用于优化汽车能耗的空调控制系统及方法
【专利摘要】本发明提供了一种用于优化混合动力车（HEV）能耗的空调控制系统及方法。基于乘员设定和环境条件，通过改变蒸发器温度，可优化电动压缩机转速以提供必需的冷却能力从而实现节能。在不影响目标排气温度的情况下，确定增加或减少发动机冷却风扇转速对空调控制系统总能耗的影响，从而为节能提供了可能。根据提供的策略优化能耗能够在不牺牲乘客舒适性的情况下提高燃油经济性。
【专利说明】用于优化汽车能耗的空调控制系统及方法
[0001]本申请是申请日为2010年4月26日、申请号为201010167566.5、题为“用于优化
汽车能耗的空调控制系统及方法”的专利申请的分案申请。
【技术领域】
[0002]本发明涉及一种用于优化汽车能耗的空调控制系统及方法。
【背景技术】
[0003]如今，自动空调控制在汽车中越来越普遍。在一些汽车中，驾驶员只要选择一个温度设定，控制系统就会操纵空调控制系统使其达到预期的温度。空调控制系统可控制风扇的运转(例如开启/关闭和风扇转速)以及空调系统的运转。这种空调控制系统同样可控制各种空气节气门或气流门的位置和运动，以控制经由蒸发器芯或加热器芯的空气的运动、车内空气的再循环、新鲜空气的注入或其组合。
[0004]空调系统使用空调压缩机和冷凝器来实现汽车客舱的冷却。冷却风扇靠近冷凝器布置以进一步实现冷却。这种系统的一个缺点是空调压缩机和/或冷却风扇的运转耗费相对较大的能量。
[0005]而且，一些自动空调控制系统监测汽车驾驶室内的温度和湿度级别以确定是否需要对挡风玻璃进行除雾操作。当确定需要进行自动除雾操作的时候，空调系统典型的操作是给挡风玻璃提供相对干燥的空气以快速实现除雾操作。
[0006]就传统的汽车(发动机机械地驱动压缩机)而言，发动机上增加的负荷降低了效率并增加了油耗。通过控制空调控制系统来提高燃油经济性的机会是有限的，因为压缩机的功耗取决于发动机的转速。此外，为了实现预期的目标排气温度而进行的热空气混合经常导致相当大的能源浪费。
[0007]就混合动力车(HEV)而言，电动压缩机和冷却风扇的运转经常需要启动发动机以确保蓄电池不会过量放电。HEV的一个优点是通过使用电动机驱动汽车实现了节油，同时最大程度地增加了发动机停转的时间。从而，空调控制系统的低效率运转能够抵消与通过驱动HEV获得的部分优点。因此，需要一种用于汽车空调控制的系统和方法，该系统和方法能够在满足汽车乘员舒适性需求和最大程度地减小空调控制系统所消耗的总功率之间取得平衡。
【发明内容】
[0008]本发明的目的在于提供一种用于优化混合动力车空调控制系统的能耗的方法，所述空调控制系统包括压缩机和冷却风扇，所述方法包括:当确定混合动力车不在行进中并且冷却风扇没有以最大功率运转时，将冷却风扇功率增加预定值；确定压缩机功率由于冷却风扇功率的增加而减小的值是否大于预定值，至少部分基于确定结果来设定冷却风扇转速。
[0009]其中，确定冷却风扇没有以最大功率运转的步骤包括对测得的冷却风扇功率和最大冷却风扇功率值进行比较。
[0010]所述方法还包括测量第一压缩机功率值和第一冷却风扇功率值。
[0011]确定压缩机功率的减小值是否大于所述预定值的步骤包括:冷却风扇功率增加预定值之后测量第二压缩机功率值；确定第一压缩机功率值与第二压缩机功率值之差是否大于所述预定值。
[0012]其中，通过将第一冷却风扇功率值增加所述预定值获得第二冷却风扇值。
[0013]其中，设定冷却风扇转速包括:如果确定压缩机功率的减小值大于所述预定值，则保持与第二冷却风扇功率值关联的冷却风扇转速不变。如果确定压缩机功率的减小值不大于所述预定值，则设定冷却风扇转速以使冷却风扇功率与第一冷却风扇功率值相等。
[0014]其中，所述预定值至少部分依赖于查找表。
【专利附图】
【附图说明】
[0015]图1是示出根据本申请实施例的用于优化汽车能耗的系统的简化示例性示意图；
[0016]图2是示出汽车空调系统制冷循环的简化示例性示意图；
[0017]图3是示出根据本申请实施例的空调控制系统的简化示例性框图；
[0018]图4是图3中示意性示出的控制头的简化示例性主视图；
[0019]图5是示出根据本申请实施例的方法的简化示例性流程图；
[0020]图6是示出根据本申请另一实施例的方法的简化示例性流程图；
[0021]图7是根据图6示出的实施例的系统所使用的简化示例性查找表；
[0022]图8是根据图6示出的实施例的系统所使用的另一简化示例性查找表。
【具体实施方式】
[0023]一般而言，汽车内驾驶室温度的控制以及挡风玻璃的温度和除雾操作的控制是通过使用各种致动器调节温度和提供给汽车驾驶室的空气流量来实现的。图1示意性示出根据本申请实施例的用于汽车环境管理的示例性系统10。汽车可包括暖通空调系统(HVAC)，大体由标号20指示。HVAC系统20可包括排列的气流门，排列的气流门分别包括面板除霜致动器(门)22、地板致动器(门)24和外部再循环空气致动器(门)28。
[0024]所述门可以是空气分配系统的一部分，空气分配系统用于将调节过的气流直接送至汽车客舱29的各处，例如众所周知的挡风玻璃、地板或仪表板。门22、24和28可由真空马达(未显示)以图1所示的传统方式，在真空、局部真空以及无真空三种位置中的两种不同位置之间驱动，或可由伺服电机驱动。也可提供温度控制混和风门26并可通过伺服电机(未显示)驱动26。温度控制混和风门26提供热空气混和以获得预期的目标排气温度，此温度反映了从HVAC系统20出来进入客舱29的空气温度。
[0025]HVAC系统20还可包括可变转速风扇系统(这里也可称为HVAC鼓风机)30，可变转速风扇系统30包括鼓风机叶轮32，用于产生气流。此外，HVAC系统20还可包括加热系统，如图1所示的加热器芯34，以及空调系统35，包括蒸发器芯36和压缩机37。压缩机37可以是电动压缩机而非由发动机机械驱动的压缩机。这样能够更好地控制HVAC系统20的运转，因为与其转速是跟发动机转速紧密联系在一起的机械式压缩机不同，电动压缩机可配置为可变转速运转。空调系统35可包括为本领域普通技术人员所知的其他各种组件，其中一部分组件将在下文参照图2进行更加详细的说明。
[0026]加热器芯34和蒸发器芯36分别用于加热和冷却由风扇系统30产生的气流。产生的气流可通过气流分配系统和关联管道38进行分配。HVAC系统20可控制气流的温度、流向以及新鲜空气和再循环空气之比。HVAC系统20还可包括与压缩机37连通的低压循环开关39。可操作低压循环开关39使压缩机37在某种工况下停止运转。此外，当蒸发器芯的温度降至预定值以下时，压缩机37可停止运转；这有助于防止蒸发器芯36结冰。
[0027]图2示出空调系统35的制冷循环40的简化示例性示意图。如图所示，工质如制冷剂通过流体管道42沿着箭头44大致所示的方向进行循环。空调系统35可包括与压缩机37流体连通的冷凝器46。压缩机37可通过电动机(未显示)驱动。工质可以以低压气体状态进入压缩机37。压缩机37压缩工质使其变成高压气体。压缩气受压变热。之后，工质进入冷凝器46散热。冷凝器46可包括多个散热片(未显示)或与之相似的用于将热量传递给环境空气的装置。也可提供发动机冷却风扇48，用于促进热量交换。随着热量的消散，工质冷凝成液体。
[0028]之后，液体工质可进入为本领域所知的、与冷凝器46流体连通的膨胀装置50。当工质流经膨胀装置50时，压力下降导致工质蒸发成低温低压气。可提供与膨胀装置50和压缩机37流体连通的蒸发器芯36。当到达蒸发器36时，工质吸收热量从而冷却接近蒸发器的环境空气。可提供HVAC鼓风机30用于进一步促进冷却并迫使冷却后的空气通过管道38进入例如汽车客舱29之内。而后，工质以低温低压气的状态再次进入压缩机37并重复上述循环。
[0029]如以下更加详细的说明，HVAC系统20的运转可通过空调控制系统52来控制。图3示出空调控制系统52的示例性框图，空调控制系统52包括电子控制器54。控制器54能够根据各种输入产生信号以控制HVAC系统20。控制器54既可直接接收来自多个空调控制装置的输入，又可间接接收来自例如电连接到所述控制器的另一控制模块(如车辆系统控制/动力传动系统控制模块(VSC/PCM) 56)的输入。例如，控制器54可以接收来自客舱温度传感器58、环境温度传感器60、发动机冷却剂温度传感器62、蒸发器温度传感器64、湿度传感器66、车速传感器68、太阳负荷传感器70以及排气温度传感器72的输入。传感器58-72可分别提供代表客舱内部温度、环境(外部)空气温度、发动机冷却剂温度(ECT)、蒸发器温度、客舱的相对湿度、车速、太阳光直射和斜射进入汽车的太阳能以及排气温度(即从HVAC系统20排出进入车舱内的空气温度)的信号。
[0030]除了接收来自传感器58-72的输入，控制器54还可通过输入装置74接收来自汽车乘员的输入。输入装置74可以是被普遍应用于汽车仪表板的控制头，如图4所示。如以下更加详细的说明，输入装置74可允许汽车乘员设定一个预期的客舱温度，HVAC系统20可自动运转来实现并维持乘员所设定的温度。此外，输入装置74可允许汽车乘员手动控制HVAC的运转，在某些情况下，可允许汽车乘员超控HVAC系统20的自动运转。控制器54可控制压缩机37和发动机冷却风扇48的运转，也可控制门22-28，以调节温度和空气流量，并最终维持汽车驾驶员和乘客的舒适性。此外，控制器54可通过算法编程来实现汽车挡风玻璃的自动除雾操作。
[0031]图4更加详细地示出了图3示意性示出的示例性控制头74。控制头74可作为汽车乘员的输入装置，允许手动选择各种空调控制功能。模式选择器开关76允许乘员选择气流方向。模式选择器开关76可包括自动(AUTO)设定78，AUTO设定78允许空调控制系统基于环境条件和/或汽车运行特性，来自动调节客舱温度以及自动控制空调的各种控制功能。一个或多个温度选择器开关80可在手动和自动两种模式下提供客舱空气温度控制。温度选择器开关80可包括驾驶员温度选择器开关和乘客温度选择器开关以实现双区域温度控制。在自动模式下，乘员可使用温度选择器开关80来选择预期的舱室温度，预期的舱室温度可通过显示面板82显示出来。之后，空调控制系统52可自动运转来实现并维持乘员所设定的温度。显示面板82可进一步显示当前舱室温度、当前外部环境温度等等。
[0032]空调控制头74可包括风扇选择器开关84，用于提供HVAC鼓风机30的开启/关闭、手动和自动转速控制。再循环开关86允许舱室空气全部再循环、全部新鲜空气或其部分新旧风组合。此外，A/C开关88允许乘员手动选择空气调节。控制头74仅仅是根据本申请实施例可使用的控制头的一个示例。也可使用其他控制头(包括其他模拟控制头或数子控制头)。
[0033]现在转向图5，图5示出了在空调系统35运转时，用于描述优化空调控制系统52能耗的方法100的简化示例性流程图。图5所示的方法可为发动机冷却风扇48和电动压缩机37的能耗以及进入客舱29的排气温度提供连续监测。为此目的，本申请假设至少可生成两条功率曲线，即作为冷却风扇转速(未显示)的函数的发动机冷却风扇功率曲线和作为压缩机转速(未显不)的函数的电动压缩机功率曲线，并被映射到一个或多个查找表。一旦获得目标排气温度，空调控制系统52总的能耗值便可被计算出来。使用查找表，图5的方法所用的策略能够确定在不显著影响目标排气温度的情况下，通过空调控制系统来降低压缩机转速和提高发动机冷却风扇转速是否将导致更低的总能耗。
[0034]如图5所示，可在步骤102测得对应于空调控制系统52的多个汽车运行特性。例如，可测得第一压缩机功率值(CP1X第一发动机冷却风扇功率值(FP1X第一排气温度值(DAT1)和当前车速(VS)。CP1可对应于被电动压缩机37消耗的当前功率值，而FPl可对应于同时被发动机冷却风扇48消耗的当前功率值。同样地，DAT1对应于从气流门排出通过HVAC鼓风机30进入客舱29的空气的当前温度。
[0035]一旦测得汽车运行特性，系统便可在步骤104确定汽车是否在行进中。例如，如果VS大于Omph，则系统可推断出车辆正在行进中。如果汽车不在行进中，为了减小总功耗，可增大冷却风扇的转速。因此，系统可紧接着确定发动机冷却风扇48是否以最大额定功率(FPmax)运转，如步骤106所示。如果FPl没有达到最大值额定功率，则可通过增大发动机冷却风扇转速来增大冷却功率。如前所述，作为冷却风扇转速的函数的冷却风扇功率曲线和作为压缩机转速的函数的压缩机功率曲线可被映射到一个或多个查找表。因此，为了简明起见，可做如下假设:参照冷却风扇转速的增加或减少，分别增加或减少冷却风扇功率；反之亦然。同样地，参照压缩机转速的增加或减少，分别增加或减少压缩机功率；反之亦然。
[0036]因此，如果FP1 < FPfflax,发动机冷却风扇功率可增加预定值(A1),如步骤108所示。在这点上，冷却风扇转速的增加值对应于冷却风扇功率的增加值Λ 10在不脱离本申请范围的情况下，Λ i可由几种方法中的一种来确定。举个例子来说，可依照一个或多个查找表来确定A1，并可受一个或多个环境条件的影响，例如外部环境温度。这是因为温度越高，发动机冷却风扇48的冷却作用越灵敏。用于确定Λ !的附加查找表在不同车速下都是必需的，因为流经冷凝器的空气量各异。举另一个例子来说，Δ i可以是按照设计标准和/或汽车和系统的其他限制、约束和技术规范而选择的恒定值。图5所示的示例性方法每秒钟可被执行数次,因此,最优冷却风扇功率可通过迭代过程来确定。
[0037]由于冷却风扇功率的增加，得到第二冷却风扇功率值(FP2),FP2等于FP1加上Λ 10一旦得到了 FP2，紧接着在步骤110，对应于电动压缩机37所消耗的功率值，便可测得第二压缩机功率值(CP2)。之后，可确定发动机冷却风扇功率增加Λ !是否导致压缩机消耗的功率有所减少。通常，在基本不影响排气温度的情况下，通过增加发动机冷却风扇转速来增加冷却功率可使得电动压缩机转速减少。在步骤112，可确定压缩机功率的减小值是否大于Δ 10换言之，如图5所示，CP1 — CP2 >Λ I ? [0038]如果确定压缩机功率消耗的减小值大于附加功率值Λ !是由于增加冷却风扇转速而被发动机冷却风扇所消耗的功率)，则可由此得出结论:冷却风扇功率的增加导致空调控制系统总功耗净值的减少。如前所述，空调控制系统消耗的功率越少，汽车蓄电池的消耗越少。保持蓄电池电量可最大程度地减少发动机运转的时间，从而提高燃油经济性。因此，如果确定了电动压缩机功耗的减小值大于Λ 1；则发动机冷却风扇功率可维持在FP2,如步骤114所示。另一方面，如果发动机冷却风扇功率增加的Λ !并没有导致压缩机功率的减小值大于Λ i，则冷却风扇转速可被设定为在步骤102测得的初始转速，而冷却风扇功率等于FP1，如步骤116所示。这是因为增加冷却风扇转速并没有导致空调控制系统总功耗净值的节约。
[0039]回到步骤104，如果确定汽车正在行进中，则方法可进行到步骤118。同样地，如果在步骤106确定发动机冷却风扇48以最大额定功率FPmax运转，则方法也可进行到步骤118。换言之，无论是汽车正在行进中还是发动机冷却风扇转速不再增加，方法均可进行到步骤118。在步骤118中，提供给发动机冷却风扇48的功率可减少预定值(Λ 2)，得到第二冷却风扇功率值FP2。可通过与确定A1差不多的方法来确定Λ 2。一旦冷却风扇功率减少，便可在步骤120再次测量电动压缩机37所消耗的功率以得到第二压缩机功率值CP2。同样在步骤120，再次测量排气温度以得到第二排气温度值(DAT2)。从而，可得到与减少发动机冷却风扇转速对压缩机转速和排气温度产生的影响一致的输入。
[0040]之后，方法可进行到步骤122，在这一步骤中可确定排气温度的增加是否大于预定值(X)。如果确定排气温度的增加值大于X，则发动机冷却风扇功率可被设定或返回第一冷却风扇功率值FP1，如步骤116所示。虽然在空调模式下通过空调控制系统来优化总功耗是图5所述策略的一部分，但这将最大程度地减小对乘客舒适性的影响。如果排气温度增加太多，则有损乘客舒适性。因此，预定值X可以是任何名义值，如2° F、4° F等等。可替代地或可附加地，X可根据乘员输入的自动温度设定而改变。不管怎样，如果减少冷却风扇功率导致排气温度显著增加，则冷却风扇功率可返回初始值FP115
[0041]另一方面，如果确定排气温度的增加值不大于X，则可在步骤124确定由于冷却风扇功率的减少而导致电动压缩机功耗的增加值是否大于Λ 2。换言之，可确定CP2与CP1之差是否大于Λ 2。如果确定由于冷却风扇功率的减少而导致电动压缩机37功耗的增加值大于八2，则方法可进行到步骤116，将冷却风扇功率设定为第一冷却风扇功率值FP115这是因为虽然冷却风扇48的功耗减少Λ 2，但是这样的减少可导致电动压缩机37功耗的增加值大于A2以达到或以其他方式维持舱室温度的自动设定值。因此，结果将导致总功耗净值的增加，这应当避免。然而，如果确定冷却风扇功率减少Λ 2并没有导致压缩机功率增加值大于八2，则可通过空调控制系统实现总功耗净值的减少。在这种情况下，如步骤124所示，冷却风扇功率减小值Λ 2可保持不变。
[0042]请注意，为了系统地实施总功耗策略，空调控制系统52可不断反复地执行图5所述的方法。为此目的,方法100的每次循环可每秒钟发生数次，例如每IOOms发生一次循环、每50ms发生一次循环等等。在不脱离本申请范围的情况下，方法100的执行频率可与这里提供的不同。
[0043]现在转向图6，图6示出用于管理空调控制系统52的功耗的另一方法200的简化示例性流程图。图6所用的策略可根据乘员空调控制设定和一个或多个环境条件来限定或以其他方式确定可变蒸发器芯温度。根据详细的设计要求和/或技术规范，可计算和校准可变蒸发器芯温度。通过改变蒸发器芯温度，可优化电动压缩机转速以提供必需的冷却能力从而实现节能。此外，方法200可最大程度地减少提供给目标排气温度的不必要的热空气混合(以减少用于克服不必要热空气混合的冷却能量)。因此，图6所用的方法可同样优化燃油经济性，同时保持一定级别的乘客舒适性。
[0044]如图6所示，在步骤202接收乘客设定的舱室温度(Tsp)，乘客设定的温度Tsp对应于通过控制头74传送到控 制器54的乘员预期的自动温度设定。在步骤204，可测得多个汽车运行特性，多个汽车运行特性可包括一个或多个环境条件。例如，多个汽车运行特性可包括测量外部环境温度(T?b)、舱室内部温度(TMb)、太阳负荷(SL)以及相对湿度(RH)。紧接着在步骤206，确定初始目标蒸发器芯温度(T_pl)。Tevapl可依照查找表(例如图7所示的表90)根据冷却需求(可基于Τ-、Tcab和SL确定冷却需求)来确定。
[0045]参照图7，可获得O和255之间的冷却需求值，其中，O表示最大冷却需求值，255表示最小冷却需求值。例如，冷却需求值O可对应于相对较高的TamPTcab和SL值，而冷却需求值255可对应于相对较低的Tamb、Tcab和SL值。T-、Tcab和SL的各种其他组合可得到O和255之间的中间冷却需求值。如图7所示，一旦得到冷却需求，便可确定Tevapl。图7的表90可由作为大量试验结果的校准值构成。
[0046]请注意，Tevapl可提供目标蒸发器芯温度基点，温度基点代表干燥空气设定下的目标温度。之后，方法进行到步骤208，其中，可根据下面的示例性公式确定露点温度(TdM):
【权利要求】
1.一种方法，包括: 从气候控制单元接收指示乘客设定的舱室温度Tsp的信号，以及一个或多个环境条件； 基于所述Tsp和所述环境条件，从预定数据选择初始目标蒸发器芯温度Tevapl ； 基于所述环境条件计算露点温度TdOT ； 当Tevapl大于Tdew时，将目标蒸发器心温度Tevap设直为Tdew ； 基于Tevap输出控制信号。
2.如权利要求1所述的方法，还包括: 当Tevapl不大于Tdew时,将Tevap设直为Tevapl°
3.如权利要求1所述的方法，还包括: 计算挡风玻璃雾化概率值； 进一步部分地基于挡风玻璃雾化概率值设置T_p。
4.如权利要求3所述的方法，其中，进一步部分地基于挡风玻璃雾化概率值设置Tevap的步骤包括: 当挡风玻璃雾化概率值指示存在挡风玻璃雾化风险时，基于所述挡风玻璃雾化概率值计算第二目标蒸发器芯温度Tevap2 ； 将Tevap设置为Tevap2。
5.如权利要求4所述的方法，其中，计算Tevap2的步骤包括: 基于挡风玻璃雾化概率值从预定数据选择目标蒸发器芯温度改变量△ Tevap ；
将 Tevap 减少 ATevap。
6.如权利要求3所述的方法，其中，进一步部分地基于挡风玻璃雾化概率值设置Tevap的步骤包括: 当挡风玻璃雾化概率值指示不存在挡风玻璃雾化风险时，保持Tevap的当前值。
7.—种车辆气候控制系统,包括: 用于冷却气流的蒸发器芯； 控制器，所述控制器被构造为: 基于乘客设置的舱室温度Tsp以及一个或多个环境条件，从预定数据选择初始目标蒸发器芯温度Tevapl ； 基于环境条件计算露点温度TdOT ； 当Tevapl大于Tdew时，将目标蒸发器心温度Tevap设直为Tdew。
8.如权利要求7所述的系统，其中，所述控制器还被构造为:当Tevapl不大于Tdrat时，将Tevap 设置为 Tevapl。
9.如权利要求7所述的系统，其中，所述控制器还被构造为: 计算挡风玻璃雾化概率值； 进一步部分地基于挡风玻璃雾化概率值设置T_p。
10.如权利要求9所述的系统，其中，所述控制器还被构造为:通过如下步骤进一步部分地基于挡风玻璃雾化概率值来设置Tevap: 当挡风玻璃雾化概率值指示存在挡风玻璃雾化风险时，基于挡风玻璃雾化概率值计算第二目标蒸发器芯温度Tevap2; 将Tevap设置为Tevap2。
11.如权利要求10所述的系统，其中，控制器被构造为通过如下步骤计算Tevap2: 基于挡风玻璃雾化概率值从预定数据选择目标蒸发器芯温度改变量△ Tevap ；
将 Tevap 减少 ATevap。
12.如权利要求9所述的系统，其中，所述控制器被构造为通过下述步骤进一步部分地基于挡风玻璃雾化概率值设置Tevap: 当挡风玻璃雾化概率值指示·不存在挡风玻璃雾化风险时，保持Tevap的当前值。
【文档编号】B60H1/00GK103587375SQ201310495899
【公开日】2014年2月19日 申请日期:2010年4月26日 优先权日:2009年5月6日
【发明者】哈利姆·维贾亚, 格哈德·A·达吉, 韦恩·弗兰克·比舍尔, 克里斯多佛·马克·格雷纳 申请人:福特全球技术公司