一种车辆用太阳能空调的温度补偿方法及系统与流程

本发明涉及车辆的空调技术，特别是一种车辆用太阳能空调的温度补偿方法及系统。

背景技术：

如今，空调已是汽车上不可缺少的一项配备。随着客户对舒适性要求的提高，能够实现车内温度分区控制的多温区太阳能空调也越来越多地在车辆辆上得到应用。

在车辆的行驶过程中，由于阳光对车辆各个温区的影响随着太阳和车辆的位置关系不同而不同，并且季节的不同，阳光照射强度等因素对车辆内的各个部分的影响各异，夏季车内高温环境会加速车内装饰材料中致癌物质的挥发，严重影响人们的身体健康，而制冷驱动系统使用的制冷剂会对大气产生影响，因此目前的太阳能汽车辅助空调系统广为使用，利用太阳能光电转换原理，将接收到地太阳能转化为电能，然后驱动半导体制冷，调节汽车的内部温度，考虑到车内乘客的数量和乘坐的位置以及汽车装饰物所在的位置划分了多个温区，各温区对于阳光照射的空调补偿要求也不同。目前，多温区空调都是采用多温区阳光传感器，分别测量阳光对不同区域的影响，从而计算得到各温区的空调补偿。由于多温区空调要集成多个温度传感器，因此费用较高，不利于成本控制；另一方面，多个温度传感器必然导致对车载系统控制器输入引脚资源的需求相应增多，从而增加了其实现的复杂度，不利于无人汽车的推广应用。而转而采用中央空调常规的控制方法进行温度补偿，通常是基于PID算法的DDC控制，而空调系统的控制对象-热工对象有一些独特的特征，比如多种干扰影响，导致空调负荷大范围波动，季节不同使空调系统具有多工况性，温度和湿度的相关性增加了温度控制的难度。因此现有技术的常规PID温度控制难以适应对多区温度控制的要求，鲁棒性差，参数滞后性强，精确控制难，容易出现超调和振荡。

技术实现要素：

本发明解决的问题是采用更优化的温度补偿方法和系统，克服车辆的太阳能空调温度系统的不确定性、多工况性、时变性，多扰动性的特点，在获得海量数据的基础上采用预测补偿控制策略进行补偿控制。

为解决上述问题，本发明提供一种车辆用太阳能空调的温度补偿方法，包括：

(1)检测太阳倾角，时差，地方太阳时，太阳高度角和方位角以及太阳入射角从而计算太阳的位置，

(2)检测太阳辐射直射强度值，太阳辐射散射强度值以及设计日的逐时气温和湿度；

(3)检测车辆当前的经度值和纬度值以及所述车辆当前的行车方向；

(4)根据太阳的位置与所述车辆的纬度值的大小关系以及所述太阳位置的经度值，判断太阳和所述车辆之间位置关系；

(5)根据车辆所处位置和所处季节，调用近几年该地相同日的平均气象资料确定室外环境数据；

(6)根据设计日的逐时温度，室外环境数据以及室内的环境数据计算车辆所在区域的多个温度补偿系数，并存于数据库中；

(7)根据所述车辆的行车方向、太阳和所述车辆之间的位置关系与所述车辆所在区域温度补偿系数的对应关系，查询数据库中对应的温度补偿系数；通过单区光强传感器检测阳光光强；根据所述阳光光强和所述温度补偿系数之间的函数关系对所述车辆的不同区域进行阳光补偿，作为温度补偿。

优选的，所述检测太阳位置包括经度值检测和纬度值检测。

优选的，所述经度值检测包括：根据太阳经度随设计日变化的线性关系，获取当前时间所对应的太阳位置的经度值。

优选的，所述纬度值检测包括：根据太阳纬度随设计日变化的线性关系，获取当前日期所对应的太阳位置的纬度值。

优选的，所述检测车辆当前的经度值和纬度值包括：通过GPS定位装置检测所述车辆当前的经度值和纬度值。

优选的，所述检测所述车辆当前的行车方向，包括：根据所述车辆的经度值和纬度值的变化，判断所述车辆的行车方向。

优选的，所述室内的环境数据包括：车身不透明围护结构的逐时传入热量，车窗玻璃的逐时传入热量，乘员散热量，电气设备散热量和/或新风换气系统传入的热量。

优选的，根据所述阳光光强和所述温度补偿系数之间的函数关系对所述车辆的不同区域进行阳光补偿包括将所述阳光光强乘以所述温度补偿系数，作为所述车辆的不同区域的温度补偿值。

一种车用太阳能空调的温度补偿系统，其中包括：第一检测单元，用于检测太阳倾角，时差，地方太阳时，太阳高度角和方位角以及太阳入射角从而计算太阳的位置；第二检测单元，用于检测太阳辐射直射强度值，太阳辐射散射强度值以及设计日的逐时气温和湿度；第三检测单元，用于检测车辆当前的经度值和纬度值以及所述车辆当前的行车方向；判断单元，根据太阳的位置与所述车辆的纬度值的大小关系以及所述太阳位置的经度值，判断太阳和所述车辆之间位置关系；室外环境确定单元，根据车辆所处位置和所处季节，调用近几年该地相同日的平均气象资料确定室外环境数据；计算单元，根据设计日的逐时温度，室外环境数据以及室内的环境数据计算车辆所在区域的多个温度补偿系数，并存于数据库中；控制单元，用于控制单区阳光传感器检测阳光光强；补偿单元，用于根据所述车辆的行车方向、太阳和所述车辆之间的位置关系与所述车辆所在区域温度补偿系数的对应关系，查询数据库中对应的温度补偿系数并根据所述阳光光强和所述温度补偿系数之间的函数关系对所述车辆的不同区域进行阳光补偿从而实现温度补偿。

优选的，所述第一检测单元包括：第一检测子单元，用于检测设计时；第一获取子单元，用于根据太阳经度随时间变化的线性关系，获取当前时间所对应的太阳位置的经度值。

优选的，所述第一检测单元包括：第二检测子单元，用于检测设计时；第二获取子单元，用于根据太阳纬度随时间变化的线性关系，获取当前日期所对应的太阳位置的纬度值。

优选的，所述第二检测单元包括：控制子单元，用于通过GPS定位装置检测所述车辆当前的经度值和纬度值。

优选的，所述第二检测单元还包括：判断子单元，用于根据所述车辆的经度值和纬度值的变化，判断所述车辆的行车方向。

优选的，所述补偿单元包括：计算子单元，根据所述阳光光强和所述温度补偿系数之间的函数关系对所述车辆的不同区域进行阳光补偿包括将所述阳光光强乘以所述温度补偿系数，作为所述车辆的不同区域的温度补偿值。

与现有技术相比，本发明实施例的技术方案具有以下优点：

通过将太阳的位置和车辆的经纬度进行比较，得到太阳和车辆之间的位置关系，结合车辆的行车方向，可以获知车辆各区域受到阳光照射的程度，从而获得车辆各区域对应当前太阳和车辆之间的位置关系以及行车方向的补偿系数，融合了外部环境数据和内部环境数据，将温度以外的人员散热等环境因素也作为温度补偿的考虑因素，只需要一个单区阳光传感器检测阳光光强作为基准，将光强与温度耦合从而实现光伏原理和光热原理的车用太阳能空调的普遍使用，降低多温区自动空调的成本和实现的复杂度。

根据下文结合附图对本发明具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本发明的上述以及其他目的、优点和特征。

附图说明

后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本发明的一些具体实施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人员应该理解，这些附图未必是按比例绘制的。本发明的目标及特征考虑到如下结合附图的描述将更加明显，附图中：

图1为根据本发明实施例的车辆用太阳能空调的温度补偿方法的流程图；

图2为根据本发明实施例的计算太阳辐射强度流程图；

图3为根据本发明实施例的车辆用太阳能空调的温度补偿系统框图。

具体实施方式

参见附图1，实施例涉及一种车辆用太阳能空调的温度补偿方法，包括：(1)检测太阳倾角，时差，地方太阳时，太阳高度角和方位角以及太阳入射角从而计算太阳的位置；(2)检测太阳辐射直射强度值，太阳辐射散射强度值以及设计日的逐时气温和湿度；(3)检测车辆当前的经度值和纬度值以及所述车辆当前的行车方向；(4)根据太阳的位置与所述车辆的纬度值的大小关系以及所述太阳位置的经度值，判断太阳和所述车辆之间位置关系；(5)根据车辆所处位置和所处季节，调用近几年该地相同日的平均气象资料确定室外环境数据；(6)根据设计日的逐时温度，室外环境数据以及室内的环境数据计算车辆所在区域的多个温度补偿系数，并存于数据库中；(7)根据所述车辆的行车方向、太阳和所述车辆之间的位置关系与所述车辆所在区域温度补偿系数的对应关系，查询数据库中对应的温度补偿系数；通过单区光强传感器检测阳光光强；根据所述阳光光强和所述温度补偿系数之间的函数关系对所述车辆的不同区域进行阳光补偿，作为温度补偿。其中检测太阳位置包括经度值检测和纬度值检测。经度值检测包括：根据太阳经度随设计日变化的线性关系，获取当前时间所对应的太阳位置的经度值。纬度值检测包括：根据太阳纬度随设计日变化的线性关系，获取当前日期所对应的太阳位置的纬度值。检测车辆当前的经度值和纬度值通过GPS定位装置检测所述车辆当前的经度值和纬度值。检测所述车辆当前的行车方向包括：根据所述车辆的经度值和纬度值的变化，判断所述车辆的行车方向。室内的环境数据包括：车身不透明围护结构的逐时传入热量，车窗玻璃的逐时传入热量，乘员散热量，电气设备散热量和/或新风换气系统传入的热量。根据所述阳光光强和所述温度补偿系数之间的函数关系对所述车辆的不同区域进行阳光补偿包括将所述阳光光强乘以所述温度补偿系数，作为所述车辆的不同区域的温度补偿值。

太阳辐射热属于外部干扰，辐射越强，车辆空调的工作时间越差，而且所处的环境越差，会提高制冷符合的需求，而且一天中不同时间的辐射强度差异性比较大，但是车辆本身对温度的适应性强，随环境温度的变化而迅速改变，也导致了空调工作难度的加大，因此太阳辐射的一般规律必须准确才能对于补偿量作出最为实际的计算。

其中，任意表面所接收的太阳辐射直射强度与太阳光线垂直的表面接收的直射强度以及太阳光入射角的余弦值相关，一般为两者的乘积，而太阳辐射的散射强度为天空散射辐射强度和地面反射辐射强度的和，对于天空散射的情况，在晴天和多云以及有雨雪的天气状况下获得的散射辐射影响差别比较大，相同的季节呈现一定的规律，通过经验和查表两种方式交叉进行验证，将车辆的面与水平面的夹角也要作为一个考虑因素，在同一时刻的同一地点只要夹角一致，那么任意朝向的面都具有相同的天空辐射散射，对于地面反射，可以采用地面反射率与太阳高度角的正弦值的乘积，然后考虑地面性质给出权重系数，一般沥青地面的地面反射较小，而地面凹凸不平的地面反射较大。

太阳位置的计算是该实施例重点关注的点。在具体实施中，可以采用如下方式获取当前时间的太阳位置的经度值：预先将所述太阳经度值与设计日的映射关系以图表或公式形式予以存储。所谓设计日，表示的是由于在计算空调系统温度补偿量时所用的各种室外设计量都是假定值，根据近几年某地某一天的平均气象资料来确定，这一条被称为设计日，设计日的气象条件时使用科学的方法将测得的实际数据进行整理，最后得出的统计值，而不是单指某一天的真实数据。在本发明一实施例中的太阳的经度和时间的对应关系示意图中横轴表示时间，可以具体到分钟，纵轴表示太阳经度值。太阳经度值和设计日呈线性关系。在进行阳光补偿时，通过检测设计时，例如可以通过从车载系统中检测系统时间作为设计时，并根据存储的太阳经度随时间变化的线性映射关系信息，可以获取设计日所对应的太阳位置的经度值。在具体实施中，还可以采用如下方式获取设计日所对应的太阳位置的纬度值：预先将所述太阳纬度值与时间的映射关系以图表或公式形式予以存储。本发明实施例中的太阳的纬度和日期的对应关系示意图中采用横轴表示日期，纵轴表示太阳纬度值。太阳纬度值和设计日呈线性关系。在进行阳光补偿时，通过检测设计日，例如可以通过从车载系统中检测系统日期作为设计日，并根据存储的太阳纬度随日期变化的线性映射关系信息，可以获取设计日所对应的太阳位置的纬度值。可以理解的是，上述获取太阳经度值以及太阳纬度值的方法仅仅只是一种获取太阳经纬度位置信息的方法。还可以通过其他方法，如车载系统通过网络连接相关应用服务直接获取太阳的位置信息。其均属于本发明的保护范围之内。

对于太阳倾角d的计算，由于地球的自转轴与其围绕太阳旋转的公转轴之间存在夹角，这一夹角就是太阳倾角，也就是太阳光线与地球赤道平面之间的夹角，采用公知的公式进行太阳倾角的计算，变化范围为-23.4度-23.4度。由于地球自转的不均匀，致使太阳时与我们平时所说的时间，进而与设计日存在偏差，这个时差应该纳入太阳位之计算的考虑范围之内。而地方太阳时与我们平时所述的北京时间存在如下关系：

T＝t+e+(L-120)/15，其中t表示北京时间，L为计算地点的经度，e表示上面所说的时差。

太阳时角H的计算为：H＝15*(t-12)

太阳高度角指的是太阳的入射光线的直射光线偏离它的水平分量的角度，为计算地点纬度正弦值与计算地点经度正弦值之积与计算地点纬度余弦值与计算地点经度余弦值之和，太阳方位角指得是太阳光线的水平投影偏离正南方向的方位角，计算地点纬度正弦值与计算地点经度正弦值之积与计算地点纬度余弦值与计算地点经度余弦值之商。太阳光入射角的强度与太阳直射强度的计算相关，设太阳光水平投影与车身表面法线的夹角为n，a为车身法向方位角，太阳光直射强度为：I＝I’cos a cos n。由此可见，太阳辐射强度在任意表面任意设计日接收的强度值都可以计算，通过计算机软件的计算更为简单，可以在程序中设计日对应的输入时间、地点、汽车朝向等参数，便可以计算出所需的太阳辐射强度等相关数据，以此作为温度补偿值的计算基础，其中计算太阳辐射强度的程序流程如图2所示。

对温度补偿数值进行计算进而对太阳光照进行计算的时候，一般考虑环境温度与太阳辐射的双重作用，因此，除了计算车玻璃的过程，其他的都需要将上面两项合并成为一个综合温度，作为外部干扰，综合温度实际上并不存在，是一个假设的值，不能反映任何实际的物理过程，其中该综合温度计算公式与车辆室内外的空气温度，表面对辐射的吸收率，车身颜色和使用时间，车体外表面对流换热系数，汽车外表面对长波辐射的吸收率，汽车外表面发射的长波辐射与接收的长波辐射之差有关系，实际上找到这些自变量与因变量之间的关系还是很有难度的，因此，将垂直面和水平面作为两个极端的受光面，然后采集一定数量的辐射和温度数据进行动态拟合以进行相近处理。

对于室内的环境数据计算包括：车身不透明围护结构的逐时传入热量，车窗玻璃的逐时传入热量，乘员散热量，电气设备散热量和/或新风换气系统传入的热量。汽车车身的非透明部分主要包括侧围、车门、顶棚和地板。根据稳态传入理论，得到传入热量与围护结构的散热面积，室内外温度差值以及一个围护结构个部分综合平均传热系数的乘积成正比。我们通常将围护结构的每个面近似看成是垂直面，并且不能考虑含有玻璃的部分，维护结构的面积主要考虑左、右侧围和车门两部分，包括内外钢板、内饰非金属板以及空气间隙。通过车玻璃传入的能量包括玻璃将辐射热吸收导致自身温度升高后，通过对流和长波辐射向周围传递的热量，另一部分是直接传进车室内的短波辐射热量。因此可以表示为两者的热量和，而单位玻璃吸收的热量包括单位面积吸收的热辐射热与直射吸收率的乘积，并且如果玻璃具有较强的散射性能，与散射吸收率和散射辐射强度有关。玻璃在太阳辐射作用下，温度增加，之后分别与室内室外的空气进行热量传递，假定传热过程是稳定的，构建热平衡方程，根据单位玻璃吸收的热量以及热平衡方程获得单位面积传入的热量，此后根据表面换热对流系数，转换为温度补偿系数。针对乘员散热量的计算，由于不同的人体散发热量不同，与性别，身高，体重，穿着都有关系，根据统计学获得集群系数的经验计算表，包括乘员数量，性别，身高范围，体重范围以及穿衣性质(棉，麻，毛，丝织品等)的交叉查询表。对于电器设备散热量，根据车辆性质，考虑电池和电机散发的总热量，并且通过统计方法获得电气设备散热的经验值。目前车辆可能需要安装新风系统，输入的新风量越多，车内环境越好，汽车的空调温度补偿扰动随之而来，因此将新风输入负荷，车缝隙对应的漏气量以及车速作为空调温度补偿值的自变量，进行线性拟合。

以深圳兰田区为例，夏季地面温度40摄氏度，空气温度32摄氏度，电动车内乘坐4人，新风量40立方米/小时，设计日为多云，大气空气密度为1.2kg/m³，计算获得车内的热量负荷后综合计算温度补偿系数为1.2。

图3为根据本发明实施例的车辆用太阳能空调的温度补偿系统框架，其中包括：第一检测单元，用于检测太阳倾角，时差，地方太阳时，太阳高度角和方位角以及太阳入射角从而计算太阳的位置；第二检测单元，用于检测太阳辐射直射强度值，太阳辐射散射强度值以及设计日的逐时气温和湿度；第三检测单元，用于检测车辆当前的经度值和纬度值以及所述车辆当前的行车方向；判断单元，根据太阳的位置与所述车辆的纬度值的大小关系以及所述太阳位置的经度值，判断太阳和所述车辆之间位置关系；室外环境确定单元，根据车辆所处位置和所处季节，调用近几年该地相同日的平均气象资料确定室外环境数据；计算单元，根据设计日的逐时温度，室外环境数据以及室内的环境数据计算车辆所在区域的多个温度补偿系数，并存于数据库中；控制单元，用于控制单区阳光传感器检测阳光光强；补偿单元，用于根据所述车辆的行车方向、太阳和所述车辆之间的位置关系与所述车辆所在区域温度补偿系数的对应关系，查询数据库中对应的温度补偿系数并根据所述阳光光强和所述温度补偿系数之间的函数关系对所述车辆的不同区域进行阳光补偿从而实现温度补偿。

优选的，所述第一检测单元包括：第一检测子单元，用于检测设计时；第一获取子单元，用于根据太阳经度随时间变化的线性关系，获取当前时间所对应的太阳位置的经度值。

优选的，所述第一检测单元包括：第二检测子单元，用于检测设计时；第二获取子单元，用于根据太阳纬度随时间变化的线性关系，获取当前日期所对应的太阳位置的纬度值。

优选的，所述第二检测单元包括：控制子单元，用于通过GPS定位装置检测所述车辆当前的经度值和纬度值。

优选的，所述第二检测单元还包括：判断子单元，用于根据所述车辆的经度值和纬度值的变化，判断所述车辆的行车方向。

优选的，所述补偿单元包括：计算子单元，根据所述阳光光强和所述温度补偿系数之间的函数关系对所述车辆的不同区域进行阳光补偿包括将所述阳光光强乘以所述温度补偿系数，作为所述车辆的不同区域的温度补偿值。

本发明实施例解决的问题是采用更佳优化的温度补偿方法和系统，克服车辆的太阳能空调温度系统的不确定性、多工况性、时变性，多扰动性的特点，在获得海量数据的基础上采用预测补偿控制策略进行补偿控制，通过仿真和实际运行情况表明，控制效果较好，温度补偿精度明显提高。

虽然本发明已经参考特定的说明性实施例进行了描述，但是不会受到这些实施例的限定而仅仅受到附加权利要求的限定。本领域技术人员应当理解可以在不偏离本发明的保护范围和精神的情况下对本发明的实施例能够进行改动和修改。