簡(jiǎn)化汽車供暖通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)自動(dòng)空氣再循環(huán)詳解

大多數(shù)汽車供暖通風(fēng)空調(diào)（HVAC）系統(tǒng)中都會(huì)調(diào)理持續(xù)流入的新鮮空氣，將其注入車廂之中。通常駕駛員能夠選擇是否需要中斷新鮮空氣供應(yīng)（再循環(huán)）或者繼續(xù)（即保持新鮮空氣流入）。在再循環(huán)模式下，高端HVAC系統(tǒng)監(jiān)測(cè)幾項(xiàng)車廂空氣參數(shù)，通過空調(diào)器將空氣再循環(huán)至車廂，并將新鮮空氣進(jìn)口限制為最小，同時(shí)踐行駕駛員或系統(tǒng)規(guī)范設(shè)定的參數(shù)。這樣的再循環(huán)能夠降低HVAC系統(tǒng)的燃油消耗達(dá)35%。根據(jù)氣候條件和駕駛循環(huán)（drivingcycle），HVAC系統(tǒng)每100公里可能會(huì)消耗多達(dá)3升燃油。這顯示配備低端HVAC系統(tǒng)的大型汽車從增加自動(dòng)再循環(huán)功能獲益最大。然而，配備先進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)且廢氣排放低的小型和中型汽車也能從智能空氣再循環(huán)瓣（flap）受益，因?yàn)樗鼘?duì)（節(jié)省）HVAC燃油消耗的貢獻(xiàn)相對(duì)高。預(yù)測(cè)顯示配有半自動(dòng)或全自動(dòng)HVAC系統(tǒng)汽車的百分比將逐年遞升。與此同時(shí)，引入二氧化碳（CO2）制冷劑導(dǎo)致產(chǎn)生對(duì)貼裝在車廂內(nèi)的額外傳感器的潛在要求。這些趨勢(shì)表示小型汽車和/或配有低規(guī)格HVAC系統(tǒng)的汽車將越來(lái)越多地再利用已有的CO2傳感器和其他新鮮空氣傳感器技術(shù)。雖然自動(dòng)再循環(huán)功能傳感器方面的問題可能已經(jīng)解決，但仍要著力解決一些有關(guān)電機(jī)驅(qū)動(dòng)瓣（flapmotorization）的問題。
　　自動(dòng)空氣再循環(huán)控制系統(tǒng)
　　HVAC電子控制單元（ECU）閉合新鮮空氣調(diào)節(jié)的控制環(huán)路，操縱再循環(huán)瓣致動(dòng)器（見圖1），從而在車廂內(nèi)維持所需的CO2水平。循環(huán)瓣的運(yùn)轉(zhuǎn)頻率是最大允許乘客數(shù)量、汽車內(nèi)部最少空氣量以及所需CO2等級(jí)最大允許偏移（等參數(shù)）的函數(shù)。假定乘客數(shù)量為5人，車內(nèi)空間為3m3，就可以輕易計(jì)算出CO2濃度會(huì)在30s內(nèi)增加100×10-6。
　　空氣再循環(huán)控制環(huán)路主要要求低速干預(yù)（intervention），從而補(bǔ)償“新鮮空氣進(jìn)口”（見圖1）中的壓力和氣流速度（airspeed）變化。當(dāng)駕駛速度變化時(shí)——如在市區(qū)中或臨近市區(qū)駕駛時(shí)，這種現(xiàn)象出現(xiàn)的頻率很高。氣流也會(huì)也隨著風(fēng)機(jī)速度自動(dòng)調(diào)節(jié)而變化，從而消除陽(yáng)光照射變化（原因有如彎路或由建筑物、樹木或云朵導(dǎo)致的間歇性陰影）的影響。
　　空氣再循環(huán)瓣致動(dòng)器是小型電機(jī)閥，通過ECU內(nèi)驅(qū)動(dòng)器的方式運(yùn)轉(zhuǎn)。就穩(wěn)態(tài)控制算法而言，應(yīng)當(dāng)在所有時(shí)候都知道瓣的位置，故某種類型的位置反饋就在所必需了。由于控制系統(tǒng)頻繁重調(diào)節(jié)致動(dòng)器位置，故需要非接觸式電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)以及無(wú)傳感器式位置反饋。
　　再循環(huán)瓣技術(shù)
　　運(yùn)轉(zhuǎn)HVAC氣瓣（包括再循環(huán)瓣）的方案有幾種，它們的不同體現(xiàn)在瓣促動(dòng)器中使用的電機(jī)類型以及電機(jī)控制的細(xì)節(jié)和特性。我們現(xiàn)在就討論3種常用的電機(jī)類型。
　　有刷直流（BDC）電機(jī)采用成熟及相對(duì)廉價(jià)的技術(shù)制造，從驅(qū)動(dòng)器到電機(jī)端子僅有兩條引線（wirelead）。如能夠通過兩個(gè)晶體管半橋提供雙向驅(qū)動(dòng)，BDC電機(jī)控制就會(huì)簡(jiǎn)單。在要求位置反饋的案例（如空氣再循環(huán)瓣）中，需要增加位置傳感器。可用的傳感器有多種，最常見的就是電位計(jì)。此傳感器與相關(guān)ECU繞線及電氣連接器的尺寸影響共同構(gòu)成了系統(tǒng)成本的相當(dāng)大部分。還需要著重指出的是，電刷和換向器（commutator）是BDC電機(jī)的部件，最易于磨損。由于空氣再循環(huán)瓣需要頻繁運(yùn)轉(zhuǎn)，電刷老化就對(duì)配有再循環(huán)瓣的BDC電機(jī)的長(zhǎng)期可靠性產(chǎn)生了壓力。
　　第二種類型是單極步進(jìn)電機(jī)，每相有兩個(gè)繞組。這些繞組與ECU電氣相連，而且就像BDC電機(jī)方案（帶傳感器位置反饋）一樣，通常要求5條線。在電機(jī)閥中選擇使用單極步進(jìn)電機(jī)主要是由低成本驅(qū)動(dòng)器集成電路（IC）或驅(qū)動(dòng)電路（如4條低端驅(qū)動(dòng)器電路）的供應(yīng)情況決定。單極方案的一項(xiàng)缺點(diǎn)是僅有半數(shù)的繞組隨時(shí)都儲(chǔ)有能量（基本上單極步進(jìn)電機(jī)銅用量是運(yùn)轉(zhuǎn)電機(jī)所需銅量的兩倍）。
　　第三種類型是雙極步進(jìn)電機(jī)，每相有一個(gè)繞組。與單極電機(jī)相比，這種方案在尺寸及重量方面較有優(yōu)勢(shì)，因?yàn)槔@組中的銅用量大約只有電機(jī)特性相似的單極電機(jī)的一半。兩個(gè)繞組通過僅4條線與ECU電氣連接（比較之下，單極電機(jī)或帶有傳感器的BDC電機(jī)為5條線）。雙極步進(jìn)電機(jī)通常由雙全橋晶體管組合來(lái)驅(qū)動(dòng)，每個(gè)繞組一個(gè)。與BDC及單極步進(jìn)電機(jī)架構(gòu)相比，新的雙極步進(jìn)電機(jī)促動(dòng)器技術(shù)提供均衡的解決方案：更多系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)（即提供特性和質(zhì)量的優(yōu)化組合），而不會(huì)帶來(lái)系統(tǒng)總成本方面的損失，主要的原因是雙極步進(jìn)電機(jī)本質(zhì)上包含“虛擬”傳感器，而且也可以通過監(jiān)測(cè)反電動(dòng)勢(shì)（BEMF）或BEMF信號(hào)來(lái)推斷電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)模式（如高速運(yùn)轉(zhuǎn)、停轉(zhuǎn)狀況等）。