余明明 黃憲波 袁正 嚴(yán)杰

（廣州汽車集團股份有限公司汽車工程研究院，廣州511434）

主題詞：自動空調(diào)控制性 舒適性 低溫環(huán)境模擬

1 前言

當(dāng)今汽車工業(yè)發(fā)展迅速，汽車產(chǎn)業(yè)已經(jīng)進入了“井噴式”發(fā)展時代。數(shù)據(jù)顯示，全國汽車的保有量，在2019 年底已經(jīng)突破2.6 億輛，私家車的保有量也突破了2 億輛。根據(jù)調(diào)查，人們對汽車性能的關(guān)注不再僅僅局限于動力性和經(jīng)濟性，對于舒適性的要求也越來越高。而當(dāng)前，自動空調(diào)系統(tǒng)雖然越來越多的作為基礎(chǔ)配置應(yīng)用在汽車上，以提升車內(nèi)舒適性，但是實際用車中，真正使用自動空調(diào)的人群卻很少。在整車開發(fā)驗證階段，為保障汽車空調(diào)的采暖和制冷能力，往往會進行整車最大制熱性能和最大制冷性能驗證，而驗證所用的環(huán)境條件、工況曲線、包括空調(diào)模式設(shè)置都是確定的、單一的，汽車最終還是需要作為商品進入用戶生活中去，用戶在實際用車時并不會按照預(yù)設(shè)的“工況”去使用自動空調(diào)。因此，在完成最大性能驗證基礎(chǔ)上，進一步了解用戶實際用車環(huán)境，生理、心理需求，開發(fā)出更懂用戶的智能空調(diào)尤為重要?；谌梭w舒適性的自動空調(diào)控制性評價研究就是以滿足用戶舒適性需求為目標(biāo)，結(jié)合自動空調(diào)控制理論，建立自動空調(diào)控制性的開發(fā)指標(biāo)和參考目標(biāo)值，通過設(shè)計預(yù)防，改善自動空調(diào)的控制性，實現(xiàn)未來汽車車內(nèi)舒適性的提升。

2 人體舒適性理論

ASHRAE（美國采暖、制冷與空調(diào)工程師學(xué)會）將熱舒適定義為：Thermal comfort is defined as that condi?tion of mind in which satisfaction is expressed with the thermal environment[1]。熱舒適表示在環(huán)境中人體保持熱感覺良好的狀態(tài)。而這樣的解釋包含生理和心理雙重因素，當(dāng)人體通過皮膚進行對流換熱、呼吸換熱、輻射換熱、蒸發(fā)換熱等物理換熱形式時，人體生理產(chǎn)生對周圍環(huán)境的冷熱感覺，即熱感覺（如圖1）。如冬天冷、夏天熱等，此類熱感覺最終作用在人體心理上產(chǎn)生對所處環(huán)境的熱舒適體驗，即熱舒適[2]。如舒適度“非常舒適愉悅的”或者是“讓人不舒適難受的”，如圖2所示，本文中熱感覺分在-1～1之間為熱舒適可接受狀態(tài)。

圖1 舒適性理論

圖2 熱感覺、熱舒適量

人是恒溫動物，體溫通常維持在35～37 ℃左右，人體通過血液流動、血管的舒張、收縮以及肌肉的顫栗和皮膚表皮的出汗，來保持自身的舒適狀態(tài)。而人體同外界環(huán)境物理換熱方式有以下3種：

（1）皮膚導(dǎo)熱：皮膚與服裝接觸時因溫差作用而產(chǎn)生傳熱，換熱驅(qū)動主要與服裝溫度即對應(yīng)車內(nèi)環(huán)境空氣溫度相關(guān)。

（2）皮膚對流換熱：皮膚與周圍氣流接觸時，同時發(fā)生導(dǎo)熱和對流的傳熱過程，換熱驅(qū)動主要與空氣溫度相關(guān)。

（3）皮膚輻射換熱：皮膚與周圍環(huán)境各表面間相互輻射產(chǎn)生凈換熱，主要與各表面溫度相關(guān)。

用戶在低溫用車環(huán)境下，影響人舒適性的因素，主要為導(dǎo)熱、對流換熱，即人員所處環(huán)境的空氣溫度。因此，可以通過測試手段測量獲得乘員不同部位所處環(huán)境的空氣溫度，進行人員的舒適性評價工作。

3 車用自動空調(diào)控制理論

自動空調(diào)主要由空調(diào)系統(tǒng)零部件、自動空調(diào)控制器軟硬件、自動空調(diào)舒適性標(biāo)定構(gòu)成（圖3）。

圖3 自動空調(diào)控制器及控制元件

車內(nèi)人員所處環(huán)境溫度的智能控制方式，主要是TAO（Temperature Air Output）控制，TAO 是使車內(nèi)溫度保持在設(shè)定溫度的鼓風(fēng)機空氣溫度，根據(jù)車內(nèi)各類傳感器信號計算而來：

式中，TSET 為設(shè)定溫度，TR 為車內(nèi)溫度、TAM 為車外溫度、TS為太陽輻射強度，A、E為常數(shù)。

表現(xiàn)在執(zhí)行機構(gòu)上，當(dāng)設(shè)定溫度TSET 變化，信號反饋至冷暖混合風(fēng)門伺服電機、鼓風(fēng)機風(fēng)量調(diào)速模塊、模式伺服電機處，根據(jù)預(yù)設(shè)標(biāo)定邏輯進行響應(yīng)調(diào)節(jié)，最終實現(xiàn)車內(nèi)溫度TR的變化。

相比傳統(tǒng)的自動空調(diào)控制器標(biāo)定，自動空調(diào)舒適性的標(biāo)定是在原始自動空調(diào)控制器標(biāo)定基礎(chǔ)上以滿足人體舒適性需求，因此自動空調(diào)舒適性標(biāo)定即為冷暖混合風(fēng)門伺服電機、模式伺服電機、鼓風(fēng)機風(fēng)量與TAO值的標(biāo)定。

設(shè)定溫度TSET 變化，TAO 值變化，冷暖混合風(fēng)門開度調(diào)節(jié)，鼓風(fēng)機風(fēng)量調(diào)節(jié)（圖4），出風(fēng)溫度變化，進而引起車內(nèi)溫度TR 改變，TR 改變后TAO 值再次改變使TR逐漸趨近于設(shè)定溫度TSET。

圖4 自動空調(diào)控制性示意

4 低溫環(huán)境自動空調(diào)控制性研究

4.1 汽車自動空調(diào)低溫環(huán)境控制性研究

低溫環(huán)境，汽車開啟自動空調(diào)后車內(nèi)溫度變化如圖5。

如圖5 所示，車輛在AUTO 模式，設(shè)定溫度25 ℃條件下，車內(nèi)溫度會呈現(xiàn)先升高再逐漸微調(diào)至穩(wěn)定的趨勢，與自動空調(diào)控制理論一致。

圖5 某車型自動空調(diào)AUTO 25℃下車內(nèi)溫度曲線

圖5測試過程中乘員熱感覺變化記錄如表1。

表1 車內(nèi)人員熱感覺與均溫

根據(jù)熱舒適理論圖2的熱感覺量圖，在35～50 min溫度穩(wěn)定階段，均溫在30 ℃左右，此時乘員熱感覺分在1.5～2 分，溫暖并有細(xì)微出汗感覺，人員并不舒適。同理，若穩(wěn)定溫度在較低的數(shù)值，使乘員熱感覺低于-1分，人員同樣不舒適。因此根據(jù)舒適性理論，穩(wěn)定階段車內(nèi)人員若想保持在舒適狀態(tài)，則穩(wěn)定溫度要處在合適的區(qū)間內(nèi)。

同樣，當(dāng)上述穩(wěn)定溫度無法使車內(nèi)人員保持舒適，從用戶心理需求的角度，期望對自動空調(diào)設(shè)定溫度進行下調(diào)或者上調(diào)操作。

針對調(diào)節(jié)自動空調(diào)設(shè)定溫度的動作，通過實際車輛摸底，發(fā)現(xiàn)有以下2個問題出現(xiàn)。

（1）調(diào)節(jié)設(shè)定溫度后空調(diào)響應(yīng)過量，用戶瞬時感受出現(xiàn)偏涼或偏熱現(xiàn)象（以下調(diào)過量如圖6）。

表2 中可以清楚看到，當(dāng)人員熱感覺偏熱（2 分）進行下調(diào)設(shè)定溫度后，頭部溫度約30 s內(nèi)下降了10 ℃以上，頭部溫度最低約19 ℃，雖然下降后進行了回調(diào)但瞬時車內(nèi)人員仍感覺到偏涼沖擊。

（2）瞬時溫度過高同樣會引起瞬時熱感覺偏熱問題，因此自動空調(diào)標(biāo)定需要針對調(diào)節(jié)響應(yīng)瞬時的溫度谷值或峰值進行標(biāo)定量的約束。

圖6 某車型頭部溫度變化截?。ㄆ珶嵩O(shè)定溫度下調(diào)）

表2 設(shè)定溫度下調(diào)人員頭溫與熱感覺變化

針對調(diào)節(jié)設(shè)定溫度響應(yīng)過量的問題，在研究過程中，發(fā)現(xiàn)部分車型存在調(diào)節(jié)設(shè)定溫度之后反應(yīng)緩慢，且當(dāng)車內(nèi)溫度再次穩(wěn)定后，車內(nèi)人員反饋沒有明顯變化。

如圖5，當(dāng)時間處于約55 min時，車內(nèi)人員在自動空調(diào)上實際進行了下調(diào)1 ℃至AUTO 24 ℃的操作，但車內(nèi)均溫在緩慢（約5 min）下降2 ℃之后，再次呈現(xiàn)上揚至穩(wěn)定狀態(tài)，穩(wěn)定后頭部均溫相比調(diào)節(jié)前下調(diào)不到1 ℃。

由此，自動空調(diào)在調(diào)節(jié)設(shè)定溫度后，再次穩(wěn)定后車內(nèi)溫度應(yīng)與設(shè)定前存在一定的溫差，以滿足于車內(nèi)人員對“變化”的需求。

4.2 自動空調(diào)低溫環(huán)境控制性指標(biāo)總結(jié)

綜合以上研究，總結(jié)自動空調(diào)在控制方面需要在標(biāo)定階段重點關(guān)注的指標(biāo)，即車內(nèi)初次穩(wěn)定溫度、車內(nèi)2 次穩(wěn)定溫度、調(diào)節(jié)瞬時車內(nèi)溫度最大值和最小值及溫度調(diào)節(jié)響應(yīng)時間。

4.2.1 車內(nèi)初次穩(wěn)定溫度T1

根據(jù)章節(jié)2 中影響人體舒適性的換熱理論，當(dāng)人處于低溫環(huán)境下，人體換熱的主要方式是皮膚熱傳導(dǎo)和皮膚的熱對流，而這2 種換熱方式主要與人員所處環(huán)境的空氣溫度和空氣流速有關(guān)。在低溫環(huán)境下，用戶穿較厚衣服，且車輛多為吹腳出風(fēng)，用戶對空氣流速感知不足，因此在用戶用車時，影響用戶舒適性的主要因素為用戶所處車內(nèi)環(huán)境的空氣溫度。

在用戶初設(shè)空調(diào)溫度TSET 下，乘員希望車內(nèi)空氣溫度能控制在人體舒適溫度范圍，以使此時人體熱感覺評分能處于-1～+1分之間，熱舒適分在0分以上。

圖7 低溫環(huán)境自動空調(diào)控制性曲線

由此得自動空調(diào)控制的第1 項指標(biāo)：車內(nèi)溫度初次穩(wěn)定時的溫度，如圖7所示T1，而乘員對T1的期望是在此T1下，乘員可處于舒適的溫度范圍。

4.2.2 車內(nèi)2次穩(wěn)定溫度T2

實際用車過程中，用戶初設(shè)溫度TSET，存在車內(nèi)初次穩(wěn)定溫度T1下，人員熱感覺大于1 或小于-1 的情況，希望通過調(diào)低/調(diào)高設(shè)定溫度1 ℃，實現(xiàn)車內(nèi)溫度降低/升高至乘員舒適的溫度目的。同時，為了保證自動空調(diào)針對用戶的調(diào)節(jié)需求，當(dāng)調(diào)節(jié)設(shè)定溫度后，車內(nèi)溫度應(yīng)該相對調(diào)節(jié)前向著人體的舒適溫度區(qū)間而變化。

4.2.3 調(diào)節(jié)瞬時車內(nèi)溫度最大值Tmax/最小值Tmin

當(dāng)用戶因為熱感覺偏涼或熱感覺偏熱，熱舒適未達到心理需求時，上調(diào)/下調(diào)設(shè)定溫度1 ℃，自動空調(diào)混合風(fēng)門作動，瞬時提升/降低出風(fēng)口溫度，為了保障此過程受影響的空氣溫度不會對人體產(chǎn)生瞬時偏熱/偏涼的沖擊，對瞬時車內(nèi)溫度最大值Tmax和最小值Tmin增加指標(biāo)限制（如圖7所示）。

4.2.4 響應(yīng)時間t

響應(yīng)時間（如圖7中所示）指從調(diào)節(jié)設(shè)定溫度點開始計時到車內(nèi)2次穩(wěn)定時刻的時間，從用戶角度，響應(yīng)時間越短，說明自動空調(diào)有更快的調(diào)節(jié)響應(yīng)[3]。

4.3 自動空調(diào)低溫環(huán)境控制性指標(biāo)應(yīng)用

根據(jù)4.2 中的控制性指標(biāo)，選取不同車型（含合資車和自主品牌車共27 臺次）進行評價，通過總結(jié)舒適性評分較高車型數(shù)據(jù)，總結(jié)可供設(shè)計參考的參考目標(biāo)值，如表3所示。

表3 自動空調(diào)控制性參考目標(biāo)

同時，根據(jù)表中參考目標(biāo)對舒適性表現(xiàn)不足的車輛進行標(biāo)定優(yōu)化和驗證，車內(nèi)人員熱感覺在穩(wěn)定階段以及調(diào)節(jié)設(shè)定溫度后，熱感覺可保持在0～1 分左右，如圖8。

圖8 某車型自動空調(diào)標(biāo)定優(yōu)化后結(jié)果

參照控制性指標(biāo)對車型自動空調(diào)標(biāo)定進行控制和優(yōu)化，在預(yù)設(shè)AUTO 25 ℃條件下，以及分別調(diào)節(jié)設(shè)定溫度變化25 ℃→23 ℃→24 ℃，期間車內(nèi)人員熱感覺變化可控制在1 分內(nèi)，且維持-1～1 分的人體舒適的熱感覺區(qū)間。

5 結(jié)束語

通過本次低溫環(huán)境下結(jié)合人體舒適性需求的自動空調(diào)控制性研究，得到了用戶在低溫環(huán)境下對自動空調(diào)使用的典型痛點和相應(yīng)的需求，并以此建立了一套涵蓋初次穩(wěn)定溫度、調(diào)節(jié)設(shè)定溫度響應(yīng)瞬時最大值/最小值、調(diào)節(jié)后二次穩(wěn)定溫度以及調(diào)節(jié)設(shè)定溫度響應(yīng)時間的低溫自動空調(diào)的控制性指標(biāo)，在此基礎(chǔ)上對車型進行了優(yōu)化和驗證，不僅對車型開發(fā)階段的自動空調(diào)標(biāo)定基準(zhǔn)進行了補充，同時根據(jù)研究過程中優(yōu)秀同級車型控制性能的參考應(yīng)用，驗證車型自動空調(diào)控制性得到了提升。

自動空調(diào)的開發(fā)和驗證不同于最大性能對性能上限的關(guān)注，需要更多的結(jié)合人體舒適性需求去開發(fā)和標(biāo)定，只有更多的從人的需求轉(zhuǎn)化為車的需求，才能開發(fā)出用戶喜愛的車型。