汽車駕駛室溫度環(huán)境控制系統(tǒng)的基本原理

 采暖通風(fēng)與空調(diào)(HVAC)技術(shù)可使室內(nèi)和汽車駕駛室變得舒適。HVAC通過控制冷/熱溫度促進(jìn)對駕駛室內(nèi)部舒適溫度環(huán)境的管理。

過去，在汽車中配置空調(diào)是一個(gè)重要功能，但是目前即便在入門級(jí)汽車中，空調(diào)也已成為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備。人們對更高舒適度和豪華感的需求促進(jìn)了車載溫度環(huán)境控制系統(tǒng)的開發(fā)。汽車溫度環(huán)境控制系統(tǒng)的主要目的是管理指定區(qū)域的溫度，使乘客感到舒適。

20世紀(jì)60年代初，汽車首次采用HVAC，目前大多數(shù)高端汽車中都提供此配置。它是一個(gè)由前端的機(jī)械/電子開關(guān)或旋鈕組成的復(fù)雜系統(tǒng)。系統(tǒng)的后端包括一個(gè)或多個(gè)鼓風(fēng)電機(jī)、促動(dòng)器(用于新風(fēng)循環(huán)控制、空氣流量控制和溫度控制)和帶有許多管道的制冷單元，空氣通過這些管道傳送至駕駛室。

HVAC單元的基本工作原理是傳導(dǎo)和對流。根據(jù)壓力變化，熱量從車輛中的低溫區(qū)傳送至高溫區(qū)。該熱傳送流程稱為制冷。圖1所示為完整制冷流程的循環(huán)圖。

圖1：制冷循環(huán)圖。

Evaporator：蒸發(fā)器

Compressor：壓縮機(jī)

Suction line：吸入管

Blower Fan：風(fēng)機(jī)

Low Pressure Side：低壓側(cè)

High Pressure Side：高壓側(cè)

Dischargeline：排放管

Condenser：冷凝器

Expansion Valve：膨脹閥

Drier/Receiver：干燥器/接收器

空調(diào)系統(tǒng)包括五個(gè)主要組件：

1. 蒸發(fā)器

2. 壓縮機(jī)

3. 冷凝器

4. 接收器/干燥器

5. 膨脹設(shè)備

五個(gè)主要組件位于兩個(gè)壓力區(qū)域：高壓側(cè)包括冷凝器和接收器/干燥器，低壓側(cè)是空調(diào)蒸發(fā)器。高壓和低壓之間的分界點(diǎn)通過壓縮機(jī)和膨脹閥劃分。

下一節(jié)將詳細(xì)討論HVAC系統(tǒng)的每個(gè)組件(請參見圖2)。

圖2：空調(diào)系統(tǒng)包括五個(gè)主要組件。

Drier/Receiver：干燥器/接收器

Evaporator：蒸發(fā)器

Condenser：冷凝器

Compressor：壓縮機(jī)

Expansion Valve：膨脹閥

蒸發(fā)器

蒸發(fā)器是制冷循環(huán)中的熱交換設(shè)備。液體制冷劑(從擴(kuò)展管進(jìn)入蒸發(fā)器)具有更低的溫度和更低的壓力。

當(dāng)穿過蒸發(fā)器螺旋管時(shí)，制冷劑吸收通過螺旋管吹進(jìn)的空氣中的熱量，并轉(zhuǎn)換為低壓、低溫蒸汽。液體制冷劑從蒸發(fā)器螺旋管的底部流向頂部，以確保液體制冷劑在離開蒸發(fā)器螺旋管之前沸騰。

由蒸發(fā)器執(zhí)行的任務(wù)可以概括為：

1. 吸收熱量

2. 使所有制冷劑沸騰為蒸汽

由鼓風(fēng)機(jī)吹出的空氣經(jīng)過熱轉(zhuǎn)移變得更冷，并通過通風(fēng)口傳送至駕駛室。

因?yàn)榭照{(diào)蒸發(fā)器通過吸收周圍介質(zhì)中的熱量提供冷卻，當(dāng)位于與車輛儀表盤非常近的位置時(shí)，這可以達(dá)到雙重目的。它吸收從其中流通的空氣中的熱量，也吸收車輛內(nèi)部的熱量，以便保持所需溫度。

壓縮機(jī)

空調(diào)壓縮機(jī)被視為中央空調(diào)單元的心臟。壓縮機(jī)吸收抽吸管線中的蒸汽制冷劑，并將蒸汽壓縮為高過熱蒸汽。蒸汽的溫度通常比外部空氣溫度高2.5倍。

因?yàn)闊崃靠偸菑臒崽幜飨蚶涮?，所以制冷劑必須比外界空氣熱很多才能帶走系統(tǒng)中的熱量。當(dāng)制冷劑在壓縮機(jī)中流動(dòng)時(shí)，它還會(huì)帶走壓縮機(jī)的熱量、電機(jī)繞組熱量、機(jī)械摩擦和抽吸管線中吸收的其他熱量?？照{(diào)壓縮機(jī)的另一個(gè)主要任務(wù)是在系統(tǒng)中生成制冷劑流。

由壓縮機(jī)執(zhí)行的任務(wù)有：

1. 過熱化

2. 帶走潛在熱量(冷凝)

3. 帶走更多可感應(yīng)熱量(過冷)

4. 生成制冷劑流

冷凝器

熱高壓蒸汽接下來將進(jìn)入冷凝螺旋管。冷凝器就像是蒸發(fā)器，是一個(gè)熱交換器。在冷凝螺旋管內(nèi)部，制冷劑從螺旋管的頂部向底部流動(dòng)。

因?yàn)橹评鋭┑臏囟缺拳h(huán)境溫度高很多，它將在穿過螺旋管時(shí)冷卻。當(dāng)超熱制冷劑到達(dá)較低的第三個(gè)螺旋管時(shí)，它足夠冷卻至變回液態(tài)。該流程被稱為子冷卻。

當(dāng)制冷劑通過釋放熱量冷凝為液體時(shí)，銅管外部的溫度變得非常高，在鼓風(fēng)機(jī)/散熱風(fēng)扇的幫助下熱量被吹出系統(tǒng)。在模型車輛中，這種加熱后的空氣成為較冷氣候條件下的熱風(fēng)來源。

為提高效率，冷凝器的放置位置也非常重要，因?yàn)樗浅?，所以需要裸露最大的表面積確保以更快的速度制冷。

接收器/干燥器

接收器/干燥器位于系統(tǒng)的高壓部分，通常位于冷凝器出口與膨脹閥入口之間的管道中，但是有一些可能直接與冷凝器連接。

接收器/干燥器提供三個(gè)非常重要的功能：

1. 在冷卻需求較低期間，它們作為額外制冷劑的存儲(chǔ)容器。這是接收器/干燥器的“接收器”功能。

2. 它們包含一個(gè)可以在A/C系統(tǒng)內(nèi)部捕獲污染物的過濾器。

3. 干燥器/接收器包含一種稱為干燥劑的材料，用于吸收在制造、裝配或服務(wù)期間在A/C系統(tǒng)中可能產(chǎn)生的濕氣(水)。這是干燥器/接收器的“干燥器”功能。

膨脹設(shè)備

需要膨脹設(shè)備生成液體制冷劑的壓力差，以便使其沸騰為氣體。膨脹設(shè)備通過限制系統(tǒng)周圍制冷劑的流動(dòng)造成壓力下降。

減慢制冷劑的流動(dòng)速度將導(dǎo)致壓縮機(jī)將系統(tǒng)的一側(cè)部分抽空。該低壓空隙成為系統(tǒng)的“吸力側(cè)”或“低側(cè)”。

自動(dòng)溫度環(huán)境控制

自動(dòng)溫度環(huán)境控制能夠監(jiān)控和控制特定空間的溫度，無需手動(dòng)干預(yù)。車上乘客指定所需的駕駛室溫度和濕度。通過溫度環(huán)境控制系統(tǒng)輸入這些值，該系統(tǒng)通過電子方式控制溫度和濕度，并保持用戶指定的值。無需打開/關(guān)閉AC或滑動(dòng)冷熱控制開關(guān)的人工操作便可以調(diào)節(jié)駕駛室溫度。

自動(dòng)溫度環(huán)境控制機(jī)制需要在駕駛室中放置溫度和濕度傳感器。這些傳感器自動(dòng)讀取該區(qū)域內(nèi)的溫度和濕度值，并將其饋送至微控制器(MCU)。然后，MCU會(huì)將這些讀數(shù)與用戶定義的設(shè)置進(jìn)行比較，相應(yīng)地調(diào)節(jié)冷/熱(參見圖3)。

有時(shí)，車上所有成員只好協(xié)商一個(gè)溫度設(shè)置——一些人可能感到冷，而其他人可能感到熱。車載自動(dòng)溫度環(huán)境控制的技術(shù)革新已發(fā)展為分區(qū)溫度環(huán)境控制。采用這種實(shí)施方法，每名成員都可以調(diào)節(jié)他/她乘坐區(qū)域的溫度。

已定義區(qū)域中的每個(gè)區(qū)域都具有一個(gè)單獨(dú)的溫度傳感器，可讀取指定區(qū)域的當(dāng)前溫度。每個(gè)溫度傳感器數(shù)據(jù)都會(huì)與為特定區(qū)域設(shè)定的溫度進(jìn)行比較，并進(jìn)行相應(yīng)的制冷或加熱操作。

自動(dòng)溫度環(huán)境控制系統(tǒng)還包括一個(gè)調(diào)節(jié)車廂內(nèi)整個(gè)空氣系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)。通過它可以調(diào)節(jié)風(fēng)扇速度、空調(diào)壓縮機(jī)開啟和吸入車廂內(nèi)的總體空氣溫度。通常，這些進(jìn)程會(huì)被整合至當(dāng)代汽車的整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中。

圖3：在一個(gè)自動(dòng)溫度環(huán)境控制系統(tǒng)中，MCU會(huì)將車廂內(nèi)溫度和濕度傳感器的數(shù)據(jù)不斷與用戶定義的設(shè)置進(jìn)行比較，然后相應(yīng)地調(diào)節(jié)冷/熱(參見圖3)。

Humidity Sensor：濕度傳感器

Multiple Cabin Temperature Sensors：多艙溫度傳感器

External Temperature Sensor：外部溫度傳感器

User Temperature and Humidity Settings：用戶溫度和濕度設(shè)置

Current Drivers：電流驅(qū)動(dòng)器

Climate Control：氣候控制

Air Conditioning Unit：空調(diào)機(jī)組

Flap control actuators：風(fēng)門控制執(zhí)行器

HVAC Unit：HVAC控制單元

每個(gè)制造商都有為每個(gè)乘客提供完美的溫度環(huán)境的獨(dú)特方法;但是，它們都依賴于特定的類似組件，例如駕駛員HVAC控制單元中的額外控制、后排座椅區(qū)域中的額外HVAC控制單元、每個(gè)區(qū)域的獨(dú)立溫度傳感器、許多額外的隱藏管道用于在需要時(shí)傳送空氣，以及許多額外的通風(fēng)口——很多很多額外通風(fēng)口。例如Lexus LX570有28個(gè)通風(fēng)口。

關(guān)于作者

Nitin Gupta是一名高級(jí)應(yīng)用工程師，在面向數(shù)字多媒體的嵌入式軟件開發(fā)領(lǐng)域具有豐富的經(jīng)驗(yàn)——包括消費(fèi)電子和汽車行業(yè)。

Manish Jindgar是負(fù)責(zé)開發(fā)與汽車有關(guān)參考應(yīng)用的高級(jí)應(yīng)用工程師。

Ravinder Dasila從2011年7月起在飛思卡爾汽車MCU業(yè)務(wù)部擔(dān)任應(yīng)用工程師，參與設(shè)計(jì)汽車參考解決方案。