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CN116353290A - 一种基于座舱热舒适性的暖通空调系统及其控制方法 - Google Patents

一种基于座舱热舒适性的暖通空调系统及其控制方法 Download PDF

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CN116353290A
CN116353290A CN202310487987.3A CN202310487987A CN116353290A CN 116353290 A CN116353290 A CN 116353290A CN 202310487987 A CN202310487987 A CN 202310487987A CN 116353290 A CN116353290 A CN 116353290A
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CN
China
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air
damper
temperature
hvac
mode
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Application number
CN202310487987.3A
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李蒙
陈骁
徐兴
李勇
凌和平
廉玉波
何帆
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Jiangsu University
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Jiangsu University
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Publication date
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Abstract

本发明公开了一种基于座舱热舒适性的暖通空调系统及其控制方法，该控制方法为：硬件控制器根据座舱热舒适度或目标温度，计算暖通空调工作量；基于暖通空调工作量，选择空调空气流量与空调温度的组合；根据空调空气流量与空调温度的组合选择暖通空调的操作模式，在不同的操作模式下，控制相应风门打开；依据映射关系确定混合风门位置并进行控制，实现所需的座舱热舒适性。本发明能够提高整车的能源利用率，降低外部环境对车内热环境的影响。

Description

一种基于座舱热舒适性的暖通空调系统及其控制方法
技术领域
本发明属于新能源汽车热管理技术领域，具体涉及一种基于座舱热舒适性的暖通空调系统及其控制方法。
背景技术
随着汽车的普及和人们生活质量的提高，消费者对汽车热舒适性的要求也越来越高。车内热环境和乘员热舒适性密切相关，车内的空气温度、相对湿度、气流速度和平均辐射温度等环境因素都直接影响着乘员的乘坐舒适性；同时汽车乘坐空间热环境和乘员热舒适性又影响着汽车的经济性，尤其是对于电动汽车而言。
因此有必要开发一种暖通空调系统，不仅能够提供舒适的座舱热环境，还能够提高整车的能源利用率、降低外部环境对车内热环境的影响。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种基于座舱热舒适性的暖通空调系统及其控制方法。
本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。
一种基于座舱热舒适性的暖通空调系统的控制方法：
硬件控制器根据座舱热舒适度或目标温度，计算暖通空调工作量；
基于暖通空调工作量，选择空调空气流量与空调温度的组合；
根据空调空气流量与空调温度的组合选择暖通空调的操作模式，在不同的操作模式下，控制相应风门打开；
依据映射关系确定混合风门位置并进行控制。
进一步地，由座舱热舒适度计算暖通空调工作量的表达式为：WPMV＝kW，其中：WPMV表示在热舒适度策略下的暖通空调工作量，k为常数，W表示环境功率，且W满足的PMV指数计算公式为：
Figure BDA0004209275980000011
Figure BDA0004209275980000012
Figure BDA0004209275980000013
其中：M表示人体新陈代谢率，Pw表示人体周围水蒸气分压力，fcl为人体着装面积系数，Ta为座舱内温度，var为空调空气流量；
由目标温度计算暖通空调工作量的表达式为：Wt＝WTransient+WSteadyState，其中：Wt表示在目标温度策略下的暖通空调工作量，WSteadyState表示稳态暖通空调工作量，WTransient表示瞬态暖通空调工作量，且WTransient＝Kp×P(Tt-Ta)+KI×I(Tt-Ta)，Kp为座舱温度加热或降温的比例系数，KI为积分系数，P为线性函数，I为积分函数，Tt表示目标温度，且Tt＝kt1×Te+kt2Qs+kt3×TS+H，其中：Te为座舱外环境温度，Qs为太阳辐射强度，TS为座舱内设定温度，H为湿度补偿量，kt1、kt2和kt3为校准常数。
进一步地，所述空调空气流量与空调温度的组合，满足如下公式：
W＝c0×var×(Td-Tt)
其中，W表示暖通空调工作量，Td为空调温度，var为空调空气流量，c0为热比容系数。
进一步地，所述操作模式包括加热模式、制冷模式、除霜模式和除雾模式。
更进一步地，处于加热模式时，若空调温度低于23℃，则为面板模式，此时使用再循环风，蒸发器不工作，加热器芯工作，面板风门开启；若空调温度低于30℃大于23℃，则为混合模式，此时使用再循环风，蒸发器工作，加热器芯工作，面板风门开启，控制台风门开启，地板风门开启；若空调温度高于30℃，则为地板模式，此时使用再循环风，蒸发器工作，加热器芯工作，地板风门开启。
更进一步地，若空调温度高于26℃，则为面板模式，使用新风，蒸发器工作，加热器芯不工作，面板风门开启；若空调温度高于15℃低于26℃，则为混合模式，使用新风，蒸发器工作，加热器芯不工作，面板风门开启；若空调温度低于15℃，则为地板模式，使用再循环风，蒸发器工作，加热器芯不工作，面板风门开启，控制台风门开启，地板风门开启。
更进一步地，处于除雾模式时，使用新风，蒸发器工作，加热器芯不工作，除霜除雾风门打开；处于除霜模式时，使用新风，蒸发器工作，加热器芯工作，除霜除雾风门打开。
进一步地，所述映射关系为：
Figure BDA0004209275980000021
其中：PB表示混合风门的位置，Th表示加热器芯温度，Tc表示蒸发器温度，Td为空调温度。
一种基于座舱热舒适性的暖通空调系统，包括进气风门、空气滤芯、鼓风机、蒸发器、混合风门、加热器芯、面板风门、控制台风门、地板风门和除霜除雾风门；沿暖通空调系统进气方向，暖通空调系统通道内依次设置进气风门、空气滤芯、鼓风机和蒸发器，进气风门设置在空气入口处，用于控制外界空气或内循环空气的流入；蒸发器后面的通道分为两支路，且在两支路口处设置混合风门，一条支路内设置加热器芯；两支路汇合后的通道上设有面板风门、控制台风门、地板风门和除霜除雾风门。
本发明的有益效果为：
(1)本发明控制方法由空调空气流量与空调温度的组合选择暖通空调的操作模式，空调空气流量与空调温度的组合根据实际使用环境进行调整空调空气流量或空调温度，且在不同的操作模式下，控制相应的风门打开，结合对混合风门位置进行控制，保证座舱内的舒适性，提高整车的能源利用率，降低外部环境对车内热环境的影响；
(2)本发明控制方法根据座舱热舒适度或目标温度计算暖通空调工作量，电动汽车在主动模式下，通过目标温度确定暖通空调工作量，电动汽车在被动模式下，通过热舒适度确定暖通空调工作量，能够满足电动汽车不同工作模式的需求。
附图说明
图1为本发明所述暖通空调系统的空气处理系统结构示意图；
图2为本发明所述暖通空调系统的硬件控制器结构示意图；
图3为本发明所述暖通空调系统的控制方法流程图；
图4为本发明所述空调风量与温度的选择示意图；
图中：100-空气处理系统，101-进气风门，102-空气滤芯，103-鼓风机，104-蒸发器，105-混合风门，106-加热器芯，107-面板风门，108-控制台风门，109-地板风门，110-除霜除雾风门，200-硬件控制器，201-输入接口A，203-输入接口B，204-输入接口C，205-输入接口D，206-输入接口E。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。
如图1所示，本发明暖通空调系统的空气处理系统100包括进气风门101、空气滤芯102、鼓风机103、蒸发器104、混合风门105、加热器芯106、面板风门107、控制台风门108、地板风门109和除霜除雾风门110。沿暖通空调系统进气方向，暖通空调系统通道内依次设置进气风门101、空气滤芯102、鼓风机103和蒸发器104，进气风门101设置在空气入口处，用于控制外界空气或内循环空气的流入；蒸发器104后面的通道分为两路，且在两支路口处设置混合风门105，一条支路内设置加热器芯106；两支路汇合后的通道上设有面板风门107、控制台风门108、地板风门109和除霜除雾风门110。
其中，进气风门101、面板风门107、控制台风门108、地板风门109和除霜除雾风门110均为真空风门，由真空电机、真空阀等进行控制，可实现真空、部分真空和无真空状态，其作用为控制空气流向，具体的控制方式为现有技术，在此不再赘述；空气滤芯102为一般空气滤芯，其作用为过滤外界空气或内循环空气中的杂质；鼓风机103可以是不同类型的电动鼓风机，其作用为控制空调气流的大小；蒸发器104为空气侧换热器，提供空气和制冷剂之间的热量交换，对空气进行降温和除湿；混合风门105是由伺服电机控制的风门，其作用为控制流向加热器芯106的空气流量百分比，具体的控制方式为现有技术；加热器芯106为空气侧加热器，为空调气流提供热量。蒸发器104与制冷剂回路连接，加热器芯106与冷却液加热回路连接，蒸发器104和加热器芯106的控制根据实际情况选择，具体为现有技术。
空气处理系统100的工作原理为：外界空气或内循环空气经进气风门101流向空气滤芯102，经空气滤芯102过滤后流向鼓风机103，鼓风机103对空气风速进行调节后，空气流向蒸发器104进行降温与除湿，之后由混合风门105控制，一部分空气流向加热器芯106进行加热，另一部分空气与加热后的气流汇合，由面板风门107、控制台风门108、地板风门109和除霜除雾风门110控制根据操作模式流向不同地方，从而调节温度和气流，最终保持座舱内司机和乘客的舒适度。
如图2所示，硬件控制器200决定空气处理系统100各个执行器的工作状态。硬件控制器200的输入接口A201、输入接口B203、输入接口C204和输入接口D205分别接收由座舱内外传感器所检测到的座舱环境温度信号、太阳辐射强度信号、座舱湿度信号和座舱内温度信号，此外硬件控制器200的输入接口E206接收由驱动程序或驾驶员手动设置的座舱内设定温度信号；硬件控制器200通过控制鼓风机103风速控制空调风速，通过伺服电机控制混合风门105位置进而控制空调温度，通过真空电机控制进气风门101、面板风门107、控制台风门108、地板风门109和除霜除雾风门110开闭控制暖通空调系统的操作模式。
如图3所示，暖通空调系统的控制步骤从硬件控制器200接受多个输入参数开始，如步骤300所示，这些输入参数包括打不限于：座舱内温度、座舱外环境温度、太阳辐射强度、座舱内湿度和座舱内设定温度。
接下来需要计算暖通空调(HVAC)工作量，如步骤301所示，计算暖通空调工作量的策略有两种，一种策略利用热舒适度，另一种策略利用目标温度，电动汽车工作在主动模式下，通过目标温度确定暖通空调工作量，电动汽车工作在被动模式下，通过热舒适度确定暖通空调工作量。
在热舒适度策略中，利用PMV指数对座舱热舒适度进行估计。PMV指数是基于一定环境条件下大多数人舒适度的预测平均投票，它反应的是舒适度的一个度量值，表示当时人体感觉的舒适程度，PMV指数与人体感觉的对应关系如表1所示：
表1PMV指数与人体感觉的对应表
Figure BDA0004209275980000041
Figure BDA0004209275980000051
根据PMV指数与人体感觉的对应关系，设计的PMV指数计算公式如下式：
Figure BDA0004209275980000052
式中，M表示人体新陈代谢率(单位：瓦/平方米，W/m2)；W表示环境功率(单位：瓦/平方米，W/m2)；Pw表示人体周围水蒸气分压力(单位：帕斯卡，Pa)，fcl为人体着装面积系数，Ta为座舱内温度(单位：开尔文，K)，var为空调空气流量(单位：升/分钟，L/min)；
为实现乘员舱最佳热舒适度(PMV为0)，且上式中M和fcl可通过查表获得，var、Ta和Pw由传感器检测获得，因此，暖通空调工作量表示如下：
WPMV＝kW
其中，k为常数，与乘客数量和人体表面积有关，通过实验进行获取。
在目标温度策略中，实现座舱热舒适所需的暖通空调工作量可以根据座舱目标温度确定，目标温度是指在当前座舱外环境温度和太阳辐射强度条件下为车内人员提供舒适的稳定内部温度。该策略控制暖通空调系统工作，使车辆的座舱内温度达到目标温度以及提高舒适度水平并且相应地保持。目标温度确定公式如下：
Tt＝kt1×Te+kt2Qs+kt3×TS+H
式中,Tt表示目标温度，Te为座舱外环境温度，Qs为太阳辐射强度，TS为座舱内设定温度，H为湿度补偿量，该数值由传感器测量的座舱内湿度参数来确定(确定过程为现有技术)，kt1、kt2和kt3为校准常数，通过实验或者仿真获得，kt1、kt2、kt3分别用来补偿座舱外环境温度、太阳辐射强度和座舱内设定温度对目标温度的影响。
在目标温度策略下，实现目标座舱温度所需要的暖通空调工作量由瞬态暖通空调工作量与稳态暖通空调工作量两部分构成，瞬态暖通空调工作量是计算座舱由实际温度转变到目标温度暖通空调所需要的工作量，稳态暖通空调工作量是计算达到目标温度后保持该温度所暖通空调需要的工作量，公式如下：
Wt＝WTransient+WSteadyState
其中，Wt表示在目标温度策略下实现目标座舱温度所需要的暖通空调工作量，WSteadyState表示稳态暖通空调工作量(为固定值)，WTransient表示瞬态暖通空调工作量。
瞬态暖通空调工作量计算公式如下：
WTransient＝Kp×P(Tt-Ta)+KI×I(Tt-Ta)
其中，WTransient表示瞬态暖通空调工作量，P为基于Tt-Ta的线性函数，I为基于Tt-Ta的积分函数，Kp为座舱温度加热或降温的比例系数，KI为积分系数。
比例项Kp×P(Tt-Ta)用于Tt与Ta差值较大时，使得座舱内温度快速到达目标温度的工作量，积分项KI×I(Tt-Ta)用于在Tt与Ta差值不大时，防止座舱内加热或降温速度过快导致远离目标温度时的工作量。
在使用热舒适度或目标温度策略确定所需暖通空调工作量后，下一步是选择空调风量(空调空气流量)和空调温度的组合，以实现所需工作，如图3的步骤302所示，其对应的公式如下所示：
W＝c0×var×(Td-Tt)
其中，W表示暖通空调工作量，该数值既可以是WPMV计算获得的数值，也可以是Wt计算获得的数值；c0为热比容系数，Td为空调出风口温度(即空调温度)。
根据上述公式可以得到var与Td的关系图，如图4所示，该图展示了可能的var与Td的组合。但是空调风量与空调温度的组合的选择会受到一些限制，例如，考虑到空调风速过大会产生噪音，因此应当对空调最高风速进行限制；受蒸发器和加热器芯的限制，空调最高温度应当低于加热器芯最高温度，空调最低温度应当高于蒸发器最低温度等；高环境温度时，高太阳辐射的条件下，座舱内容易产生温度分层，在该种情况下，通过增加空气流量促进车内空气循环从而减少温度分层，为实现这一点，需要增加空调风量，同时调整空调温度以保持舒适度。
在确定空调风量与空调温度的组合后，根据所选定的空调风量与温度选择暖通空调的操作模式，如图3步骤303所示。总体上，暖通空调的操作模式可以分为加热模式、制冷模式、除霜模式和除雾模式四种。同时根据出风口位置的不同还可细分为多种模式，例如：当暖通空调处于加热模式时，此时若空调温度低于23度，则为面板模式，此时使用再循环风，蒸发器104不工作，加热器芯106工作，面板风门107开启；若空调温度低于30度大于23度，则为混合模式，此时使用再循环风，蒸发器104工作，加热器芯106工作，面板风门107开启，控制台风门108开启，地板风门109开启；若空调温度高于30度，则为地板模式，此时使用再循环风，蒸发器104工作，加热器芯106工作，地板风门107开启。当暖通空调处于制冷模式，此时空调温度若高于26度，则为面板模式，使用新风，蒸发器104工作，加热器芯106不工作，面板风门107开启；空调温度若高于15度低于26度，则为混合模式，使用新风，蒸发器104工作，加热器芯106不工作，面板风门107开启；若空调温度低于15度，则为地板模式，使用再循环风，蒸发器104工作，加热器芯106不工作，面板风门107开启，控制台风门108开启，地板风门109开启。当暖通空调处于除雾模式，此时使用新风，蒸发器104工作，加热器芯106不工作，除霜除雾风门110打开。当暖通空调处于除霜模式，此时使用新风，蒸发器104工作，加热器芯106工作，除霜除雾风门110打开。
在完成暖通空调操作模式的选择和确定出风口的位置后，下一步确定混合风门105的位置，确定冷风和热风的比例，以满足座舱内舒适性的温度要求；空调温度主要由混合风门位置、蒸发器温度和加热器芯温度确定，由伺服电机根据映射关系对混合风门105位置进行控制，其映射关系公式如下所示：
Figure BDA0004209275980000071
其中，PB表示混合风门的位置，0％表示完全制冷，100％表示完全加热，Th表示加热器芯温度，Tc表示蒸发器温度。
最终，暖通空调系统由硬件控制器200根据操作模式和所需的温度控制各个风门，以实现所需的座舱热舒适性。
所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于座舱热舒适性的暖通空调系统的控制方法，其特征在于：
硬件控制器根据座舱热舒适度或目标温度，计算暖通空调工作量；
基于暖通空调工作量，选择空调空气流量与空调温度的组合；
根据空调空气流量与空调温度的组合选择暖通空调的操作模式，在不同的操作模式下，控制相应风门打开；
依据映射关系确定混合风门位置并进行控制。
2.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，由座舱热舒适度计算暖通空调工作量的表达式为：WPMV＝kW，其中：WPMV表示在热舒适度策略下的暖通空调工作量，k为常数，W表示环境功率，且W满足的PMV指数计算公式为：
Figure FDA0004209275940000011
Figure FDA0004209275940000012
Figure FDA0004209275940000013
其中：M表示人体新陈代谢率，Pw表示人体周围水蒸气分压力，fcl为人体着装面积系数，Ta为座舱内温度，var为空调空气流量；
由目标温度计算暖通空调工作量的表达式为：Wt＝WTransient+WSteadyState，其中：Wt表示在目标温度策略下的暖通空调工作量，WSteadyState表示稳态暖通空调工作量，WTransient表示瞬态暖通空调工作量，且WTransient＝Kp×P(Tt-Ta)+KI×I(Tt-Ta)，Kp为座舱温度加热或降温的比例系数，KI为积分系数，P为线性函数，I为积分函数，Tt表示目标温度，且Tt＝kt1×Te+kt2Qs+kt3×TS+H，其中：Te为座舱外环境温度，Qs为太阳辐射强度，TS为座舱内设定温度，H为湿度补偿量，kt1、kt2和kt3为校准常数。
3.根据权利要求2所述的控制方法，其特征在于，所述空调空气流量与空调温度的组合，满足如下公式：
W＝c0×var×(Td-Tt)
其中，W表示暖通空调工作量，Td为空调温度，var为空调空气流量，c0为热比容系数。
4.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述操作模式包括加热模式、制冷模式、除霜模式和除雾模式。
5.根据权利要求4所述的控制方法，其特征在于，处于加热模式时，若空调温度低于23℃，则为面板模式，此时使用再循环风，蒸发器(104)不工作，加热器芯(106)工作，面板风门(107)开启；若空调温度低于30℃大于23℃，则为混合模式，此时使用再循环风，蒸发器(104)工作，加热器芯(106)工作，面板风门(107)开启，控制台风门(108)开启，地板风门(109)开启；若空调温度高于30℃，则为地板模式，此时使用再循环风，蒸发器(104)工作，加热器芯(106)工作，地板风门(107)开启。
6.根据权利要求4所述的控制方法，其特征在于，处于制冷模式时，若空调温度高于26℃，则为面板模式，使用新风，蒸发器(104)工作，加热器芯(106)不工作，面板风门(107)开启；若空调温度高于15℃低于26℃，则为混合模式，使用新风，蒸发器(104)工作，加热器芯(106)不工作，面板风门(107)开启；若空调温度低于15℃，则为地板模式，使用再循环风，蒸发器(104)工作，加热器芯(106)不工作，面板风门(107)开启，控制台风门(108)开启，地板风门(109)开启。
7.根据权利要求4所述的控制方法，其特征在于，处于除雾模式时，使用新风，蒸发器(104)工作，加热器芯(106)不工作，除霜除雾风门(110)打开。
8.根据权利要求4所述的控制方法，其特征在于，处于除霜模式时，使用新风，蒸发器(104)工作，加热器芯(106)工作，除霜除雾风门(110)打开。
9.根据权利要求2所述的控制方法，其特征在于，所述映射关系为：
Figure FDA0004209275940000021
其中：PB表示混合风门的位置，Th表示加热器芯温度，Tc表示蒸发器温度，Td为空调温度。
10.一种实现权利要求1-9任一项所述的控制方法的暖通空调系统，其特征在于，包括进气风门(101)、空气滤芯(102)、鼓风机(103)、蒸发器(104)、混合风门(105)、加热器芯(106)、面板风门(107)、控制台风门(108)、地板风门(109)和除霜除雾风门(110)；沿暖通空调系统进气方向，暖通空调系统通道内依次设置进气风门(101)、空气滤芯(102)、鼓风机(103)和蒸发器(104)，进气风门(101)设置在空气入口处，用于控制外界空气或内循环空气的流入；蒸发器(104)后面的通道分为两支路，且在两支路口处设置混合风门(105)，一条支路内设置加热器芯(106)；两支路汇合后的通道上设有面板风门(107)、控制台风门(108)、地板风门(109)和除霜除雾风门(110)。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN119142105A (zh) * 2024-11-11 2024-12-17 华东交通大学 一种新能源汽车空调控制方法

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