汽车自动空调系统压缩机变温控制方法
摘要：自动控制空调系统，其优势在于根据制冷（或采暖）需求，实时地对车内环境状况进行反馈，空调系统根据各项反馈信息，实时对空调系统的输出进行调节，以实现最快的降温或升温速率，以及在空气环境趋于平衡后，以更小的功耗，更稳定的输出，保证乘员舱内的温度及湿度的平衡。而本文所讨论的“变温式自动空调系统控制方式”所要解决的技术问题是：提供一种温度控制逻辑方法, 在传统空调系统的基础上不增加任何成本，仅通过控制手段实现更节能的温度控制，避免压缩机的过量制冷，减少压缩机通断次数，在制冷充足时，提高蒸发器表面的温度，而非用热风去混合冷风，从而降低汽车空调系统在无需满负荷工作工况下的油耗浪费。
引言
随着人们对生活品质的要求日渐提高，人们对所处空间的环境质量要求，也不断提高，所处环境的温度、湿度、清洁度、气流速度等都提出了更高的要求，为满足用户对空气环境的更高要求，传统的手动控制空调系统，已经越来越无法满足用户的舒适性要求。
汽车空调行业在上世纪七十年代，开始研究自动控制空调系统，但由于电子行业也处在萌芽期，直至上世纪末，本世纪初，自动控制空调系统才随着网络控制技术的发展，有了长足进步。
时至今日，空调系统的自动控制技术已经日渐成熟，而且较主流的输出温度控制方式有两种：
1.调节混合风门开度，将冷热两种温度的出风按照需求比例进行混合，输出一个适宜的出风温度。这种做法是使用较广，是直接由手动空调系统增加传感器及控制器即可实现的一种自动控制方式。
2. 使用可自动调节压缩机排量的变排量压缩机。
然而以上两种自动温度控制方式都存在其无法避免的弊端———如自动控制混合风门开度的方式，所产生的功耗浪费，再如变排量压缩机的方式造成的成本上升。
而本文所讨论的是一种新型的控制方式，既不采用控制混合风门开度的方式，也不使用变排量压缩机的情况下直接调节蒸发器表面温度，从而实现合适的出风温度的空调系统控制方式。
1 自动空调系统布置
目前汽车自动空调系统主流的布置方式：发动机舱内装有压缩机、室外温度传感器和水温传感器，乘客舱内装有阳光强度传感器、空调控制器、室内温度传感器和蒸发器温度传感器。压缩机、室外温度传感器、水温传感器、阳光强度传感器、室内温度传感器和蒸发器温度传感器均与空调控制器进行数据传输，由空调控制器处理相关信号并根据运算结果输出执行动作指令。
2. 主流的两种输出温度控制方式及其特点简述
如上面所说，目前空调系统主流的自动控方式，行业内主要有两种：自动控制混合风门开度的方式和变排量压缩机调节方式。
2.1 自动控制混合风门开度的方式
“自动控制混合风门开度的方式”是采用混合风门将蒸发器侧的冷风与暖风芯体侧的暖风混合，输出一个折中的温度。该控制方式的缺陷如下：
1. 压缩机频繁通断对发动机输出功率稳定性有较大影响。
2. 持续工作在过量制冷状态，为抵消强力制冷造成的过低空调出风温度，需要将暖风与之混合，实际上造成了较大的功率浪费。
3. 自动空调的温度控制风门需要在使用过程中不断调整，对其耐久性能要求非常高，电机故障率较高。
2.2 变排量压缩机调节方式
“变排量压缩机调节方式”是通过变排量压缩机的排量变化控制，实现制冷量输出的变化。其问题主要体现在变排量压缩机的成本较高，对于未搭载自动控制空调系统的基础车型，很难进行自动化系统改造。
3 变温控制方式特点简述
“变温控制方式”所要解决的技术问题是：提供一种温度控制逻辑计算方法，在传统空调系统的基础上不增加任何成本，仅通过对压缩机的控制手段，实现更节能的温度控制，避免压缩机长期工作在低效的过量制冷区间，减少压缩机通断次数，在制冷充足时，通过适当提高蒸发器表面温度传感器所读取的压缩机切断温度，来实现适当提高蒸发器表面温度的目的，而并非像传统自动空调出风控制方法一样，用热风去混合冷风，从而降低汽车空调系统在无需满负荷工作工况下的油耗浪费。
其核心在于根据用户需求的空调系统设定温度和当前环境状况参数及当前空调系统制冷情况，将传统空调系统设定的一个固定的压缩机切断温度值，替换为一条随设定温度变化的切断温度曲线，根据设定温度的不同，选择不同的压缩机切断温度点，从而实现在成本不变的情况下，降低空调系统多余能耗的目的。
4 变温控制方式的控制逻辑简述
4.1 控制输入
为实现上述“低成本，高性能、降能耗”的目的，采取以下变温控制压缩机切断点的技术方案。其主要的信号输入如下：
由室外温度传感器读取室外温度；
由室内温度传感器读取室内温度；
由阳光强度传感器读取阳光强度；
蒸发器温度传感器读取蒸发器表面温度；
由整车总线网络提供发动机水温、车速等发动机及整车信号，以备后续标定时进行相应补偿。
4.2 控制算法
控制系统计算的核心算法如下：
4.2.1 计算调节温度值 TAO
“调节温度值 TAO”反映的是空调的“设定温度 TSET”与各类环境参数之间的差值，其直接反映的是制冷或采暖需求；
其公式如下：
4.2.2 主要执行工况与 TAO 逻辑关系简述
根据空调控制器设定的“设定温度 TSET”需求以及“室内温度 TR”来确定“输出温度”，判断空调系统是否需要制冷，“室外温度 TAM”及“太阳辐射强度等效温度 TS”项，主要功能是对 TAO 进行外温补偿及阳光补偿，TAO 值为正值时，证明设置温度高于室内温度，加大采暖量或减少制冷量，TAO 值为负值时，证明设置温度低于室内温度，需减少采暖量或加大制冷量，具体需进行采暖还是制冷，需根据“室外温度 TAM”进行判断。
制冷或采暖的强度取决于 TAO 的绝对值|TAO|，该数值越大，说明当前车内温度与设定温度偏差越大，需加强制冷或采暖，|TAO|越小，甚至接近 0 时，证明当前空调输出状态与车辆所处环境基本实现热平衡，无需加大制冷量或采暖量。
4.2.3 非制冷工况下计算混合风门开度 SW
若空调系统判断，当前状态不需进行制冷则关闭压缩机，将调“调节温度值 TAO”带入公式（2）中计算出一个“混合风门开度的百分比”，由风门控制暖风和新风的混合比例，实现实际输出温度；
U：温度调节系数，无量纲，取值位于 0~1 之间，U=0 表示降温需求最大，U=1 表示升温需求最大；
SW：混合风门开度的百分比，在非制冷工况下混合风门不锁定，温度调节是通过混合风门将空调系统进风和暖风混合获得，混合风门开度与温度调节系数为百分数关系；
TE：蒸发器表面温度传感器读取温度（由于当前状态压缩机未工作，该传感器实际读出的是，空调箱外进风或内循环空气温度值）；
A、B、C：需要各类车型标定的温度参数，其中 A、B、C 为常数单位为益，取值范围位于 0~2益之间，取值保留两位小数。
4.2.4 制冷工况下计算“控制温度区间”
若空调系统判断，当前状态需要进行制冷，则锁定风门运动至最大制冷位置,将调“温度调节系数 U”代入公式（4）及公式（5）中，计算出压缩机的“切断温度 TL”和“吸合温度 TH”，并根据温度需求调整“切断温度 TL”，在某个“设定温度 TSET”情况下，“切断温度 TL”和“吸合温度 TH”这两个温度之间的温度的范围即为“控制温度区间 m”，通过该“控制温度区间 m”进行压缩机通断控制：
m：控制温度区间，即传统控制逻辑规定的工作温差，单位为益，通常设置在 2.5益左右，取值保留一位小数，该数值也需在每一个“设定温度 TSET”下标定确定，标定原则简单描述为：在制冷工况下，即混合风门开度为 0 时，能够使呼吸点温度以下降的趋势达到设定温度，在且压缩机吸合和切断时间间隔在 5s 以上，并在保证呼吸点温度波动小于 0.5益的情况下，尽量延长压缩机吸合和切断时间间隔。
4.2.5 计算“控制温度区间曲线”
在制冷工况下，根据以上 4.2.5 计算方法，通过各类车型标定，在 17.5益~27.5益的环境温度下，按每 0.5益为一个工况，计算得出每个工况下的压缩机工作温度区间，拟合出压缩机通断温度随设定温度变化的对应工作曲线即为“控制温度区间曲线”，示例如图 1，该曲线为本控制方法的核心信息，通过该“控制温度区间曲线”进行压缩机通断控制，从而实现对空调系统制冷性能的优化控制。
图1 压缩机工作温度区间曲线示例
4.2.6 主要概念说明
“控制温度区间 m”指的是图 3 中，每一个“设定温度 TSET”下，“切断温度 TL”和“吸合温度 TH”之间的温度范围。
“切断温度曲线”指的是制冷工况下，压缩机“切断温度 TL”随“设定温度 TSET”变化的曲线。“切断温度 TL”最低设定值是在空调系统不结霜的情况下，尽可能选取的压缩机最低切断温度值，最高设定值由标定试验确定，通常要求不得高于 10C
“吸合温度曲线”指的是制冷工况下，压缩机“吸和温度 TH”随“设定温度 TSET”变化的曲线，该曲线为将“切断温度曲线”上移形成的一条曲线，上移的温度为“控制温度区间 m”。
“控制温度区间曲线”为“切断温度曲线”与“吸合温度曲线”共同实现的随“设定温度 TSET”变化对压缩机的通断进行控制的一条温度曲线。
变温控制空调系统，能使压缩机的通断温度控制在一个随制冷需求变化的“控制温度区间 m”内，压缩机的过量制冷可以被避免，可以大幅降低部分工况的油耗。减少压缩机通断次数，制冷足够时，提高冷风的温度，而非用热风去混合冷风，降低能耗。在传统空调系统的基础上不增加任何成本，仅通过控制实现一种更节能的温度控制方式。
5 技术应用
5.1 传统控制逻辑温度输出结果
图 2 为在使用传统控制逻辑调节后的各输出温度曲线。从曲线中能够看出，空调系统最终输出的温度是低温的蒸发器将空调进气的温度先降低后再通过暖风芯体加热，最终得出的混合温度风。
图2 传统控制逻辑调节后的输出温度曲线
5.2 变温控制逻辑温度输出结果
图 3 是更换变温控制空调系统后该车型的温度输出曲线，经对比可以看出，并没有“暖风芯体温度曲线”，原因并非是因为暖风芯体无温度，而是因为该控制逻辑下，混合风门始终锁定在最冷位置，未将暖风芯体表面热量混进出风中，因此也不存在“冷暖混合后的温度曲线”，而是直接由“控制温度区间曲线”控制的压缩机进行适当通断，以保证蒸发器表面不会出现一个过冷的温度，只是对空调箱内的进风适当降温，从而达到一个合适的输出温度。这样做便省去了将空气冷却再混合热风加热的过程，比原控制逻辑更加节能。
图3 变温控制空调系统后的温度输出曲线
6 结束语
变温控制空调系统的出风调节方式为控制压缩机的工作温度区间使蒸发器表面温度平稳输出一个近似需求温度的温度。而这整个过程，混合风门是固定最冷位置的，无暖风的混合。避免了压缩机的过量制冷，减少了压缩机通断次数，在制冷足够时，提高冷风的温度，而非用热风去混合冷风，降低了温度调节的能耗，同时也降低了汽车空调系统在无需满负荷工作工况下的油耗浪费。
作者：胡珂
单位：北汽集团江西昌河汽车有限责任公司
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