汽车空调系统的设计与优化

汽车空调系统的设计与优化

吴磊,刘存斌

长城汽车股份有限公司 河北保定  071000

摘要：随着空气污染的加剧，城市道路的拥堵，疫情的反复及人民自身健康意识的不断提高，人们对车内外污染物的关注度不断提高，车载健康空调技术应运而生。本文将对汽车空调制冷系统的组成及其工作原理、空调制冷性能的检测做个简单的介绍。

关键词：汽车空调；设计；优化措施

中图分类号：U463   文献标识码：A

引言

车载健康空调是在汽车空调基础上搭载先进的车载传感器、空调净化器、香氛系统等装置，并融合云端大数据和控制算法，实现车内外空气品质的检测与净化，保证车内空气品质和健康环境的技术方案。车载健康空调的发展来源于两个方面：一方面汽车产业正朝着电气化、新能源化的方向快速发展，越来越多的新功能应用到车辆中，整车的智能、健康越发受到消费者的关注；另一方面，伴随着空气污染问题的加剧、新冠疫情的发生，车内空气品质日益成为了用户关注的焦点。人们对于车内空气健康、清洁的需求促使着车载健康空调技术的进一步发展。

1 汽车空调运行原理

汽车空调是以冷媒（一般为R12或R134a）为制冷介质的一个循环系统，通过压缩体积后迅速膨胀需要吸收大量热量，从而起到制冷效果。在制冷系统工作时，冷媒会在密封的系统管路中以不同的物理装态不停的进行内循环，每一次的内循环将由四个行程完成。压缩行程：由压缩机完成，将蒸发器内排出的低温低压的冷媒气体吸入，进行压缩，变成高温高压（约80℃）的冷媒气体排入冷凝器。散热行程：由冷凝器完成，从压缩机排出的高温高压的冷媒气体会进入冷凝器，由于冷凝器内的温度和压力都有所降低，所以冷媒会进行冷凝。冷凝过程中会放出大量的热量，冷媒变为高压中温的液体形式。节流行程：由膨胀阀完成，从储液干燥罐中过滤后的高温高压冷媒液体，通过膨胀阀进行膨胀，温度会迅速降低，冷媒会以低温低压雾状的液态形式排出。吸热行程：由蒸发箱完成，通过膨胀阀排出的低温低压雾状的液体冷媒，此时在蒸发箱中，它的沸点远低于蒸发箱温度，所以冷媒会进行汽化的。汽化过程中会吸收周围大量的热量，冷媒变为低温低压的气体形式。此时在蒸发箱前加上一个鼓风机，就能使汽化过程中产生的冷气吹出，达到制冷的效果。

2 汽车空调系统设计

2.1 软件整体设计

软件分为主循环、速度外环和电流内环三部分。由于速度外环使用专家系统模糊PID对中央处理器（Central Processing Unit,CPU）处理速度要求高，因此，将速度外环放到XGATE协同处理器中执行，而电流内环在S12X中正常运行。主循环当中的首先初始化IO（Input/Output）口、定时器1和定时器2、CAN通讯、模拟信号（Analogsignal / Digitalsignal,A/D）采集、脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation,PMW）通道和XGATE，之后启动AD采集功能采集Ia，Ib和母线电压等模拟量。之后，解析CAN总线上发来的报文，更新鼓风机的运动状态。当解析完CAN报文后更新后将系统当前基本信息发送到CAN总线上，后判断故障，如果没有继续回到主循环第三步，如故障则停止鼓风机工作，并将故障信息发送CAN总线上。定时器2转速外环控制20ms执行一次，其中断在XGATE中运行。XGATE发生中断时，首先判断是CAN通讯接收中断还是电流环中断，运行程序保持单片机程序不跑飞，在程序运行完后检测CAN通讯是否正常，如果不正常，则停止鼓风机转动报警提醒驾驶员并退出中断；如果通讯正常判断是否达到10ms，如果没有达到10ms，通过霍尔传感器计算当前电机转速，将转速值与目标值做差通过专家PID确定哪种PID比较适合，再通过转速误差与转速变化率通过模糊控制器得到相应Kp、Ki和Kd，最终输出目标Iq值。

2.2 通风功能设计

降窗通风的应用场景是在夏天车辆长期暴露在阳光下后，车辆内部温度会非常高，用户可以在上车之前进行通风操作来降低车内温度，提高驾乘舒适性。在整车锁车的情况下，用户通过长按钥匙解锁来唤醒空调，在符合运行条件的情况下，空调切换外循环，开启鼓风机进行通风换气，并在用户上车后停止。通风干燥的应用场景是在用户下车后，空调系统内部的空气可能会因潮湿而发生霉变，继而需要空调进行自干燥以规避这种情况。在用户离开后，空调并不立即进入睡眠状态，在整车电量允许的条件下开启外循环和鼓风机，对空调系统进一步进行干燥。

2.3 声场仿真

对流场流动模型计算完成后，分析找出风道模型可能存在的问题，随后进行声场仿真计算，寻找汽车空调风道噪声较大的位置。对于湍流引起的宽频噪声，通过雷诺时均方程(reynolds－aver-agednavier－stokesequations，ＲANS)求出湍流参数，然后用半经验修正模型(Proudman噪声源模型、Curle噪声源模型等)计算表面单元噪声功率。由于风道上表面造型较为平滑，下表面结构相对复杂，空气流过时与下表面频繁撞击，产生噪声较大。且噪声分布特点鲜明，在结构突变处噪声大。风道上表面，大噪声主要分布在内部导流板连接处;风道下表面，大噪声主要分布在台阶1、台阶2的结构突变处，以及出风口格栅位置。根据仿真的相关物理量分析可知，现有风道模型存在以下问题:(1)鼓风机出口结构对进风存在阻挡作用，进风量会因此减少，蒸发器芯体利用率低下，系统整体性能受影响较大。(2)由于风道与蒸发器芯体的不匹配，台阶1和台阶2作为中间的连接结构，其存在使得风道截面发生突变，截面突然减少，使得风速增加，且流过的空气受迫产生紊流，紊流与壁面撞击易产生大噪声。(3)A处4个出风口风量不均匀，驾驶舱制冷效果受到较大影响。

2.4 提醒功能设计

滤芯更换提醒实现方法是：在空调系统外循环运行时，车内外环境PM2.5差值、空调运行时间、鼓风机风量、车速的综合计算结果与空调滤芯的有效里程强正相关，由此当空调滤芯寿命接近设计使用寿命时，适时提醒用户进行滤芯更换，保证空调滤芯功能始终有效，为驾乘人员提供良好的驾乘环境。同时避免空调滤芯长期积累导致过滤效果下降和二次污染。生命检测提醒是利用车内CO2传感器和毫米波雷达等检测装备，根据外温、内温、阳光等信号，在用户下车后监测车内是否有生命特征，当车内的CO2浓度达到阈值且雷达检测车内仍留有人员时会启动相应程序来提醒用户，避免儿童遗落在密闭车内的情况。如果用户未做出反馈且车内温度、CO2浓度等指标超过预设值，空调控制器会驱动空调系统进行切换外循环和自动换气等动作，避免车内人员发生危险。

3 结束语

伴随着汽车智能化和用户健康需求的进一步发展，车载健康空调技术也会不断地发展创新。在未来智能驾舱的建设过程中，健康空调将会成为一个重点的方向，有着广阔的发展前景。

参考文献：

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