车内温度传感器安装位置对空调性能的影响

宫晓彬，毛翼

(泛亚汽车技术中心有限公司，上海 201208)

0 引言

随着国内汽车市场的发展与成熟，对车的使用性能和舒适性提出了更高的要求。汽车空调系统的发展经历了从无到有，从单独的供热功能到冷暖一体。汽车空调的控制系统也随之发展，从手动到电动，再到自动控制，使客户体验有了极大地提升。自动空调可以提供一个既经济又舒适的控制过程，而不需要对空调系统有深入了解，减少在操作空调上的时间，有利于行车安全。随着微电子技术的发展，以前只有在高端车型上配备的自动空调已经成为越来越多车型的基本配置[1]。

1 自动空调控制系统简介

车内温度的控制过程是一个动态过程，以乘客舱温度为控制对象，不断进行乘客舱热负荷与空调系统制冷量的能量平衡过程。车身围护结构传热，空调系统产生的冷量及车内设备、乘员、内饰热量三者之间相互影响，其中车身围护结构的传热就可分为导热、对流和辐射，空调系统产生的冷量受到发动机转速等一系列因素的影响，车内设备的工作状态及乘员数量存在不确定性，这些都对空调系统的运行有着巨大的影响，这些因素的变化会实时表现为车内热负荷的变化，公式(1)所示的车内温度及其变化趋势是表征车内热负荷的一个重要参数，自动空调控制系统采用这一参数作为控制对象。

Pintmass(t)]dt+Tcompartment(t0)

(1)

式中：Tcompartment为车内空气温度，℃；

t为当前时间，s；

t0为上次计算时间，s；

k为车内空调的热物性参数，K/J；

P为车内外结构对车内空气的传热，W；

下角HVAC为空调系统产生的冷量；

下角body为通过车身结构对车内的传热量；

下角window为通过车窗结构对车内的传热量；

下角intmass为车辆内饰的散热量。

自动空调控制系统是一个望目控制系统，即通过输入的设定温度为基准，不断将车内温度向目标值靠近的控制过程。为达到控制的精确性就必须实时得到当前车内温度状况，这样就形成了以车内实际温度为信号的反馈控制系统，如图1所示。

图1 自动空调系统

车内温度的获得主要有两种方式：(1)通过安装在车内的温度传感器实时获取车内温度。该方法对温度的精确度有较高的保证，但是也会出现片面性，因为车内温度的控制过程是一个整体过程，传感器只能得到车内一点附近的空气温度，因此需要对传感器的安装和滤波进行多次调试选择。(2)通过初始条件输入，建立热力学模型计算得到车内温度。该方法能反映车内总体的温度状况，无传感器布置等问题，但是也存在计算偏差，且技术难度较大等问题。国内一些研究机构对该方法进行了模拟研究[2-3]，效果较好，但是主要在PC上进行，离车载嵌入式系统还有一定的差距。

车内温度传感器主要有两种方式，一种是带有机械式风机的传感器总成，因为有稳定的风速流过，所以温度能保持稳定；另一种是通过空调箱的风机采取虹吸的方法对传感器进行气流通过，加入了空调箱风速的影响因素，使系统滤波更加复杂。前种方式的优点是系统复杂度降低，后一种方式的优点是成本降低。文中的研究对象采用了带有机械式风机的传感器总成作为实验对象，系统主要由车内温度传感器、自动空调控制模块、空调箱等组成。

2 车内温度传感器特性要求

在反馈控制系统中反馈值的精确度和波动性都会影响系统的精度和稳定[4]。车内温度传感器作为自动空调控制系统的反馈输入，对控制的影响非常显著，要做到控制的稳定和精度，需要保证车内温度反馈的精度、快速响应和减小波动。故提出车内温度传感器指标要求如下：

(1)反映车内总体温度变化趋势。采用呼吸点作为车内温度的整体参考点和评价指标，因为该区域风速较为稳定，且混合充分，要求传感器准确反映该区域温度或者与其存在明晰的关系。响应快速，滞后小；

(2)温度波动小。要求温度的波动小于特定值，可通过滤波等方式消除波动，要求传感器布置在能反映温度，但又不在风速的路径上；

(3)不受环境的影响。车内乘员的肢体动作、物品的摆放、阳光、出风、开门窗、内部风道、仪表热源等要避免影响到传感器，否则都会造成偏差。

3 传感器布置位置的选取

针对某车型，改装车内温度传感器位置。综合考虑阳光、风向和美观等多种因素，在仪表台上选取两点进行研究，如图2所示。

图2 试验传感器布置位置

(1)方向盘下仪表台上方位置。此位置不在空调出风路径上，同时人体活动不易触及。

(2)方向盘下仪表台下方位置。此位置在车内较低的部位，不容易受外界环境的影响。

4 试验研究

在不同的环境温度下进行试验，获取传感器温度及车内温度，车内温度通过布置在车内的多点温度平均得到。

(1)温度传感器布置于位置1

当环境温度为40 ℃时，空调出风集中于上部出风口，温度传感器与呼吸点平均温度变化曲线如图3所示。

图3 环境温度为40 ℃时温度传感器与呼吸点平均温度变化曲线(位置1)

当环境温度为10 ℃，空调上部出风口占比60%，下部出风口占比40%，温度传感器与呼吸点平均温度变化曲线如图4所示。

图4 环境温度为10 ℃时温度传感器与呼吸点平均温度变化曲线(位置1)

当环境温度为-20 ℃时，空调出风集中于下部出风口，温度传感器与呼吸点平均温度变化曲线如图5所示。

图5 环境温度为-20 ℃时温度传感器与呼吸点平均温度变化曲线(位置1)

由图3—5可知，车内温度传感器在位置1时，对于感知出风温度较为接近，波动小;对下部出风口不敏感，受仪表台内部热源的影响大。由图5可知，传感器温度随时间不断增加，但是车内温度并无显著增加。

(2)温度传感器布置于位置2

当环境温度为40 ℃时，空调出风集中于上部出风口，温度传感器与呼吸点平均温度变化曲线如图6所示。

图6 环境温度为40 ℃时温度传感器与呼吸点平均温度变化曲线(位置2)

当环境温度为10 ℃时，空调上部出风口占比60%，下部出风口占比40%，温度传感器与呼吸点平均温度变化曲线如图7所示。

图7 环境温度为10 ℃时温度传感器与呼吸点平均温度变化曲线(位置2)

当环境温度为-20 ℃时，空调出风集中于下部出风口，温度传感器与呼吸点平均温度变化曲线如图8所示。

图8 环境温度为-20 ℃时温度传感器与呼吸点平均温度变化曲线(位置2)

由图6—8可知，车内温度传感器在位置2时，对于感知上部出风口温度不利，在感知下部出风口时受驾驶员动作对气流的影响，造成了较大的波动。因为传感器波动，导致系统输出波动，又反馈影响车内温度，造成系统谐振，出风温度有较大的波动。

5 位置影响分析

计算车内温度传感器值与车内呼吸点温度的差值，取3 600 s内的数据计算其平均值。平均值反映二者的接近程度。平均值越接近0，则该位置越能反映真实的车内温度。计算车内温度传感器值在稳态阶段的标准差。标准差反映其波动程度。标准差越小，则该位置受车辆及空调运行过程中如模式、风量、温度、车速等噪声因素的影响越小。绘制车内温度传感器值与呼吸点温度差值的平均值和稳态阶段传感器值的标准差与环境温度关系图，如图9所示。

图9 温度差值的平均值与标准差

由图9可知，在40 ℃时，位置1的差值平均值小于位置2，但是传感器值的标准差略大于位置2。在10 ℃时，位置1的差值平均值大于位置2，传感器值的标准差相当。在-20 ℃时，位置1的差值平均值和传感器值的标准差都小于位置2。

由图可知，在测量精度方面，位置1优于位置2;在稳定性方面，位置1与位置2相当，均在1 K左右。综合分析可得位置1要优于位置2。

另外，位置1受到阳光照射的影响，包括车辆停放过程中的阳光照射和车辆行驶过程中间歇的阳光照射。位置2受到驾驶员腿部位置前后左右动作的影响。增加了车内温度传感器修正模型开发及标定开发的难度。

在实际车辆开发过程中，位置选择还要考虑设计的美观和噪声的影响。位置1位于乘客可视区域，由于传感器需要开孔进行空气流通，所以在美观上，位置2要优于位置1;位置1离乘客更近，传感器通风电机的噪声更容易被感知到，所以在噪声上，位置2要优于位置1。

综上所述，在开发过程中，应先采集各备选位置在不同环境温度下的采集精度和稳定性数据，然后选择采集精度和稳定性均较佳的位置。

6 车内温度修正模型

基于位置2对车内温度传感器值建立修正模型，该模型分为非稳态和稳态两个阶段。分别采用不同的修正公式。

6.1 非稳态阶段

在非稳态阶段，车内温度变化快速，且车内温度的变化过程与出风模式、出风风量等强相关，当风量越大时，达到稳态的时间越短。该阶段的车内温度修正δunsteady以根据车内温差dTc设定的补偿值为基础，并根据出风模式和出风风量设定该补偿值的系数。

Tfiltered=Traw+A·B·δunsteady

(2)

式中：Tfiltered为修正后的车内温度，℃；Traw为传感器采集的原始车内温度，℃；δunsteady为根据车内温差dTc的补偿值，K；A为根据出风模式设定的补偿值的系数，%;B为根据出风风量设定的补偿值的系数，%。

6.2 稳态阶段

在稳态阶段，车内温度、出风模式、出风风量、出风温度等均达到稳定输出，此时需对车内温度的稳态偏差进行修正。

Tfiltered=Traw+δsteady

(3)

式中：Tfiltered为修正后的车内温度，℃；Traw为传感器采集的原始车内温度，℃；δsteady由公式(4)计算得到，K。

δsteady在计算时，先分别计算在无日照和最大日照强度时的修正值，再根据当前日照强度百分比进行差分计算得出，如公式(4)所示。

δsteady=δ1+(δ2-δ1)·E/Emax

(4)

式中：δ1为无日照时的修正值，K；δ2为最大日照时的修正值，K；E为当前日照强度，W/m2；Emax为根据当前环境温度设定的最大日照强度，W/m2。

经过上述模型修正后的车内温度，还需进行均值滤波和差值滤波。根据稳定性要求设定均值滤波，根据系统特性设定车内温度的变化率。这样可以消除传感器采样波动和短时噪声造成的温度波动。该滤波算法经过实车验证，取得良好的应用效果。

7 结论

文中通过分析，得到以下结论：

(1)车内温度传感器应避免安装在车内成员能直接或间接影响到的位置;

(2)车内温度传感器应选择在气流混合均匀的位置，且不在出风路径上。若布置在出风路径上，则应尽量远离出风口;

(3)在冬季长时间驾车后温度传感器将会显著受到仪表台内部热源的影响;

(4)在备选位置中，应选择采集精度及稳定性均较佳的位置，降低修正模型及标定的开发难度;

(5)针对位置2建立车内温度传感器修正模型，达到良好的效果。