基于拟合因子的汽车自动空调控制策略

李江明，徐彪，孙权，杨茜

（东风本田汽车有限公司，湖北武汉430056）

基于拟合因子的汽车自动空调控制策略

李江明*，徐彪，孙权，杨茜

（东风本田汽车有限公司，湖北武汉430056）

汽车空调因其自身系统的非线性和人体感觉的不确定性，很难通过精确数学建模实现自动控制。针对目前文献中汽车自动空调控制方法存在的不足，本文提出了一种基于拟合因子的自动空调控制策略。实践证明，应用该策略的空调系统性能稳定，能保持与理想温度误差1 ℃内的自动控制。同时该策略易于实现和定制，具有较强的通用性。

汽车空调；拟合因子；自动控制

0 引言

随着人们对汽车的舒适性要求越来越高，汽车空调作为舒适性的关键功能件，其性能直接影响着用户体验，是评价整车舒适性的重要因素[1]。自动空调通过对乘客的设定温度和传感器采样到的车内温度、环境温度、阳光强度、蒸发器温度进行特定的计算方式，算出车内的控制温度信息（制冷量和制热量的需求信息)，来确定模式风门、温度风门、鼓风机风速、内外循环的控制，从而达到控制车内温度的需求[2]。目前国内学者在自动空调控制方面已有大量研究，李睿钦等[3]、张义等[4]将增量式PID算法应用在汽车自动空调控制中，同时指出系统本身输入条件的复杂性使得PID参数整定将很麻烦，可能导致控制效果不佳，鉴于此将诸如模糊和神经网络等融入参数整定中，实现在线调整PID参数，一定程度上增强了控制的适应性，但也增加了求解器的复杂程度。江志斌等[5]、JIANG等[6]分析了模糊控制方法，用车内温度设定值与实际温度之间的温差E及E的变化率EC作为输入量控制各输出。然而模糊控制主要依赖模拟人的经验判断，其控制精度不高，存在稳态误差[7]，且会由于系统迟滞，需要较长时间才能实现温度的稳定。吴宝志等[8]利用 BP网络强大的数据拟合能力，从乘客实际需求数据反向推导各控制参数，但若直接使用BP网络作为核心算法拟合输出量控制参数，则训练样本的信息采集量巨大。

本文从能量平衡的角度出发，提出了一种基于拟合因子的自动空调控制策略，用各传感器值拟合热负荷表征量TAO（Target Output，目标吹出温度），以此为各执行器件的控制基础，结合各自的校正补偿，实现出风口温度、风量和新鲜空气/再循环空气之间切换的自动调节，系统稳定点精确，通过迟滞环和开关量等局部逻辑，可实现较快的稳定速度。

1 系统组成

一般来说，汽车自动空调系统包括三种部件：控制器、传感器、执行器。与传统手动空调不同，自动空调系统中风门类控制电机单元和鼓风机控制回路应均具备状态反馈和多级（或无级）控制，其中风门类控制电机多为内含电位测量回路，鼓风机常用控制为场效应晶体管电压或PWM方式[9-10]。典型的自动空调系统框图如图1所示，其中控制器的主要功能为接收用户操作和各传感器信号输入，经过操作时序合理性判断和D/A去噪等处理后，结合自动空调控制算法输出各执行部件的控制信号（不同车型间对硬线和CAN线的选择上可能会有区别）。

图1 典型汽车自动空调系统

2 拟合因子

拟合因子就是将各传感器的接收值拟合成一个基本索引参数，作为系统的控制依据，该指标应满足3个条件：

1）和温度调节、风量大小及出风模式产生直接关联；

2）满足用户的感官评价需求；

3）能准确测量与标定。

从用户角度考虑，脸部能最直观反应出风量，但脸部感知温度会受气流反射和阳光辐射影响而难以控制[11]，控制系统最重要的是找到准确的控制点。综合上述因素，本文通过对大量不同系自动空调产品的调查分析和试验验证，提出以目标吹出温度（以下简称为TAO）作为基本控制因子。

2.1 目标吹出温度定义

汽车空调工作环境复杂，但对整车热负荷影响较大的输入量主要包括：内外温差产生的热传导，太阳光辐射导热，结合传感器采集对象和能量平衡考虑，将目标吹出温度计算公式做如下定义：

式中：

Tset——设定温度，℃；

Tr——室温，℃；

Tam——环境温度，℃；

Tsun——日照量；

K值——各系数；

C——常数。

在公式(1)中，Kset×Tset代表用户需要的空调制冷采暖能力大小；Kr×Tr是针对车内乘客人数和阳光入射角不同影响车内温度的调整能量；Ksun×Tsun和Kam×Tam项产生的能量很直接，影响也比较大，并且会随车型不同和材质不同而改变，同时综合环境温度和日照量能够改善控制的滞后性；C表示初始值。

2.2 参数标定

为了满足自动空调的控制准确性，对目标吹出温度公式中的各参数标定提出了较高的要求。首先须保证试验结果满足人体舒适性指标，通过人为调整，使试验数据均为期望目标[12]，为后续标定提供有效样本，通过上述拟合对象定义可知该样本采集系列包括车外温度扫描数据、车内温度扫描数据、乘客设定温度扫描数据、内外循环风门比例扫描数据和阳光强度扫描数据。本文采用了日本横河数据采集系统MX100，在整车环模试验室中进行热电偶布置、接线、模拟工况及相应的数据采集。MX100数据采集系统硬件部分和车内各布点处k型热电偶连接如图2所示。

目前比较常用的参数标定方法为间接计算、回归分析。其中间接计算是根据所需标定的参数，将前述试验数据按照既定工况分组记录，采用控制变量方法依次计算。图3列举了一组设定温度25 ℃，外气温度从-10 ℃到40 ℃，日照量取0 W/m2和767 W/m2时对内气温和目标吹出温度的记录示意，说明Kr、Ksun、Kam的计算思路，同理其他系数的计算可以另行工况记录。在合理数据量充足的情况下，通过多次取点计算求均值，可实现较高准确性的参数标定，适用于新车开发的初期。

图2 采集硬件与热电偶连接

图3 K值计算示意

回归分析在基于Base车型变更、仅需要调整部分系数时非常方便，基本思路是先将等式两边整理成一阶线性方程，再输入试验数据进行拟合。现行空调控制器产品多为嵌入式系统，硬件资源有限，为了提高应用层算法的计算效率，一般需要对非线性函数进行查表化处理[13-14]，并且尽量将浮点数转化为整形数，这些在Matlab中均可通过函数指令直接完成，这里不作赘述。

3 基于TAO的控制策略

随着各种传感器技术的应用，汽车空调控制系统得以逐渐扩展，但均是在基本功能上进行延伸。本文主要介绍与TAO值关联的自动空调四大核心控制功能：吹出温度控制、风量控制、出风模式控制和内外气控制，其他附加修正可以根据自身需求追加定制。

3.1 吹出温度控制

空调箱体内的蒸发器和加热芯体分别完成对进入空气的冷却、加热功能，吹出温度的主要控制机制是通过调节空气混合风门开度改变冷热空气的混合比，实现对吹出空气温度的控制，其中混合风门的开度也是通过TAO，发动机冷却液温度(Th)，及蒸发器温度(Te)实时计算得出。

出风温度介于低温侧蒸发器温度和高温侧发动机冷却液温度之间，当为最大冷却时，空气混合控制门开度设定在0%，当为最大加热时，空气混合控制门开度设定在100%，故可将混合风门开度（AMD）和出风温度上下限进行线性拟合如下：

式中，αmode、αis、αhum分别为出风模式、怠速起停、湿度修正。混合风门开度控制示意如图4所示。

图4 混合风门开度控制示意

3.2 风量计算

从吹出温度控制原理可知，目标吹出温度的变化范围不能低于低温侧蒸发器的温度，也不能高于高温侧发动机冷却液的温度，并且当所需吹出温度超过一定范围后，系统所需制冷/采暖负荷增大，则需要增加风量的支持。除了基于目标吹出温度的基本风量控制方法外，还包括其它各种修正逻辑，主要有预热控制、冷却控制、光照补偿[15]，其它诸如Idle Stop、ECON模式和车载电话静音等对应修正策略需主机厂按照整车配置与性能评价制定。电子控制单元计算出最佳风量并将其转化为对应信号输送到鼓风机回路，这里整个过程如图5所示(图中VF指鼓风机电压，这里以电压控制为例)。

1） 根据TAO的VF计算值

由于除霜模式下对风量的要求是强制性的，故除霜模式需单独控制，其他4种基本模式趋势大体相近，均为在TAO高于或低于一定值后增加风量进行采暖/制冷补偿。但采暖/制冷能力还需考虑实际系统中冷凝器、蒸发器和加热芯体的性能和发动机工况，不能简单认为随风量大小线性增长，需要单独标定，图6所示为一典型控制曲线。

图5 风量计算流程

图6 风量控制曲线(基于TAO)

2） 日照强度影响的修正计算

当实际出风模式为VENT或B/L时，为了抑制光照对人体感官的恶化，鼓风机的最小风量需要补偿，光照强烈时鼓风机速度就提高。图7为计算日照补正电压值VFsun，以适当提高最小风量。

图7 日照强度影响的修正计算

3） 冷却启动延时控制

夏季外气温度较高，乘客如果在车辆发动不久或刚刚从其他停止状态启动AC时，出风口模式为VENT或B/L，则容易吹出热风，导致不适感；为此应该保证风在蒸发器冷到足够程度时才吹出。通常进行延时控制，先判断蒸发器温度是否大于30 ℃比较，若为真则鼓风电机切断 4 s使蒸发器冷却下来，此时VF=0 V；蒸发器温度小于30 ℃时，再将鼓风机在低速运行2 s，之后以0.5 V/s上升至鼓风机稳态电压（VFnorm），整个过程如图8所示。

图8 冷却启动流程

4） 发动机水温补正

在冬季，当发动机刚刚启动后，发动机冷却液还没有热。若此时乘客有采暖需求(如HEAT、H/D模式)，直接打开鼓风机送气，将会吹出冷风，因此根据发动机冷却液温度的增加，风量首先从零开始，并逐渐增加，避免任何不适的感觉。通常，当天气较冷，出风模式位于HEAT或H/D时，鼓风电机关闭，随着冷却液温度（由水温传感器检测）的升高，风量也逐渐增加，具体控制过程如下。

a)判断出风模式是否为HEAT或H/D；

b)判断发动机水温（TW）大小，当TW≤45℃时，VFtw=0 V，否则VFtw=VFlow；当TW≥55℃时，VFtw=VFnorm；当45℃＜TW＜55℃时，计算公式如下：

3.3 出风模式控制

出风模式的自动切换主要根据需要的出风口温度计算并控制。当TAO判断为冷却乘员舱时，出风口模式切换到VENT，对中间环境，切换到B/L，当TAO判断为采暖时，切换到HEAT或H/D。除此之外还需加入光照修正，考虑到光照对制冷和采暖的影响，修正策略是升高VENT切换温度和HEAT切换温度，实际控制逻辑如图9所示。DEF模式属于主观操作，不在自动控制内（图中○指上电时状态，下同）。

图9 出风模式控制逻辑

3.4 内外气控制

内外气控制主要是根据需要的出风口温度TAO计算风门目标开度，从而进行自动调节。通常情况下进气为外气模式，即吸入新鲜空气，但当乘客有较强制冷需求时，使用内循环模式使冷却更快，之后随TAO升高，模式逐渐切换至外循环。

图10 内外气控制逻辑

4 实际控制效果检证

本文提出的基于拟合因子TAO的汽车自动空调控制策略在量产车型上得到了验证。实验验证表明，应用本控制策略的空调系统在人体舒适性方面表现良好。图11给出了某款车型的自动控制-外温负荷性能实验结果，其中前排平均温区和前排脚部温度曲线为人体舒适性评价区域，可以看出所有测点值均满足要求。

表1 试验条件

图11 自动控制-外温负荷性能实验结果

5 结论

本文介绍了一种基于拟合因子的汽车自动空调控制策略，详细说明了拟合对象、拟合方法及基于该参数的吹出温度控制、风量计算、出风模式控制和内外气控制的相关方法和依据。通过某款量产车型的自动控制试验数据，说明了该套控制方法稳定可靠，符合人体舒适性要求。提出的汽车空调自动控制策略易于实现，可对于不同车型进行标定和定制，有很强通用性和推广价值。

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Control Strategy for Automobile Automatic Air Conditioner Based on Fitting Factor

LI Jiangming*, XU Biao, SUN Quan, YANG Qian
(Dongfeng Honda Automobile Co., Ltd., Wuhan, Hubei 430056, China)

Precise mathematical modeling can hardly realize for automobile air conditioning system, due to the nonlinearity of the system and the uncertainty of human sensation. Considering the deficiency of current method for the control strategy for automobile automatic air conditioner, a control strategy for automatic air conditioner based on fitting factor is proposed. Practice has proved that the application of this strategy performs stably and can maintain automatic control with an accuracy of 1oC. Moreover, the proposed strategy is easy to be realized and customized, and has strong generality.

Automobile air conditioning; Fitting factor; Automatic control

10.3969/j.issn.2095-4468.2017.05.203

*李江明（1988-），男，工程师，硕士。研究方向：汽车空调系统。联系地址：武汉市沌口经济开发区车城东路88号，邮编：430056。联系电话：027-84308251。E-mail：lijiangming@wdhac.com.cn。