基于人体舒适性的自动空调控制性研究

余明明 黄宪波 袁正 严杰

（广州汽车集团股份有限公司汽车工程研究院，广州511434）

主题词：自动空调控制性 舒适性 低温环境模拟

1 前言

当今汽车工业发展迅速，汽车产业已经进入了“井喷式”发展时代。数据显示，全国汽车的保有量，在2019 年底已经突破2.6 亿辆，私家车的保有量也突破了2 亿辆。根据调查，人们对汽车性能的关注不再仅仅局限于动力性和经济性，对于舒适性的要求也越来越高。而当前，自动空调系统虽然越来越多的作为基础配置应用在汽车上，以提升车内舒适性，但是实际用车中，真正使用自动空调的人群却很少。在整车开发验证阶段，为保障汽车空调的采暖和制冷能力，往往会进行整车最大制热性能和最大制冷性能验证，而验证所用的环境条件、工况曲线、包括空调模式设置都是确定的、单一的，汽车最终还是需要作为商品进入用户生活中去，用户在实际用车时并不会按照预设的“工况”去使用自动空调。因此，在完成最大性能验证基础上，进一步了解用户实际用车环境，生理、心理需求，开发出更懂用户的智能空调尤为重要。基于人体舒适性的自动空调控制性评价研究就是以满足用户舒适性需求为目标，结合自动空调控制理论，建立自动空调控制性的开发指标和参考目标值，通过设计预防，改善自动空调的控制性，实现未来汽车车内舒适性的提升。

2 人体舒适性理论

ASHRAE（美国采暖、制冷与空调工程师学会）将热舒适定义为：Thermal comfort is defined as that condi⁃tion of mind in which satisfaction is expressed with the thermal environment[1]。热舒适表示在环境中人体保持热感觉良好的状态。而这样的解释包含生理和心理双重因素，当人体通过皮肤进行对流换热、呼吸换热、辐射换热、蒸发换热等物理换热形式时，人体生理产生对周围环境的冷热感觉，即热感觉（如图1）。如冬天冷、夏天热等，此类热感觉最终作用在人体心理上产生对所处环境的热舒适体验，即热舒适[2]。如舒适度“非常舒适愉悦的”或者是“让人不舒适难受的”，如图2所示，本文中热感觉分在-1～1之间为热舒适可接受状态。

图1 舒适性理论

图2 热感觉、热舒适量

人是恒温动物，体温通常维持在35～37 ℃左右，人体通过血液流动、血管的舒张、收缩以及肌肉的颤栗和皮肤表皮的出汗，来保持自身的舒适状态。而人体同外界环境物理换热方式有以下3种：

（1）皮肤导热：皮肤与服装接触时因温差作用而产生传热，换热驱动主要与服装温度即对应车内环境空气温度相关。

（2）皮肤对流换热：皮肤与周围气流接触时，同时发生导热和对流的传热过程，换热驱动主要与空气温度相关。

（3）皮肤辐射换热：皮肤与周围环境各表面间相互辐射产生净换热，主要与各表面温度相关。

用户在低温用车环境下，影响人舒适性的因素，主要为导热、对流换热，即人员所处环境的空气温度。因此，可以通过测试手段测量获得乘员不同部位所处环境的空气温度，进行人员的舒适性评价工作。

3 车用自动空调控制理论

自动空调主要由空调系统零部件、自动空调控制器软硬件、自动空调舒适性标定构成（图3）。

图3 自动空调控制器及控制元件

车内人员所处环境温度的智能控制方式，主要是TAO（Temperature Air Output）控制，TAO 是使车内温度保持在设定温度的鼓风机空气温度，根据车内各类传感器信号计算而来：

式中，TSET 为设定温度，TR 为车内温度、TAM 为车外温度、TS为太阳辐射强度，A、E为常数。

表现在执行机构上，当设定温度TSET 变化，信号反馈至冷暖混合风门伺服电机、鼓风机风量调速模块、模式伺服电机处，根据预设标定逻辑进行响应调节，最终实现车内温度TR的变化。

相比传统的自动空调控制器标定，自动空调舒适性的标定是在原始自动空调控制器标定基础上以满足人体舒适性需求，因此自动空调舒适性标定即为冷暖混合风门伺服电机、模式伺服电机、鼓风机风量与TAO值的标定。

设定温度TSET 变化，TAO 值变化，冷暖混合风门开度调节，鼓风机风量调节（图4），出风温度变化，进而引起车内温度TR 改变，TR 改变后TAO 值再次改变使TR逐渐趋近于设定温度TSET。

图4 自动空调控制性示意

4 低温环境自动空调控制性研究

4.1 汽车自动空调低温环境控制性研究

低温环境，汽车开启自动空调后车内温度变化如图5。

如图5 所示，车辆在AUTO 模式，设定温度25 ℃条件下，车内温度会呈现先升高再逐渐微调至稳定的趋势，与自动空调控制理论一致。

图5 某车型自动空调AUTO 25℃下车内温度曲线

图5测试过程中乘员热感觉变化记录如表1。

表1 车内人员热感觉与均温

根据热舒适理论图2的热感觉量图，在35～50 min温度稳定阶段，均温在30 ℃左右，此时乘员热感觉分在1.5～2 分，温暖并有细微出汗感觉，人员并不舒适。同理，若稳定温度在较低的数值，使乘员热感觉低于-1分，人员同样不舒适。因此根据舒适性理论，稳定阶段车内人员若想保持在舒适状态，则稳定温度要处在合适的区间内。

同样，当上述稳定温度无法使车内人员保持舒适，从用户心理需求的角度，期望对自动空调设定温度进行下调或者上调操作。

针对调节自动空调设定温度的动作，通过实际车辆摸底，发现有以下2个问题出现。

（1）调节设定温度后空调响应过量，用户瞬时感受出现偏凉或偏热现象（以下调过量如图6）。

表2 中可以清楚看到，当人员热感觉偏热（2 分）进行下调设定温度后，头部温度约30 s内下降了10 ℃以上，头部温度最低约19 ℃，虽然下降后进行了回调但瞬时车内人员仍感觉到偏凉冲击。

（2）瞬时温度过高同样会引起瞬时热感觉偏热问题，因此自动空调标定需要针对调节响应瞬时的温度谷值或峰值进行标定量的约束。

图6 某车型头部温度变化截取（偏热设定温度下调）

表2 设定温度下调人员头温与热感觉变化

针对调节设定温度响应过量的问题，在研究过程中，发现部分车型存在调节设定温度之后反应缓慢，且当车内温度再次稳定后，车内人员反馈没有明显变化。

如图5，当时间处于约55 min时，车内人员在自动空调上实际进行了下调1 ℃至AUTO 24 ℃的操作，但车内均温在缓慢（约5 min）下降2 ℃之后，再次呈现上扬至稳定状态，稳定后头部均温相比调节前下调不到1 ℃。

由此，自动空调在调节设定温度后，再次稳定后车内温度应与设定前存在一定的温差，以满足于车内人员对“变化”的需求。

4.2 自动空调低温环境控制性指标总结

综合以上研究，总结自动空调在控制方面需要在标定阶段重点关注的指标，即车内初次稳定温度、车内2 次稳定温度、调节瞬时车内温度最大值和最小值及温度调节响应时间。

4.2.1 车内初次稳定温度T1

根据章节2 中影响人体舒适性的换热理论，当人处于低温环境下，人体换热的主要方式是皮肤热传导和皮肤的热对流，而这2 种换热方式主要与人员所处环境的空气温度和空气流速有关。在低温环境下，用户穿较厚衣服，且车辆多为吹脚出风，用户对空气流速感知不足，因此在用户用车时，影响用户舒适性的主要因素为用户所处车内环境的空气温度。

在用户初设空调温度TSET 下，乘员希望车内空气温度能控制在人体舒适温度范围，以使此时人体热感觉评分能处于-1～+1分之间，热舒适分在0分以上。

图7 低温环境自动空调控制性曲线

由此得自动空调控制的第1 项指标：车内温度初次稳定时的温度，如图7所示T1，而乘员对T1的期望是在此T1下，乘员可处于舒适的温度范围。

4.2.2 车内2次稳定温度T2

实际用车过程中，用户初设温度TSET，存在车内初次稳定温度T1下，人员热感觉大于1 或小于-1 的情况，希望通过调低/调高设定温度1 ℃，实现车内温度降低/升高至乘员舒适的温度目的。同时，为了保证自动空调针对用户的调节需求，当调节设定温度后，车内温度应该相对调节前向着人体的舒适温度区间而变化。

4.2.3 调节瞬时车内温度最大值Tmax/最小值Tmin

当用户因为热感觉偏凉或热感觉偏热，热舒适未达到心理需求时，上调/下调设定温度1 ℃，自动空调混合风门作动，瞬时提升/降低出风口温度，为了保障此过程受影响的空气温度不会对人体产生瞬时偏热/偏凉的冲击，对瞬时车内温度最大值Tmax和最小值Tmin增加指标限制（如图7所示）。

4.2.4 响应时间t

响应时间（如图7中所示）指从调节设定温度点开始计时到车内2次稳定时刻的时间，从用户角度，响应时间越短，说明自动空调有更快的调节响应[3]。

4.3 自动空调低温环境控制性指标应用

根据4.2 中的控制性指标，选取不同车型（含合资车和自主品牌车共27 台次）进行评价，通过总结舒适性评分较高车型数据，总结可供设计参考的参考目标值，如表3所示。

表3 自动空调控制性参考目标

同时，根据表中参考目标对舒适性表现不足的车辆进行标定优化和验证，车内人员热感觉在稳定阶段以及调节设定温度后，热感觉可保持在0～1 分左右，如图8。

图8 某车型自动空调标定优化后结果

参照控制性指标对车型自动空调标定进行控制和优化，在预设AUTO 25 ℃条件下，以及分别调节设定温度变化25 ℃→23 ℃→24 ℃，期间车内人员热感觉变化可控制在1 分内，且维持-1～1 分的人体舒适的热感觉区间。

5 结束语

通过本次低温环境下结合人体舒适性需求的自动空调控制性研究，得到了用户在低温环境下对自动空调使用的典型痛点和相应的需求，并以此建立了一套涵盖初次稳定温度、调节设定温度响应瞬时最大值/最小值、调节后二次稳定温度以及调节设定温度响应时间的低温自动空调的控制性指标，在此基础上对车型进行了优化和验证，不仅对车型开发阶段的自动空调标定基准进行了补充，同时根据研究过程中优秀同级车型控制性能的参考应用，验证车型自动空调控制性得到了提升。

自动空调的开发和验证不同于最大性能对性能上限的关注，需要更多的结合人体舒适性需求去开发和标定，只有更多的从人的需求转化为车的需求，才能开发出用户喜爱的车型。