丰田汽车自动空调系统解析(上)
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汽车空调系统的主要作用是为驾乘人员提供舒适的环境，降低疲劳感，预防或去除附在挡风玻璃上的霜、雾、雪，以确保驾驶员的视野清晰和行驶安全。影响乘员在车内舒适感的主要因素是车内空气的温度、湿度和风速。图1所示为美国采暖制冷与空调工程协会ASHRAE制作的人体热舒适线性要求。为提高人体热舒适性，近年来采用计算机控制的全自动空调已在中高级乘用车上广泛使用，例如丰田皇冠轿车的自动空调系统（图2所示）。
一、自动空调系统概述
自动空调系统控制系统由图3所示的组件构成。自动空调系统是通过用温度选择开关设置预定温度或按AUTO开关来触发空调放大器，自动调整并保持该预定的温度。在某些车型上的自动空调系统中还采用了烟雾通风传感器。
（1）空调C放大器
空调放大器控制系统图（图4）所示，空调放大器的作用是计算要吹出的空气温度和气流量，并根据各传感器和设定温度决定气流模式。用这些计算值来控制空气混合风门挡板的位置、送风机速度和气流模式风门挡板的位置。丰田皇冠轿车上还使用了多路传输（多路通信系统）把操作信号从控制面板发送到空调放大器。
（2）传感器
①如图5a所示，内部温度传感器使用热敏电阻原理进行测量，它检测车辆内部温度，用作温度控制的基础。它安装在带有通风口的仪表盘处，此通风口利用送风机吸入车辆内部空气，以便检测车辆内部的平均温度。
②环境温度传感器
如图5b所示，环境温度传感器使用热敏电阻原理进行测量，它安装在冷凝器的前面。它检测车辆外部温度，用来控制由外部温度波动所引起的内部温度波动。
③太阳能传感器
如图5c所示，太阳能传感器使用光电二极管进行检测，它安装在仪表盘板的上部。它检测日照的强度，用来控制由日照量波动引起的内部温度波动。
④蒸发器温度传感器
蒸发器温度传感器使用热敏电阻原理进行测量，它安装在蒸发器上。它检测蒸发器表面的温度，用于防止蒸发器表面结霜，阻碍空气的流动。
⑤水温传感器
水温传感器使用热敏电阻原理进行测量，信号由发动机ECU传送。它用于发动机温度过热时自动关闭空调运行和发动机温度低时的预热控制等。
⑥内部湿度传感器
如图6所示，内部湿度传感器与内部温度传感器安装在一起，使用湿度感应电阻薄膜制成。它检测车辆内部湿度，湿度变化时，传感器的信号电压改变（表1所示）。
⑦烟雾通风传感器
烟雾通风传感器安装在车辆前面。它检测车辆外部CO（一氧化碳）、HC（碳氢化合物）和NOx（氮氧化物）的浓度，控制新鲜空气风门在FRESH（新鲜空气）和RECIRC（循环空气）之间切换。
（3）伺服电机
伺服电机是由带触点的位置传感器、电机和总线连接器组成的总成件。新型的伺服电机运转及停止位置检测方式，由传统的电位计电压检测改为脉冲信号检测方式。伺服电机用于驱动空气混合风门挡板、进气风门挡板、气流模式挡板的转动及其位置的控制（图7所示）。新型的伺服电机的特点：
①空调放大器通过总线与各个伺服电机上的总线连接器进行通信（图8所示）。使用总线连接的每个伺服电机仅需要三根导线，而传统的控制方式每个伺服电机需要五根导线（图9所示），所以使用总线连接的伺服电机线束数量更少，结构更轻便。
②与传统的用电位计电压检测伺服电机转动位置相比，脉冲型伺服电机通过ON和OFF两位信号检测相对位置，另外通过输出4种模式的2个相位（A和B）检测伺服电动机的正转和反转，空调放大器以计算脉冲模式的数量来判断伺服电动机的停止位置（图10所示）。所以车辆断电或更换空调放大器后，需要对伺服电机进行初始化作业。
（4）计算空气出口温度（TAO）
为了迅速地将车辆内部温度调整到规定温度，空调放大器根据各传感器传输来的温度信息计算出风口的空气温度（TAO）。自动空调主要用车辆内部温度的信息作为计算气流温度的基础，同时也利用环境温度和日照总量进行精确地修正计算（图11所示）。
（5）空气出口温度控制
为了迅速地将车辆内部温度调整到设定温度，可以通过控制空气混合挡板的位置（开启度），调整热空气和冷空气的比例来控制气流温度。在一些车型上，水阀的开启位置也根据挡板位置改变（如图12所示）。
①MAX控制
当温度设置在MAX COOL或MA×HOT时，不管TAO的值如何，空气混合挡板被充分地开到COOL侧或HOT侧，这便是所谓的“最冷控制”或“最热控制”。
②正常控制
当温度被设置在18.5～31.5℃（65.3～88.7F）之间时，根据TAO的值控制空气混合挡板位置，以便将车辆内部温度调整到规定温度。
⑧计算空气混合挡板开启度
假定当空气混合挡板被移动到COOL侧顶端时，它的开启度为0；当它被移动到HOT侧顶端时，它的开启度为100%；当开启度为0时，蒸发器温度约等于TAO；当开启度为1 00%时，根据发动机冷却液温度计算出来的加热器芯温度等于TAO。空调放大器起动伺服电机控制空气混合挡板的开启度，将实际的挡板开启度调整到目标开启度（由伺服电动机脉冲模式的数量测所得）。
目标挡板开启度=（TAO-蒸发器温度）/（发动机冷却液温度一蒸发器温度）×100
④左右单独控制空气出口温度
在某些车型上，可以根据驾驶员侧和乘员侧的各自温度设置，单独执行温度和气流控制。按下述方法执行温度和气流控制：
如图13a所示，在左右侧各装有一个空气混合挡板以便能单独地进行温度控制，即采用挡板控制。如图13b所示，采用步进马达缩回带有孔的薄膜挡板，并调整孔的位置，以便进行单独的温度和气流控制，即薄膜挡板控制。
（6）新鲜空气控制
当车辆内部温度与设定温度的差距很大时，进气控制自动切换到内部空气循环模式，以便有效地冷却（如图14所示）。新鲜空气控制模式：①正常：FRESH（新鲜空气）；②当内部温度高时：RECIRC（循环）。
在某些车辆上，如果烟雾通风传感器检测到外部空气中CO（-氧化碳）、HC（碳氢化合物）和NOx（氮氧化物）超过规定水平时，进气控制也自动地切换到RECIRC。当空气流量选择DEF（前除霜）模式，进气控制自动切换到FRESH。
（7）出气模式控制
当空调温度挡板在加热器和冷却器之间切换时，空调放大器自动切换到要求的空气流量。如图15所示，当降低内部温度时，转换到FACE（身体的上半部吹风）；当内部温度被稳定在设置温度左右时，转换到BI-LEVEL（身体的上半部和脚部吹风）；当加热内部时，转换到FOOT（脚部吹风）。
（8）送风机控制
空调放大器根据车辆内部温度和设置温度之间的差距，自动调整送风机速度来控制风量。如图16所示，当存在大的温差时，送风机速度Hi（高）；当存在小的温差时，送风机速度Lo（低）。
①自动控制。空调放大器根据车辆内部温度和设置温度之间的差距，通过调整送风机的电流占空比连续控制送风机速度（丰田皇冠轿车31级速度）。
②手动控制。可以通过手动设置送风机速度选择器，来调整送风机速度（丰田皇冠轿车7级速度）。
（9）预热控制
当气流模式被设置到FOOT或BI-LEVEL，并且送风机速度选择器设置到AUTO时，送风机速度根据发动机冷却液温度控制（图17所示）。当冷却液温度低时，为了不影响暖机速度，预热控制限制送风机马达运转。当预热时，预热控制取下限值速度运转送风机。预热后，预热控制执行正常控制。
（10）人工神经网络计算目标出气温度
在早期的自动空调系统中，空调放大器根据从传感器收集到的信息，计算出气口温度，但这种控制不能满足乘员个体热舒适感觉。按图11计算出气口温度，只能在稳态工况或环境空气参数变化不大的情况下使用。当环境参数变化较大时，必须考虑到环境参数变化率对乘员个体热舒适感觉的影响。例如即使出风口温度一样，各乘员对其感觉也是不尽相同的。因此，现代轿车的自动空调系统中采用了一项可实现高水准的处理技术，人工神经网络处理。人工神经网络是在现代神经科学的基础上，模拟人脑的基本功能，能够处理复杂的多输入、多输出非线性系统数据（图侣所示）。它是由三层神经元组成的网络，不同层的神经元之间通过节点连接权系数相联系。其中输入层神经元参数为环境温度、日照量、内部温度，中间层神经元，基于输入层神经元的数据，负责调节神经元中的关联强度，然后输出层的神经元计算出目标出气口温度、光照修正量、目标空气流量和出气模式控制量。空调放大器根据人工神经网络所计算的控制量控制伺服电机运转和送风机转速。经过人工神经网计算后的目标出气温度与人体动态热舒适感觉期望值误差均方值达到了最小。（未完待续）