汽车驾驶室温度环境控制系统的基本原理

 采暖通风与空调(HVAC)技术可使室内和汽车驾驶室变得舒适。HVAC通过控制冷/热温度促进对驾驶室内部舒适温度环境的管理。

过去，在汽车中配置空调是一个重要功能，但是目前即便在入门级汽车中，空调也已成为标准设备。人们对更高舒适度和豪华感的需求促进了车载温度环境控制系统的开发。汽车温度环境控制系统的主要目的是管理指定区域的温度，使乘客感到舒适。

20世纪60年代初，汽车首次采用HVAC，目前大多数高端汽车中都提供此配置。它是一个由前端的机械/电子开关或旋钮组成的复杂系统。系统的后端包括一个或多个鼓风电机、促动器(用于新风循环控制、空气流量控制和温度控制)和带有许多管道的制冷单元，空气通过这些管道传送至驾驶室。

HVAC单元的基本工作原理是传导和对流。根据压力变化，热量从车辆中的低温区传送至高温区。该热传送流程称为制冷。图1所示为完整制冷流程的循环图。

图1：制冷循环图。

Evaporator：蒸发器

Compressor：压缩机

Suction line：吸入管

Blower Fan：风机

Low Pressure Side：低压侧

High Pressure Side：高压侧

Dischargeline：排放管

Condenser：冷凝器

Expansion Valve：膨胀阀

Drier/Receiver：干燥器/接收器

空调系统包括五个主要组件：

1. 蒸发器

2. 压缩机

3. 冷凝器

4. 接收器/干燥器

5. 膨胀设备

五个主要组件位于两个压力区域：高压侧包括冷凝器和接收器/干燥器，低压侧是空调蒸发器。高压和低压之间的分界点通过压缩机和膨胀阀划分。

下一节将详细讨论HVAC系统的每个组件(请参见图2)。

图2：空调系统包括五个主要组件。

Drier/Receiver：干燥器/接收器

Evaporator：蒸发器

Condenser：冷凝器

Compressor：压缩机

Expansion Valve：膨胀阀

蒸发器

蒸发器是制冷循环中的热交换设备。液体制冷剂(从扩展管进入蒸发器)具有更低的温度和更低的压力。

当穿过蒸发器螺旋管时，制冷剂吸收通过螺旋管吹进的空气中的热量，并转换为低压、低温蒸汽。液体制冷剂从蒸发器螺旋管的底部流向顶部，以确保液体制冷剂在离开蒸发器螺旋管之前沸腾。

由蒸发器执行的任务可以概括为：

1. 吸收热量

2. 使所有制冷剂沸腾为蒸汽

由鼓风机吹出的空气经过热转移变得更冷，并通过通风口传送至驾驶室。

因为空调蒸发器通过吸收周围介质中的热量提供冷却，当位于与车辆仪表盘非常近的位置时，这可以达到双重目的。它吸收从其中流通的空气中的热量，也吸收车辆内部的热量，以便保持所需温度。

压缩机

空调压缩机被视为中央空调单元的心脏。压缩机吸收抽吸管线中的蒸汽制冷剂，并将蒸汽压缩为高过热蒸汽。蒸汽的温度通常比外部空气温度高2.5倍。

因为热量总是从热处流向冷处，所以制冷剂必须比外界空气热很多才能带走系统中的热量。当制冷剂在压缩机中流动时，它还会带走压缩机的热量、电机绕组热量、机械摩擦和抽吸管线中吸收的其他热量。空调压缩机的另一个主要任务是在系统中生成制冷剂流。

由压缩机执行的任务有：

1. 过热化

2. 带走潜在热量(冷凝)

3. 带走更多可感应热量(过冷)

4. 生成制冷剂流

冷凝器

热高压蒸汽接下来将进入冷凝螺旋管。冷凝器就像是蒸发器，是一个热交换器。在冷凝螺旋管内部，制冷剂从螺旋管的顶部向底部流动。

因为制冷剂的温度比环境温度高很多，它将在穿过螺旋管时冷却。当超热制冷剂到达较低的第三个螺旋管时，它足够冷却至变回液态。该流程被称为子冷却。

当制冷剂通过释放热量冷凝为液体时，铜管外部的温度变得非常高，在鼓风机/散热风扇的帮助下热量被吹出系统。在模型车辆中，这种加热后的空气成为较冷气候条件下的热风来源。

为提高效率，冷凝器的放置位置也非常重要，因为它非常热，所以需要裸露最大的表面积确保以更快的速度制冷。

接收器/干燥器

接收器/干燥器位于系统的高压部分，通常位于冷凝器出口与膨胀阀入口之间的管道中，但是有一些可能直接与冷凝器连接。

接收器/干燥器提供三个非常重要的功能：

1. 在冷却需求较低期间，它们作为额外制冷剂的存储容器。这是接收器/干燥器的“接收器”功能。

2. 它们包含一个可以在A/C系统内部捕获污染物的过滤器。

3. 干燥器/接收器包含一种称为干燥剂的材料，用于吸收在制造、装配或服务期间在A/C系统中可能产生的湿气(水)。这是干燥器/接收器的“干燥器”功能。

膨胀设备

需要膨胀设备生成液体制冷剂的压力差，以便使其沸腾为气体。膨胀设备通过限制系统周围制冷剂的流动造成压力下降。

减慢制冷剂的流动速度将导致压缩机将系统的一侧部分抽空。该低压空隙成为系统的“吸力侧”或“低侧”。

自动温度环境控制

自动温度环境控制能够监控和控制特定空间的温度，无需手动干预。车上乘客指定所需的驾驶室温度和湿度。通过温度环境控制系统输入这些值，该系统通过电子方式控制温度和湿度，并保持用户指定的值。无需打开/关闭AC或滑动冷热控制开关的人工操作便可以调节驾驶室温度。

自动温度环境控制机制需要在驾驶室中放置温度和湿度传感器。这些传感器自动读取该区域内的温度和湿度值，并将其馈送至微控制器(MCU)。然后，MCU会将这些读数与用户定义的设置进行比较，相应地调节冷/热(参见图3)。

有时，车上所有成员只好协商一个温度设置——一些人可能感到冷，而其他人可能感到热。车载自动温度环境控制的技术革新已发展为分区温度环境控制。采用这种实施方法，每名成员都可以调节他/她乘坐区域的温度。

已定义区域中的每个区域都具有一个单独的温度传感器，可读取指定区域的当前温度。每个温度传感器数据都会与为特定区域设定的温度进行比较，并进行相应的制冷或加热操作。

自动温度环境控制系统还包括一个调节车厢内整个空气系统的计算机。通过它可以调节风扇速度、空调压缩机开启和吸入车厢内的总体空气温度。通常，这些进程会被整合至当代汽车的整个计算机系统中。

图3：在一个自动温度环境控制系统中，MCU会将车厢内温度和湿度传感器的数据不断与用户定义的设置进行比较，然后相应地调节冷/热(参见图3)。

Humidity Sensor：湿度传感器

Multiple Cabin Temperature Sensors：多舱温度传感器

External Temperature Sensor：外部温度传感器

User Temperature and Humidity Settings：用户温度和湿度设置

Current Drivers：电流驱动器

Climate Control：气候控制

Air Conditioning Unit：空调机组

Flap control actuators：风门控制执行器

HVAC Unit：HVAC控制单元

每个制造商都有为每个乘客提供完美的温度环境的独特方法;但是，它们都依赖于特定的类似组件，例如驾驶员HVAC控制单元中的额外控制、后排座椅区域中的额外HVAC控制单元、每个区域的独立温度传感器、许多额外的隐藏管道用于在需要时传送空气，以及许多额外的通风口——很多很多额外通风口。例如Lexus LX570有28个通风口。

关于作者

Nitin Gupta是一名高级应用工程师，在面向数字多媒体的嵌入式软件开发领域具有丰富的经验——包括消费电子和汽车行业。

Manish Jindgar是负责开发与汽车有关参考应用的高级应用工程师。

Ravinder Dasila从2011年7月起在飞思卡尔汽车MCU业务部担任应用工程师，参与设计汽车参考解决方案。