度以降低能耗峰值。

控制決策模塊將預(yù)測結(jié)果轉(zhuǎn)化為執(zhí)行指令，創(chuàng)新性在于結(jié)合前饋補償與動態(tài)規(guī)則庫。預(yù)測顯示陽光輻射將增強時，前饋通道提前提升壓縮機功率。識別到乘員離座時，規(guī)則庫自動調(diào)低對應(yīng)區(qū)域送風(fēng)強度。執(zhí)行機構(gòu)據(jù)此精準調(diào)控變頻壓縮機轉(zhuǎn)速、制冷劑流量及氣流分配，形成分鐘級動態(tài)響應(yīng)能力。關(guān)鍵在于系統(tǒng)每30s掃描環(huán)境狀態(tài)進行閉環(huán)驗證，通過預(yù)測與實測數(shù)據(jù)的偏差分析持續(xù)優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，使溫控精度穩(wěn)定維持在 范圍內(nèi)，實現(xiàn)舒適性與能效的協(xié)同優(yōu)化。

3汽車空調(diào)系統(tǒng)的能效優(yōu)化技術(shù)路徑

3.1壓縮機組智能驅(qū)動策略

壓縮機組智能驅(qū)動策略依托變頻控制核心技術(shù)實現(xiàn)能耗動態(tài)優(yōu)化，系統(tǒng)通過霍爾傳感器實時監(jiān)測蒸發(fā)器進出口壓差與過熱度，基于熱負荷變化動態(tài)調(diào)節(jié)永磁同步電機轉(zhuǎn)速。永磁電機轉(zhuǎn)子采用哈爾巴赫陣列優(yōu)化磁場分布，配合空間矢量控制（SpaceVectorControl，SVC）算法實現(xiàn) 500～9000r/min 寬范圍線性調(diào)速。斜盤式變排量機構(gòu)通過步進電機驅(qū)動斜盤傾角0 0^°～15^° 連續(xù)可調(diào)），在低負荷工況將活塞排量縮減至標準值的 30% ，避免頻繁啟停造成的溫度波動，同時有效降低系統(tǒng)能耗。控制系統(tǒng)集成雙閉環(huán)反饋機制：內(nèi)環(huán)依據(jù)吸氣壓力波動實時修正膨脹閥開度；外環(huán)根據(jù)冷凝溫度自動調(diào)整油冷流量，確保高溫工況潤滑可靠性。新能源車型中采用碳化硅（SiliconCarbide，SiC）功率模塊搭建的直流-直流（DC/DC）轉(zhuǎn)換器（開關(guān)頻率 100kHz ），實現(xiàn)電機驅(qū)動效率 gt;97% ，較傳統(tǒng)方案能耗降低 34% 且電磁干擾降低 20dB^[2] ○

3.2余熱回收與熱泵系統(tǒng)集成

余熱回收系統(tǒng)構(gòu)建三級熱能梯級利用架構(gòu)：一級回收渦輪增壓器尾氣余熱（ Φgt;400^°C ）驅(qū)動有機朗肯循環(huán)（OrganicRankineCycle，ORC）發(fā)電；二級捕獲缸蓋冷卻液熱量（ 90～120^°C ）預(yù)熱制冷劑；三級利用尾氣處理單元中溫熱量 （70～90^°C ）加熱空調(diào)新風(fēng)。熱泵系統(tǒng)采用復(fù)疊式壓縮技術(shù)，主回路采用 CO₂ 工質(zhì)（臨界壓力7.38MPa， ），二級回路使用四氟丙烯R1234yf，通過板式換熱器與主回路耦合實現(xiàn) -25^°C 可靠制熱。系統(tǒng)配置八通換向閥組實現(xiàn)制冷、制熱、除霜模式切換，除霜周期通過光纖式霜層傳感器（精度 ±0.1mm 檢測蒸發(fā)器翅片結(jié)霜密度，透光率下降 15% 時啟動逆循環(huán)除霜，除霜能耗較正溫度系數(shù)（PositiveTemperatureCoefficient，PTC）加熱器降低 82% 。

3.3制冷介質(zhì)環(huán)保替代

制冷介質(zhì)替代方案采用 R744（CO₂） 跨臨界循環(huán)系統(tǒng)，高壓渦旋壓縮機配置氮化硅陶瓷滾動軸承（耐壓 45MPa） ，配合浮動密封結(jié)構(gòu)實現(xiàn) 12MPa 超臨界壓力運行。氣體冷卻器設(shè)計為微通道并行流結(jié)構(gòu)（翅片密度22FPI），鋸齒形擾流片使氣側(cè)換熱系數(shù)提升至120W/（m²?K） 。高低壓雙級節(jié)流系統(tǒng)由主電子膨脹閥（步進角 0.072^° ）和輔助電磁閥組成，實現(xiàn)最優(yōu)壓力點 （9～12MPa 的精準控制。密封系統(tǒng)采用金屬-碳纖維復(fù)合墊片（熱膨脹系數(shù) 1.2×10^-6/K ），通過激光焊接工藝確保 25MPa 壓力下年泄漏量 lt;1.5g^[3] 。充注過程應(yīng)用科里奧利（Coriolis）質(zhì)量流量計（精度 ±0.2% ）配合電磁截止閥實現(xiàn)充注量誤差 ±3g 。安全防護系統(tǒng)設(shè)置三級泄放機制：一級電子泄壓閥（響應(yīng)時間lt;10ms， ），二級爆破片（開啟壓力 32MPa ），三級催化分解裝置將超臨界 CO₂ 轉(zhuǎn)化為碳酸鹽沉積，徹底規(guī)避溫室氣體排放。

3.4氣流系統(tǒng)智慧調(diào)控

氣流調(diào)控系統(tǒng)基于乘客三維定位技術(shù)（飛行時間紅外 + 超聲波復(fù)合探測，TimeofFlight- ?IR+ UltrasonicHybridDetection），建立車廂熱場數(shù)字孿生模型。風(fēng)道結(jié)構(gòu)采用參數(shù)化拓撲優(yōu)化設(shè)計（減阻 28% ），文丘里喉部流速優(yōu)化至 52m/s ，配合導(dǎo)流葉片（角度 ±60^° ）實現(xiàn)射流精準導(dǎo)向。創(chuàng)新應(yīng)用多孔介質(zhì)均流層（梯度孔徑 0.3～1.2mm ），通過層流化改造使湍流強度降至12% 。系統(tǒng)集成熱舒適度智能評估模塊，采用等效溫度（Equivalent Temperature， ET^* ）模型綜合分析輻射溫度、風(fēng)速與濕度。當 ETgt;28^°C 時，啟動混合通風(fēng)模式（頂棚出風(fēng)速度 gt;6m/s ）； ETlt;18^°C 時，激活地暖模式（腳部送風(fēng) 45% ）[4]。

4結(jié)束語

汽車空調(diào)智能溫控技術(shù)的應(yīng)用實現(xiàn)了從被動調(diào)節(jié)到主動優(yōu)化的根本性轉(zhuǎn)變。通過全域環(huán)境感知體系的構(gòu)建，系統(tǒng)可精準捕捉車廂三維熱場動態(tài)變化。智能決策引擎結(jié)合自適應(yīng)控制算法，有效解決傳統(tǒng)空調(diào)在動態(tài)工況下的響應(yīng)滯后問題。基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的預(yù)測控制技術(shù)突破性地實現(xiàn)溫度場演變趨勢的超前判斷，大幅提升控制前瞻性。在能效優(yōu)化路徑上，變頻壓縮機的智能驅(qū)動策略顯著降低部分負荷能耗，余熱回收與熱泵系統(tǒng)的梯級利用架構(gòu)突破傳統(tǒng)制熱瓶頸，環(huán)保制冷劑應(yīng)用兼顧性能與環(huán)境可持續(xù)性，動態(tài)氣流分配技術(shù)則實現(xiàn)舒適性與能耗的精細平衡。

參考文獻

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（編輯林子衿）