目前主流自動(dòng)空調(diào)控制算法按原理劃分主要分為三大類，能量平衡算法、熱負(fù)荷表征值/經(jīng)驗(yàn)公式型（海拉的ERL、奉天Valavg、華為的TD值、電裝TAO值...）、反饋PID控制算法，它們各自的算法框圖如下：

能量平衡算法

熱負(fù)荷表征值/經(jīng)驗(yàn)公式型

反饋PID控制算法

補(bǔ)充日系TAO值算法Disadvantage：Need large workload to cal every vehicle and need large workload to transplant Cal between cars in same platform. 

說了這么多，終于要進(jìn)入今天的主題，能量平衡算法的原理介紹，雖然上面提到了三大類自動(dòng)空調(diào)算法，但限于篇幅、精力以及普法芬主控舒適性算法的選擇，所以我們今天不對(duì)其它的兩種算法展開，如果對(duì)TAO值算法、TD值算法感興趣，可以參考公眾號(hào)“林南橘”，此處不再過多贅述。

能量平衡算法-理論基礎(chǔ)

無論哪種熱舒適性控制算法，最終的目的都是維持艙內(nèi)空氣熱狀態(tài)平衡(表征為車內(nèi)溫度不變)，即ΔQair=0，根據(jù)熱力學(xué)第一定律可知，此時(shí)作用于艙內(nèi)空氣的所有輸入輸出能量和=0

Qhvac+Qambient+Qsolar+Qhuman+Qother=ΔQair=0 ；

公式變換：Qhvac=-（Qambient+Qsolar+Qhuman+Qother）=Q，其中負(fù)號(hào)表示吸放熱方向相反；

因此在上述的熱平衡狀態(tài)下，我們只要持續(xù)保證Qhvac=Q的輸出，就能維持車內(nèi)溫度不變，我們定義這種狀態(tài)為穩(wěn)態(tài)調(diào)控階段，即車內(nèi)溫度等于設(shè)定溫度下的調(diào)控階段，但是在空調(diào)開啟初期的一定時(shí)間段內(nèi)，車內(nèi)溫度要么大于或者小于需求設(shè)定溫度，如果我們從一開始就按Qhvac=Q的能量輸出，雖然最終也會(huì)使得車內(nèi)溫度達(dá)到設(shè)定溫度（思考一下為什么），但這個(gè)時(shí)間過程會(huì)比較漫長，而這在乘員艙舒適性調(diào)控過程中是我們不希望的。

因此我們期望，在升溫降溫階段，我們?cè)诜€(wěn)態(tài)Qhvac=Q的基礎(chǔ)上，疊加一個(gè)能量Q1，Q1應(yīng)該基于車內(nèi)實(shí)際溫度與期望溫度的差值動(dòng)態(tài)變化，此時(shí)Qhvac=Q+Q1,這樣的調(diào)控過程會(huì)在升降溫階段加快調(diào)控速度，減緩乘客對(duì)不舒適環(huán)境的忍受時(shí)間。

Q1的變化：初始值的大小，曲線曲率都會(huì)導(dǎo)致整個(gè)升降溫曲線的變化，而Q1和Q最終其實(shí)是通過出風(fēng)溫度和出風(fēng)風(fēng)量對(duì)外表征的，因此為了標(biāo)定及計(jì)算的方便性，我們直接將Q及Q1拆解為風(fēng)溫和風(fēng)量的變化，將它們分別獨(dú)立控制，耦合輸出：

目標(biāo)風(fēng)溫（DAT）=DAT1（瞬態(tài)）+DAT2(穩(wěn)態(tài))

目標(biāo)風(fēng)量（DAF）=DAF1(瞬態(tài))+DAF2（穩(wěn)態(tài)）

能量平衡算法-思路介紹

基于上述理論基礎(chǔ)我們知道，Qhvac=Q1+Q,其中Q1是一條從瞬態(tài)初始點(diǎn)到瞬態(tài)終點(diǎn)不斷下降的曲線（下圖紅色虛線，理論上，該曲線的曲率，凹凸性均可依據(jù)實(shí)際調(diào)整），我們又提到從標(biāo)定和計(jì)算的角度來考慮，Q和Q1最終是以風(fēng)溫和風(fēng)量進(jìn)行表征的，因此，熱舒適性控制算法最終變成整個(gè)溫控過程對(duì)目標(biāo)風(fēng)溫和目標(biāo)風(fēng)量的求解過程。如下圖所示，我們以冬季采暖為例，考慮到初始階段，實(shí)際內(nèi)溫與設(shè)定溫差較大，我們期望在最初階段，空調(diào)系統(tǒng)可以維持一個(gè)恒定的大風(fēng)溫和大風(fēng)量一段時(shí)間（相對(duì)于紅色曲線不至于輸出風(fēng)溫風(fēng)量過高造成極度不舒適，甚至是超過空調(diào)系統(tǒng)能力邊界），待溫差小于某個(gè)閾值或者瞬態(tài)調(diào)控量占比過程完成，輸出的風(fēng)溫風(fēng)量再逐漸縮小直至穩(wěn)態(tài)逼近0.因此，Q1的曲線優(yōu)化為下圖黑色實(shí)線。

至此，我們明確了熱舒適調(diào)控過程曲線為（上圖黑色實(shí)線（瞬態(tài)）+黃色虛線（穩(wěn)態(tài)）），因此，后續(xù)我們關(guān)于熱舒適控制算法的設(shè)計(jì)就是對(duì)熱舒適調(diào)控曲線建模求解的過程。

能量平衡算法-求解過程-穩(wěn)態(tài)計(jì)算

由上述能量平衡算法思路介紹可知，熱舒適系統(tǒng)最終輸出的目標(biāo)風(fēng)溫風(fēng)量由瞬態(tài)計(jì)算結(jié)果疊加穩(wěn)態(tài)計(jì)算結(jié)果得到，那么接下來我們就分別針對(duì)穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)的計(jì)算過程進(jìn)行介紹：

根據(jù)前文能量平衡的理論公式可知：

QHVAC+Qambient+QSolar+Qother+Qhuman+Q互換=ΔQair=0

定義輸入給車內(nèi)空氣的能量為+，車內(nèi)空氣輸出的能量為－，得出：

QHVAC+QSolar= Qambient +Q左右互換+Qother+Qhuman；

則QHVAC= Qambient +Q左右互換+other-QSolar；

因此我們只需計(jì)算出Qambient、Q左右互換、Qsolar即可得到QHVAC,然后通過公式Q=CMΔT，相互求解出風(fēng)溫和風(fēng)量。

Q左右互換

Q左出右：(TsetFl-TsetFr)→Lookup table;

Q右出左：-Q左出右

Qsolar

Qambient

QVspeed

考慮到車速大小對(duì)對(duì)流換熱的影響，我們還應(yīng)該在上述計(jì)算的基礎(chǔ)上加上車速對(duì)交換能量的影響，又因?yàn)檐囁賹?duì)交互能量的影響與外界環(huán)溫強(qiáng)相關(guān)，所以Qvspeed是基于環(huán)溫車速的二維查表，環(huán)溫越低，車速越高，Qvspeed修正補(bǔ)償越大（當(dāng)然，車速對(duì)舒適性的影響也可以直接補(bǔ)償?shù)侥繕?biāo)風(fēng)溫和風(fēng)量上）。

基于上述對(duì)Q左右互換、Qsolar、Qambient、 Qvspeed的計(jì)算，可最終得出

有陽光條件下QHVAC= Qambient +Q左右互換+ Qvspeed -QSolar；

無陽光條件下QHVAC_NS= Qambient +Q左右互換+ Qvspeed ；

思考一下為什么不是直接用有陽光QHVAC直接計(jì)算DAF，而是考慮和無陽光QHVAC_NS取大呢？

為了簡(jiǎn)化計(jì)算，我們直接利用Q=V*ΔT做能量表征，所以，前面章節(jié)計(jì)算的Qambient +Q左右互換+ Qvspeed -Qsolar，都是基于此(Q=C*M*ΔT=C*ρ*V*ΔT)做了簡(jiǎn)化；

我們思考一下Qambient +Q左右互換+ Qvspeed -Qsolar本質(zhì)作用主體是車內(nèi)空氣，因此QHVAC同理，那么QHVAC對(duì)車內(nèi)空氣能量的傳遞可以表征為

QHVAC=V_車內(nèi)*（T_head2-T_head1）=DAF*（T_head-DAT）

求解    DAT=T_head-QHVAC/DAF-----方案1

或QHVAC=V_車內(nèi)*（T_head2-T_head1）=DAF*（DAT-Tambient）

求解    DAT=QHVAC/DAF+Tambient-----方案2

其實(shí)因?yàn)榉桨?和方案2都通過一個(gè)公式Q=V*ΔT把風(fēng)量，風(fēng)溫進(jìn)行了關(guān)聯(lián)，所以，無論用哪個(gè)公式都可以，只是兩組公式最后標(biāo)定出來的QHVAC是兩組數(shù)據(jù)而已，方案1相對(duì)于方案2的好處是，方案1里面的QHVAC在任何情況下都代表了空調(diào)系統(tǒng)作用在艙內(nèi)空氣的能量，而方案2里面的QHVAC在純外循環(huán)時(shí)代表了空調(diào)系統(tǒng)提供出來的能量，其它情況則不具備明確的意義。

此外對(duì)Qambient的理解也不是僅包括環(huán)境空氣與車內(nèi)空氣的能量交換，同時(shí)也囊括了新風(fēng)負(fù)荷，Qhuman、Qother,是一個(gè)簡(jiǎn)化處理的雜糅能量

注：以上提到的能量和功率并不是傳統(tǒng)意義上的焦耳或者瓦特的單位，而是風(fēng)量和風(fēng)溫的乘積單位。

能量平衡算法-求解過程-瞬態(tài)計(jì)算

接下來就是瞬態(tài)過程的求解計(jì)算，就是計(jì)算黑色曲線①和②組成的瞬態(tài)調(diào)控曲線任一時(shí)刻縱軸值。

其中Dwell、 θ、 α、 β都是百分比*100，但是為了便于理解和簡(jiǎn)化公式，我們依然按百分比來理解(0-100%)：

Dwell_AF（瞬態(tài)最大風(fēng)量持續(xù)時(shí)間占整個(gè)瞬態(tài)調(diào)控過程的百分比）；

Δ_AF（瞬態(tài)最大輸出風(fēng)量）；

Dwell_AT（瞬態(tài)最高/最低風(fēng)溫持續(xù)時(shí)間占整個(gè)瞬態(tài)調(diào)控過程的百分比）；

Δ_AT（瞬態(tài)最高/最低輸出風(fēng)溫）；

以上均與浸置溫度和設(shè)定溫度有關(guān)；

θ=瞬態(tài)未完成階段占整個(gè)瞬態(tài)調(diào)控階段的百分比；

α=瞬態(tài)未完成階段占瞬態(tài)變化調(diào)節(jié)階段的百分比；

β_AF、β_AT指代瞬態(tài)任一時(shí)刻，輸出風(fēng)溫風(fēng)量占瞬態(tài)最大輸出量Δ的百分比，與θ和α有函數(shù)關(guān)系；

基于上述百分比的定義可知，最終瞬態(tài)階段任一時(shí)刻輸出風(fēng)溫風(fēng)量計(jì)算如下：

Trans_DAF(瞬態(tài)風(fēng)量)=Δ_AF* β_AF;

Trans_DAT(瞬態(tài)風(fēng)量)=Δ_AT* β_AT;

能量平衡算法-求解過程-耦合輸出

我們前邊關(guān)于自動(dòng)空調(diào)瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)過程目標(biāo)風(fēng)溫和風(fēng)量的計(jì)算是一種通用方法，無論是主駕、副駕還是后排都是基于該方法計(jì)算出各自區(qū)域位置的目標(biāo)風(fēng)溫和風(fēng)量，進(jìn)而維持各自區(qū)域熱舒適性：

但是我們HVAC只有一個(gè)，因此最終對(duì)HVAC整體目標(biāo)風(fēng)溫風(fēng)量的需求如下：

DAF=(DAF_Basic+DAF_Trans)_主駕+ (DAF_Basic+DAF_Trans)_副駕+……;

DAT_主駕= =(DAT_Basic+DAT_Trans)_主駕;

DAT_副駕= =(DAT_Basic+DAT_Trans)_副駕;

以上最終輸出的DAF和DAT都是基于自動(dòng)空調(diào)算法計(jì)算的，最終算法輸出的目標(biāo)值還會(huì)受到到其它場(chǎng)景模式和空調(diào)工作模式的限制，以及包括后續(xù)關(guān)于出風(fēng)模式、循環(huán)模式、溫度風(fēng)門開度的計(jì)算就留待后續(xù)的章節(jié)分享，此外關(guān)于TAO值算法，TD值算法以及ERL值算法等其它自動(dòng)空調(diào)算法方案的介紹可參考公眾號(hào)“林南橘”之前的分享，另外需要說明的是，普法芬的能量平衡算法從標(biāo)定友好性、建模復(fù)雜度、技術(shù)人員理解方面都基于真實(shí)的物理能量值做了簡(jiǎn)化處理（ρ*c），但如果從整車層面考慮，需要計(jì)算或者預(yù)測(cè)空調(diào)系統(tǒng)需求能量值的話，依然可以很容易計(jì)算得到。

ERL：

乘員艙舒適性算法對(duì)比

能量平衡算法是基于能量平衡的物理模型實(shí)現(xiàn)，并引入了控制理論中的過度過程和穩(wěn)定過程的概念。主要理論公式如下:

Q?vac+Qambient+QSolar+QHuman+Qot?er=0

TAO值算法是基于對(duì)整車熱負(fù)荷影響比較大的輸入量（內(nèi)外溫差產(chǎn)生的熱傳導(dǎo)，新風(fēng)熱，太陽輻射熱等結(jié)合傳感器采集對(duì)象和能量平衡等因素綜合考慮，通過大量的輸入輸出的查表關(guān)系）直接輸出目標(biāo)出風(fēng)溫度，計(jì)算公式如下:

TAO值算法是基于對(duì)整車熱負(fù)荷影響比較大的輸入量（內(nèi)外溫差產(chǎn)生的熱傳導(dǎo)，新風(fēng)熱，太陽輻射熱等結(jié)合傳感器采集對(duì)象和能量平衡等因素綜合考慮，通過大量的輸入輸出的查表關(guān)系）直接輸出目標(biāo)出風(fēng)溫度，計(jì)算公式如下:

TAO值算法的核心思想是目標(biāo)出風(fēng)溫度=設(shè)置溫度需求-車內(nèi)溫度-車外溫度-考慮濕度而降低的溫度-日照輻射溫度。

其中設(shè)置溫度、內(nèi)溫、外溫、日照開頭的系數(shù)就是對(duì)應(yīng)的權(quán)重系數(shù)，是經(jīng)過熱模型計(jì)算和反復(fù)試驗(yàn)驗(yàn)證后的經(jīng)驗(yàn)值。

未來展望

根據(jù)開篇以思維導(dǎo)圖的形式介紹汽車空調(diào)的發(fā)展歷史可知，未來乘員艙熱舒適性控制會(huì)朝著智能化、千人千面?zhèn)€性化、多功能域融合控制的方向發(fā)展，無論是基于AI、大數(shù)據(jù)、自學(xué)習(xí)、還是除PID以外的更優(yōu)控制算法的引入，目的都是讓座艙熱舒適控制變得更節(jié)能、更智能、更健康，因此接下來我們很有必要花一些時(shí)間暢想一下可能的實(shí)現(xiàn)方案和路徑。

自適應(yīng)控制算法

- 結(jié)合大數(shù)據(jù)、根據(jù)駕乘人員的溫度調(diào)節(jié)習(xí)慣，自適應(yīng)地調(diào)整溫度設(shè)置。

- 使用PMV（預(yù)測(cè)平均選票）算法量化個(gè)體的熱喜好偏值，并記錄這些偏值。

- 實(shí)時(shí)根據(jù)數(shù)據(jù)分析，適應(yīng)PMV算法得出個(gè)體的最舒適溫度，并用于實(shí)時(shí)控制。

模型預(yù)測(cè)控制（MPC）

- 適合多輸入多輸出系統(tǒng)，內(nèi)置狀態(tài)估計(jì)器，進(jìn)行在線狀態(tài)估計(jì)與預(yù)測(cè)。

- 實(shí)現(xiàn)在線滾動(dòng)優(yōu)化，以實(shí)時(shí)達(dá)到最優(yōu)控制效果。

- 結(jié)合車速預(yù)測(cè)，MPC控制器能夠更準(zhǔn)確地控制乘員艙溫度，提升控制精確性和實(shí)時(shí)性。

健康座艙控制策略

- 考慮健康性，通過HVAC系統(tǒng)進(jìn)行冷熱、通風(fēng)及空氣質(zhì)量的的協(xié)同控制。

- 建立智能控制策略，進(jìn)行實(shí)時(shí)最優(yōu)控制，以保證艙內(nèi)溫度舒適性，同時(shí)降低病毒感染風(fēng)險(xiǎn)并提升艙內(nèi)空氣質(zhì)量。

自適應(yīng)模糊PID控制

- 利用歷史數(shù)據(jù)學(xué)習(xí)乘客的熱習(xí)慣，并應(yīng)用于未來的自動(dòng)調(diào)節(jié)控制。

- SLPTC（自學(xué)習(xí)的乘客熱舒適性）控制策略框架可以在不需要駕駛員設(shè)置目標(biāo)溫度的情況下，根據(jù)歷史熱喜好數(shù)據(jù)自動(dòng)調(diào)控最舒適溫度。

仿真技術(shù)在熱管理中的應(yīng)用

- 使用CFD（計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)）技術(shù)進(jìn)行乘員艙內(nèi)流場(chǎng)和溫度場(chǎng)的模擬。

- 通過仿真技術(shù)優(yōu)化送風(fēng)模式和空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，以提高乘員艙的熱舒適性。

- 結(jié)合CFD數(shù)值模擬和智能算法，優(yōu)化空調(diào)風(fēng)道設(shè)計(jì)，提高空調(diào)出風(fēng)口速度的均勻性，從而提升乘員熱舒適性。

人體熱舒適性評(píng)價(jià)模型

- 模擬人體在不同溫度環(huán)境下的熱生理調(diào)節(jié)機(jī)理，包括被動(dòng)和主動(dòng)熱調(diào)節(jié)。

一旦拋開話題，其實(shí)就很難停下來，除了上述的內(nèi)容外，像基于AI算法的智慧空調(diào)（自學(xué)習(xí)、預(yù)測(cè)推送，功能自動(dòng)找人、自適應(yīng)一人千面的下一代空調(diào)系統(tǒng)）、基于光斑檢測(cè)（物理數(shù)學(xué)模型/圖像識(shí)別檢測(cè)光斑面積、位置、蓄能量）的智慧風(fēng)口或智慧調(diào)色玻璃、虛擬感知技術(shù)實(shí)現(xiàn)舒適性傳感器減配、預(yù)測(cè)能量管理實(shí)現(xiàn)舒適性滿足需求的前提下降低供給能耗等等，這些我們?cè)诤罄m(xù)的技術(shù)專欄都會(huì)一一分享，此次就不再展開贅述。

結(jié)尾

最后考慮到技術(shù)的可公開分享程度，分享的內(nèi)容并不能面面俱到或展示太多的細(xì)節(jié)，很多描述也為了便于理解,可能措辭不甚恰當(dāng)，如果各位感興趣的小伙伴有什么疑問點(diǎn)，可后臺(tái)留言，在不泄密的前提下，我們會(huì)認(rèn)真解答您的問題。

最后特別希望各位老板、行業(yè)同仁、客戶多和我們交流，溝通合作，我們期望在合作項(xiàng)目完整高效完成的同時(shí)，各位參與項(xiàng)目的小伙伴都能從中獲得很大技術(shù)能力提升，在這一點(diǎn)上，我們普法芬是非常有誠意，站在更高的格局上，整個(gè)行業(yè)從業(yè)者整體能力的提升才能助力中國汽車產(chǎn)業(yè)做大且強(qiáng)。

      全球汽車熱管理系統(tǒng)創(chuàng)新技術(shù)大會(huì)（WVTMS）是由中歐汽車、科聞中國主辦，相關(guān)協(xié)會(huì)，機(jī)構(gòu)與企業(yè)支持的全球最具行業(yè)影響力的汽車熱管理系統(tǒng)盛會(huì)之一，WVTMS致力于通過分享全球范圍內(nèi)最前沿的汽車熱管理技術(shù)案例及最具創(chuàng)新價(jià)值的汽車熱管理理念與技術(shù)，幫助行業(yè)決策者洞察未來趨勢(shì)并推動(dòng)整個(gè)汽車熱管理科技的發(fā)展。WVTMS始于2016年，目前已成功舉辦八屆，WVTMS累積參會(huì)規(guī)模接近8000人，吸引了來自全球汽車熱管理百強(qiáng)企業(yè)的參與，參會(huì)級(jí)別多為企業(yè)中高層，已成為全球汽車熱管理系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)交流與合作的標(biāo)桿平臺(tái)。

      上海普法芬電子科技有限公司受邀出席2024（第九屆）全球汽車熱管理系統(tǒng)創(chuàng)新技術(shù)大會(huì)發(fā)表《整車熱管理系統(tǒng)低成本設(shè)計(jì)方案》主題演講

演講題目：整車熱管理系統(tǒng)低成本設(shè)計(jì)方案

演講嘉賓：上海普法芬電子科技有限公司  林建 熱管理軟件開發(fā)工程師

演講時(shí)間：2024年5月18日 11:45-12:15

地      點(diǎn)：上海富悅大酒店富悅廳3

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