基于商用車的駐車空調(diào)控制系統(tǒng)的研究

【摘" 要】針對(duì)商用車駐車過(guò)程中駕乘人員對(duì)空調(diào)的需求、駐車空調(diào)電池?fù)p耗和蒸發(fā)器結(jié)霜等問(wèn)題，提出一種駐車空調(diào)智能控制系統(tǒng)，在實(shí)現(xiàn)制冷、風(fēng)量調(diào)節(jié)、空氣質(zhì)量調(diào)節(jié)等功能的同時(shí)增加了駐車空調(diào)系統(tǒng)保護(hù)的功能。通過(guò)MATLAB/Simulink建模對(duì)提出的控制方法進(jìn)行仿真，對(duì)該系統(tǒng)的可行性進(jìn)行驗(yàn)證，在不同環(huán)境條件下，該系統(tǒng)控制輸出達(dá)到預(yù)期效果。

【關(guān)鍵詞】駐車空調(diào)；控制策略；仿真驗(yàn)證

中圖分類號(hào)：U463.851" " 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A" " 文章編號(hào)：1003-8639（2025）02-0097-04

Research on Parking Air-conditioning Control System Based on Commercial Vehicle

FU Mengyuan，TONG Xiaoya，CHEN Fei，GAO Xinran，WANG Yuanbo

（Shaanxi Heavy-duty Automobile Co.，Ltd.，Xi'an 710200，China）

【Abstract】In order to solve the problems of the drivers and passengers' demand for air conditioning，battery loss of parking air-conditioning and evaporator frosting in the parking process of commercial vehicles，an intelligent control system for parking air-conditioning is proposed. It not only completes the functions of refrigeration，air volume regulation，air quality regulation，but also adds the protection function of parking air-conditioning system. The proposed control method is simulated by Matlab/Simulink modeling to verify the feasibility of the system. Under different environmental conditions，the control output of the system achieves the desired effect.

【Key words】parking air-conditioning；control strategy；simulation verification

商用車車載空調(diào)主要由行車空調(diào)和駐車空調(diào)兩個(gè)部分構(gòu)成，分別在車輛行駛中和車輛駐車的情況下為駕乘人員提供制冷、制熱等功能[1-2]。駐車空調(diào)是對(duì)行車空調(diào)的補(bǔ)充，滿足駕乘人員在卸貨等待或夜晚休息時(shí)對(duì)空調(diào)的需求，解決停車時(shí)無(wú)法使用空調(diào)的問(wèn)題。駐車空調(diào)主體由壓縮機(jī)、冷凝風(fēng)扇、蒸發(fā)器、節(jié)流閥（膨脹閥）和鼓風(fēng)機(jī)5個(gè)部分組成，與行車空調(diào)共用電機(jī)，在各個(gè)部件間相互配合之下，通過(guò)在不同溫度和壓力下制冷劑的狀態(tài)變化產(chǎn)生制冷效果[3-4]。目前駐車空調(diào)安裝主要有頂置式、背包式以及并聯(lián)式[5]。

1" 駐車空調(diào)系統(tǒng)組成

如圖1所示，駐車空調(diào)系統(tǒng)由輸入模塊、控制模塊和輸出模塊構(gòu)成。車輛環(huán)境信息和駕乘人員需求作為輸入模塊，電動(dòng)壓縮機(jī)、冷凝風(fēng)扇和電機(jī)等構(gòu)成輸出模塊。駐車空調(diào)通過(guò)布置在駕駛室內(nèi)外的溫度傳感器將駕駛室的實(shí)時(shí)溫度發(fā)送至控制模塊，控制模塊結(jié)合來(lái)自其他控制器的開(kāi)關(guān)命令及制動(dòng)狀態(tài)、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速等車輛狀態(tài)信號(hào)，判斷駕乘人員需求，通過(guò)電控方式控制電動(dòng)壓縮機(jī)、冷凝風(fēng)扇等電器，實(shí)現(xiàn)駐車空調(diào)智能制冷、風(fēng)量調(diào)節(jié)等效果，并將系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)通過(guò)多媒體屏反饋駕駛員。

1.1" 輸入模塊

駐車空調(diào)系統(tǒng)輸入模塊主要有駐車空調(diào)開(kāi)關(guān)信號(hào)狀態(tài)采集、設(shè)定溫度信號(hào)采集、室內(nèi)外溫度傳感器提供的溫度傳感器信號(hào)及其他控制器提供的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、制動(dòng)狀態(tài)等車輛狀態(tài)信息。控制模塊通過(guò)輸入模塊提供的信息進(jìn)行決策，通過(guò)駐車空調(diào)開(kāi)關(guān)狀態(tài)和設(shè)定溫度判斷駕乘人員需求，通過(guò)溫度傳感器及車輛狀態(tài)信息判斷車輛當(dāng)前狀態(tài)。

1.2" 控制模塊

駐車空調(diào)系統(tǒng)的控制模塊主要由模數(shù)采集模塊、CAN模塊、驅(qū)動(dòng)模塊等部分構(gòu)成。依據(jù)開(kāi)關(guān)量消抖、傳感器信號(hào)濾波、車輛狀態(tài)信息CAN線接收，判斷當(dāng)前車輛狀態(tài)并進(jìn)行相應(yīng)的控制邏輯處理及控制信號(hào)的輸出。

1.3" 執(zhí)行模塊

駐車空調(diào)系統(tǒng)的執(zhí)行模塊根據(jù)控制模塊的輸出信號(hào)，對(duì)電動(dòng)壓縮機(jī)、冷凝風(fēng)扇、鼓風(fēng)機(jī)、多媒體屏、電機(jī)驅(qū)動(dòng)進(jìn)行控制。電動(dòng)壓縮機(jī)接收控制模塊輸出的硬線驅(qū)動(dòng)信號(hào)和轉(zhuǎn)速控制百分比，控制壓縮機(jī)的開(kāi)啟關(guān)閉和轉(zhuǎn)速。冷凝風(fēng)扇和鼓風(fēng)機(jī)接收硬線驅(qū)動(dòng)信號(hào)。多媒體屏接收溫度、出風(fēng)模式、空氣循環(huán)模式信號(hào)，顯示駐車空調(diào)狀態(tài)信息，并在駐車空調(diào)故障時(shí)反饋故障信息。循環(huán)電機(jī)、模式電機(jī)接收硬線驅(qū)動(dòng)信號(hào)，控制出風(fēng)口位置和內(nèi)外循環(huán)方式。

2" 駐車空調(diào)控制功能設(shè)計(jì)

駐車空調(diào)系統(tǒng)除了傳統(tǒng)的制冷控制和風(fēng)量控制功能外，還根據(jù)駕駛員的實(shí)際反饋和車輛配置情況新增了駕駛室空氣質(zhì)量調(diào)整、蓄電池保護(hù)、防結(jié)霜保護(hù)功能，并具備故障檢測(cè)功能，在提高駕乘人員駕駛感受的同時(shí)，增加車輛的安全性和舒適性。

2.1" 制冷控制功能

當(dāng)駐車空調(diào)打開(kāi)時(shí)，當(dāng)環(huán)境溫度和設(shè)定溫度發(fā)生變化，控制電動(dòng)壓縮機(jī)的輸出占空比調(diào)整，轉(zhuǎn)速隨之改變，使得制冷的強(qiáng)度發(fā)生變化。制冷控制不區(qū)分手動(dòng)模式和自動(dòng)模式，當(dāng)環(huán)境溫度與駕乘人員需求的設(shè)定溫度差距越大時(shí)，電動(dòng)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速越快，制冷強(qiáng)度越大。當(dāng)電動(dòng)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到系統(tǒng)設(shè)定閾值時(shí)，不再隨溫度差的增大而變快。

2.2" 風(fēng)量控制功能

風(fēng)量控制分為自動(dòng)調(diào)節(jié)和手動(dòng)控制兩種。當(dāng)駐車空調(diào)打開(kāi)時(shí)，風(fēng)量處于自動(dòng)調(diào)節(jié)狀態(tài)，風(fēng)量的大小隨著環(huán)境溫度和設(shè)定溫度的溫差增大而變大；駕乘人員人為設(shè)置風(fēng)量時(shí)，則激活手動(dòng)控制，風(fēng)量將不再隨著溫度的變化而改變大小，只受控于駕乘人員。

2.3" 空氣質(zhì)量調(diào)整功能

車輛駐車，駕乘人員等待或夜間休息時(shí)，長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)循環(huán)導(dǎo)致駕駛室空氣質(zhì)量降低、人員頭暈不適的問(wèn)題。當(dāng)駐車空調(diào)打開(kāi)時(shí)，循環(huán)模式控制處于自動(dòng)調(diào)節(jié)狀態(tài)，以內(nèi)循環(huán)和外循環(huán)交替運(yùn)行，保證新鮮空氣的輸入，持續(xù)改善駕駛室內(nèi)的空氣質(zhì)量。同時(shí)，空氣循環(huán)模式也受駕乘人員控制，駕乘人員人為設(shè)置循環(huán)方式時(shí)，則切換為手動(dòng)控制。

2.4" 保護(hù)功能

駐車空調(diào)工作過(guò)程中采用蓄電池供電，依靠電動(dòng)壓縮機(jī)的輸出氣量制冷，而蒸發(fā)器溫度和冷媒壓力與壓縮機(jī)的輸出密切相關(guān)。

針對(duì)長(zhǎng)時(shí)間使用蓄電池，導(dǎo)致電池老化虛電，無(wú)法起車的問(wèn)題，系統(tǒng)持續(xù)監(jiān)測(cè)蓄電池電壓，當(dāng)電池電壓低于設(shè)定值時(shí)，系統(tǒng)控制智能斷電，保證車輛可以正常啟動(dòng)。

針對(duì)外界環(huán)境溫度較低時(shí)，長(zhǎng)時(shí)間制冷易出現(xiàn)結(jié)霜的問(wèn)題，當(dāng)蒸發(fā)器溫度過(guò)低或冷媒壓力異常時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)開(kāi)啟防結(jié)霜保護(hù)功能。此時(shí)，關(guān)閉電動(dòng)壓縮機(jī)，風(fēng)扇和鼓風(fēng)機(jī)保持工作；蒸發(fā)器溫度回升至系統(tǒng)設(shè)定溫度且冷媒壓力恢復(fù)正常時(shí)，電動(dòng)壓縮機(jī)可恢復(fù)工作。

2.5" 故障反饋功能

故障反饋功能是未滿足駐車空調(diào)開(kāi)啟條件（車輛未處于駐車狀態(tài)、電源電壓異常）時(shí)，駕乘人員操作后駐車空調(diào)未正常開(kāi)啟，則在多媒體屏上進(jìn)行故障顯示。

3" 設(shè)計(jì)及功能驗(yàn)證

根據(jù)駐車空調(diào)的控制需求，對(duì)其控制功能進(jìn)行研究，并對(duì)功能實(shí)現(xiàn)進(jìn)行驗(yàn)證，在不同工況下實(shí)現(xiàn)對(duì)駐車空調(diào)的控制。駐車空調(diào)系統(tǒng)控制流程如圖2所示。該控制功能進(jìn)行模塊化開(kāi)發(fā)，可移植性強(qiáng)，可集成在空調(diào)控制器中。

在MATLAB/Simulink仿真環(huán)境下搭建駐車空調(diào)控制模型，對(duì)上述駐車空調(diào)控制功能進(jìn)行仿真驗(yàn)證，控制模型如圖3所示。仿真運(yùn)行步長(zhǎng)為10ms，環(huán)境溫度40℃，仿真參數(shù)模擬實(shí)車狀況，通過(guò)改變傳感器溫度、設(shè)定溫度、開(kāi)關(guān)、發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)、手剎等輸入信號(hào)狀態(tài)，檢測(cè)駐車空調(diào)控制系統(tǒng)是否根據(jù)輸入的變化進(jìn)行對(duì)應(yīng)的功能控制，同時(shí)輸出的顯示信號(hào)和驅(qū)動(dòng)信號(hào)是否與預(yù)期的一致。

圖4a為駐車空調(diào)開(kāi)啟后，不同溫差下的電動(dòng)壓縮機(jī)控制信號(hào)。當(dāng)溫差不大于-2℃時(shí)，無(wú)占空比輸出，電動(dòng)壓縮機(jī)未開(kāi)啟。圖4b為駕駛室內(nèi)部平均溫差隨時(shí)間變化曲線，以及對(duì)應(yīng)的電動(dòng)壓縮機(jī)控制占空比的變化情況。圖5為風(fēng)量控制模型，其中X軸坐標(biāo)為環(huán)境溫度與駕乘人員設(shè)定溫度的溫差，Y軸坐標(biāo)為鼓風(fēng)機(jī)風(fēng)量擋位，Z軸為電動(dòng)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速。當(dāng)環(huán)境溫度和駕駛員設(shè)置溫度差距逐漸變大時(shí)，根據(jù)溫差可以確定唯一電動(dòng)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速值，該轉(zhuǎn)速為駐車空調(diào)系統(tǒng)智能調(diào)節(jié)的轉(zhuǎn)速值；根據(jù)溫差亦可以確定唯一風(fēng)量擋位，該風(fēng)量為駕乘人員需求下的風(fēng)量值。

通過(guò)改變輸入條件進(jìn)行仿真驗(yàn)證。在不同的控制環(huán)境下，電動(dòng)壓縮機(jī)、冷凝風(fēng)扇、鼓風(fēng)機(jī)、電機(jī)和多媒體屏的狀態(tài)見(jiàn)表1。

駐車空調(diào)打開(kāi)后，當(dāng)電源電壓異常時(shí)，所有驅(qū)動(dòng)停止；電源電壓正常時(shí)，若出現(xiàn)蒸發(fā)器溫度過(guò)低或冷媒壓力異常，則電動(dòng)壓縮機(jī)關(guān)閉，冷凝風(fēng)扇保持打開(kāi)；電源電壓、蒸發(fā)器溫度、冷媒壓力均正常時(shí)，模式電機(jī)和循環(huán)電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)；多媒體屏對(duì)于溫度的顯示不受電源電壓、蒸發(fā)器溫度、冷媒壓力的影響。駐車空調(diào)未正常開(kāi)啟時(shí)，多媒體屏?xí)崾抉v車空調(diào)故障。仿真輸出與計(jì)劃控制結(jié)果一致，達(dá)到預(yù)期效果。

4" 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一種駐車空調(diào)智能控制系統(tǒng)，在完成制冷、風(fēng)量調(diào)節(jié)、空氣品質(zhì)調(diào)節(jié)等功能的同時(shí)增加了駐車空調(diào)系統(tǒng)保護(hù)的功能。該系統(tǒng)通過(guò)環(huán)境溫度與駕乘人員設(shè)定溫度的差距趨勢(shì)計(jì)算，得到需求電動(dòng)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速，在此基礎(chǔ)上分配風(fēng)量大小，并在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中持續(xù)監(jiān)測(cè)車輛狀態(tài)，確保駐車空調(diào)各組成部分安全運(yùn)行。經(jīng)過(guò)軟件仿真，對(duì)設(shè)計(jì)的控制功能進(jìn)行可行性驗(yàn)證，該系統(tǒng)在滿足駕乘人員需求的基礎(chǔ)上，可根據(jù)環(huán)境變化和車輛狀態(tài)自動(dòng)調(diào)整控制模式，使控制方式更智能，提高駕乘人員舒適度，增加車輛可靠性。

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（編輯" 楊凱麟）

收稿日期：2024-07-29

作者簡(jiǎn)介：付夢(mèng)媛（1996—），助理工程師，碩士，主要從事車輛控制系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)工作。