TWI556993B - Vehicle air conditioning system and its control method - Google Patents

Description

車用空調系統及其控制方法

本發明是關於一種車用空調系統及其控制方法，能適用於燃油動力車輛、電動車輛與油電混合動力車輛，綜合車輛內外環境條件進行空調系統的控制，具有節省能源與高舒適度的優點。

汽車是近代最偉大的發明之一，能加快行進的速度而帶給人類前所未有的交通便利，尤其在工商發達的社會，由於現代人通勤的需求大增，使得乘車的時間也大幅延長，可以用”無車不行”來形容人類與車輛之間密不可分的關係。由於車輛在道路上行駛當中是直接與自然環境接觸，因此目前的車輛都必須配備空調系統來提供溫度調整的功能，以創造舒適的乘車環境。

車艙內的熱量來源除了車體本身產生的熱能之外，還包括由車體外部輻射、對流或傳導所進入的熱能。當車輛處於靜止狀態時，車體本身結構直接曝曬於太陽底下將會形成類似小溫室的情況而大量集收太陽能，其效果通常使得車體內外溫度高達50℃以上；此外，使得車輛在行駛過程當中會受到外在環境與車況的影響而使空調負荷產生「瞬時多變」的變化特性，由於傳統的車用空調系統是利用冷氣產生的冷風與引擎冷卻水所提供的熱風混合來調節車內的溫度，為了克服劇烈的變化以維持車艙內的舒適性，冷氣的壓縮機都是以最大能力運轉，而燃油動力車輛的冷氣壓 縮機最大能力更受到引擎轉速的影響，轉速越高則最大能力越大，以如此耗能的作業方式將導致車輛引擎的能量消耗大幅增加，同時也會有許多的能量浪費，不但造成傳統燃油動力車輛的過度油耗，對於目前新興的電動車輛而言，更是嚴重影響續航力的致命傷。

目前新一代車用空調系統的控制方法，例如台灣第I374815號發明專利，其主要透過偵測車內溫度並與使用者所設定的設定溫度計算需要移除的熱負載而作為空調系統的控制條件，雖然有助於提升能量使用效率，但由於僅考慮到車內的溫度條件，仍有不夠精確的問題存在，也無法因應車體本身的動態而進行動態控制。

有鑑於前述缺失，本發明之主要目的在於提供一種車用空調系統及其控制方法，利用車輛本身所提供的車體速度與感測得到車體溫度、車內溫度與環境溫度等參數而納入空調系統的控制條件，達成降低能量消耗的效果。

本發明之次一目的在於提供一種車用空調系統及其控制方法，能夠利用車體溫度與環境溫度辨識外在的天氣情況，並對應估算車艙內的等效溫度值，精確維持車艙內的舒適環境。

本發明之再一目的在於提供一種車用空調系統及其控制方法，能夠結合儲能技術來有效回收空調系統的能量浪費，以提高能量的使用效率。

為此，本發明提供一種車用空調系統，包含有：一感測單元，具有一車體速度擷取器、一車體溫度感測器與一車內溫度感測器，以偵測 產生一車內溫度，以及包含車體速度與車體溫度的一車體環境參數；一舒適設定器，供使用者輸入一設定溫度做為初始之一等效溫度目標；一控制單元，電性連接該感測單元與該舒適設定器以接收該車內溫度與該環境參數，用以計算一車內熱負載與一環境熱，並對應調整等效溫度目標值；以及一能量轉換單元，受該控制單元之控制而進行製冷或供暖。

本發明也提供一種車用空調控制方法，其包含有以下步驟：(a)擷取一車體速度並偵測產生一車內溫度、一車體溫度與一車外溫度，利用使用者所輸入一設定溫度與該車內溫度計算一車內熱負載，並利用由該車體速度、該車體溫度與該車外溫度所組成的一車體環境參數計算一環境熱負載；(b)比較該車內熱負載與該環境熱負載而調整該設定溫度得到一等效溫度目標值；及(c)計算該車內溫度與該等效溫度目標值之間的一差值，當該差值大於或等於一預定值時，持續啟動一能量轉換單元；當該差值大於一預定值則關閉該能量轉換單元或者啟動一儲能單元進行儲能。

因此，本發明利用所偵測的車體環境參數能夠計算出環境熱負載，而環境熱負載與車內熱負載之間的變化也反映著車艙環境的變化，因此本發明藉由車內熱負載與環境熱負載之間的能量差對應調整等效溫度目標值，進而微調能量轉換單元的熱轉換目標值，或是適時關閉能量轉換單元而改為利用一儲能單元進行儲能，可以在維持高舒適度的前提下兼顧節省能量不當損耗的功效。

10‧‧‧車用空調系統

20‧‧‧感測單元

21‧‧‧車體速度擷取器

22‧‧‧車體溫度感測器

23‧‧‧車內溫度感測器

24‧‧‧環境溫度感測器

30‧‧‧舒適設定器

40‧‧‧控制單元

50‧‧‧能量轉換單元

60‧‧‧儲能單元

S1~S7‧‧‧執行步驟

E_i‧‧‧車內熱負載

E_o‧‧‧環境熱負載

第1圖為本發明較佳實施例之系統示意圖。

第2圖為本發明較佳實施例之控制流程圖。

請先參閱第1圖，本發明所提供之車用空調系統10，具有一感測單元20，一舒適設定器30，一控制單元40、一能量轉換單元50及一儲能單元60，各構件的具體內容詳述如下：感測單元20是由一車體速度擷取器21、一車體溫度感測器22、一車內溫度感測器23與一環境溫度感測器24所組成，以偵測產生一車內溫度與一車體環境參數，其中車體環境參數是由感測單元20所擷取的車體速度與偵測產生的車體溫度與車外溫度所構成，前述車體速度擷取器21的資訊來源可以但不限於車速訊號線或是衛星定位系統(GPS)。此外，本領域技術人員還可以視需要增加一車體熱源感測器(圖中未示)設置於車輛的主要熱源(燃油車輛為引擎，電動車輛為電動馬達)，用來將車體本身所產生的熱量值納入計算，使車用空調系統的控制更加精準。

舒適設定器30是設於車艙內，一般位於儀表板上，以便於使用者輸入一設定溫度作為車用空調系統10控制的初始等效溫度(Equivalent Temperature)目標值，等效溫度的考慮因素涵蓋與人體熱平衡有關的車艙內溫度、濕度、氣流與輻射量，可以利用控制單元40根據感測單元20所偵測到的車內溫度、車體溫度或車外溫度至少其中之一或其組合而估算車艙內的等效溫度。另外，舒適設定器30也可以透過後視鏡或行車紀錄器等可顯示之裝置上顯示設定溫度與目前車內之等效溫度。

控制單元40可利用有線或無線方式連接前述感測單元20與舒適設定器30以接收前述車內溫度、車體環境參數與設定溫度，進而產生一控制信號並傳送到能量轉換單元50。此外，控制單元40可以利用車體 溫度與車外溫度辨識外在的天氣情況，進而對應調整空調的舒適環境。當感測單元20失效時，控制單元40將根據過去的控制歷程而提供智慧模擬運轉功能，避免車用空調系統10發生失靈的情況。

能量轉換單元50包含有一壓縮機、車內熱交換器、車外熱交換器與一冷媒調節器構成一冷媒循環迴路，受控制單元40之控制而能夠進行製冷或供暖。

儲能單元60連接能量轉換單元50，當車輛在下坡行駛或是減速行駛等低負載狀況下，儲能單元60能回收能量轉換單元50多餘的能量轉換能力，並且在車輛爬坡或是加速行駛等高負載情況下，暫停能量轉換單元50的運轉而改以儲能單元60的能量進行製冷或供暖，之後在引擎恢復低負載時重新啟動能量轉換單元50，讓能量可以充分運用而不會有所浪費。為幫助理解，在此補充說明的是，儲能單元60可以使用如台灣新型專利M408014所載的能量儲存裝置，也就是利用能量收集本體連接能量轉換單元，再將所收集之能量傳送到能量轉換器，隨後能量轉換器讓水儲能系統內的水(儲能介質)產生溫度或是固液相態變化而達到儲存能量的作用。當然，前述說明非指本發明必須採用前述專利所載之儲能系統，合先陳明。

請參閱第2圖為本發明所提供車用空調系統10的控制流程。首先使用者於步驟S1啟動車用空調系統10後，使用者可以於步驟S2利用舒適設定器30輸入一設定溫度作為初始之等效溫度目標值，隨後控制單元40將會執行步驟S3，也就是根據車內溫度與設定溫度計算車內熱負載E_i，一般是利用車艙內之熱傳導參數乘以車內溫度與設定溫度之間的差值進 行計算。同時或隨後，控制單元40將會根據車體速度、車體溫度與車外溫度等車體環境參數計算車體環境熱負載E_o，其計算方式可以是由外界對車體之熱傳導參數乘以車體溫度與車外溫度之間的差值來進行計算，而外界對車體之熱傳係數與車體速度密切相關，故本發明能夠精確地進行估算車內熱負載E_i與環境熱負載E_o。當然，在有配置車體熱源感測器的情況下，還可以將車體本身所產生的熱量納入環境熱負載E_o的計算條件。

控制單元40於步驟S3中計算得到車內熱負載E_i與環境熱負載E_o後，就會執行步驟S4來調整等效溫度目標值，本實施例是在環境熱負載E_o小於車內熱負載E_i時則降低等效溫度目標值，反之則增加等效溫度目標值，調整的幅度可以由本領域技術人員預先設定計算函數來決定。之後執行步驟S5，也就是計算調整後車內溫度與調整後等效溫度目標值之間的差值，當前述差值大於或等於一預定值(在本實施例中前述預定值為零，亦即車內溫度大於或等於等效溫度目標值)，控制單元40將會持續啟動能量轉換單元50，並根據前述差值來對應調整能量轉換單元50輸出能力的熱轉換目標值。反之，當調整後之等效溫度目標值與車內溫度的差值小於預定值時(亦即車內溫度小於等效溫度目標值)，控制單元40可以暫時關閉能量轉換單元50來節省能量損耗，或者啟動儲能單元60進行儲能。值得一提的是，本領域技術人員可視需要而改變預定值。

一般而言，在太陽的照射下，車體溫度通常大於車外溫度，因此當車輛行駛時，車體本身的行進將會移除車體的熱量，而且車體速度越快則單位時間移除的熱量越多，換言之，車體速度越快則環境熱負載E_o越小。因此，在車輛行駛的過程中，控制單元40會適當的調整等效溫度目 標值來控制能量轉換裝置50運轉的熱轉換目標值，或者適當啟動儲能單元60，進而達到節能的效果。

本發明的車用空調控制方法還包含步驟S6，也就是持續監測車內溫度與車體環境參數之變化後，重新執行步驟S3至S5，以維持車艙內的舒適度，最後由使用者視情況而執行步驟S7來關閉車用空調系統。

在此補充說明的是，本發明之感測單元20亦可增加車內溼度感測器，進而進行除溼或加溼作業來調整車艙內的溼度。而且，本發明之車用空調系統還可以設置一混風閥門用來適度引進外部氣體，可以和前述能量轉換單元搭配使用，且混風閥門同樣是由控制單元進行控制。

綜合前述說明，本發明之車用空調系統及其控制方法具有獨特新穎的技術特徵以及節省能量不當消耗的顯著功效。

10‧‧‧車用空調系統

20‧‧‧感測單元

21‧‧‧車體速度擷取器

22‧‧‧車體溫度感測器

23‧‧‧車內溫度感測器

24‧‧‧環境溫度感測器

30‧‧‧舒適設定器

40‧‧‧控制單元

50‧‧‧能量轉換單元

60‧‧‧儲能單元

Claims (10)

1. 一種車用空調系統，包含有：一感測單元，用以偵測產生一車內溫度及一車體環境參數，該車體環境參數至少包含一車體速度與一車體溫度；一舒適設定器，供使用者輸入一設定溫度做為初始之一等效溫度目標值；一控制單元，電性連接該感測單元與該舒適設定器以接收該車內溫度與該車體環境參數，用以計算一車內熱負載與一環境熱負載，估算車內的等效溫度，並對應調整等效溫度目標值；及一能量轉換單元，受該控制單元控制而進行製冷或供暖。
2. 如請求項1所述之車用空調系統，其中該感測單元包含有一車體速度擷取器、一車體溫度感測器與一車內溫度感測器。
3. 如請求項2所述之車用空調系統，其中該感測單元還包含有一環境溫度感測器用來感測一車外溫度。
4. 如請求項3所述之車用空調系統，其中該控制單元可以根據該車體溫度與該車外溫度來判斷天氣情況。
5. 如請求項1所述之車用空調系統，其中該控制單元在該感測單元失效時能提供智慧模擬運轉功能。
6. 如請求項1所述之車用空調系統，其中該能量轉換單元連接一儲能單元；該控制單元判斷車輛在爬坡或是加速行駛等高負載情況下，暫停該能量轉換單元的運轉而改以該儲能單元的能量進行製冷或供暖。
7. 如請求項1至6其中任一項所述之車用空調系統，其中該感測單元更設有一車體熱源感測器或一車內溼度感測器。
8. 一種車用空調控制方法，其包含有以下步驟： (a)擷取一車體速度並偵測產生一車內溫度、一車體溫度與一車外溫度，利用使用者所輸入一設定溫度與該車內溫度計算一車內熱負載，並利用由該車體速度、該車體溫度與該車外溫度所組成的一車體環境參數計算一環境熱負載；(b)比較該車內熱負載與該環境熱負載而調整該設定溫度得到一等效溫度目標值；及(c)計算該車內等效溫度與該等效溫度目標值之間的一差值，當該差值大於或等於一預定值時，持續啟動一能量轉換單元；當該差值大於一預定值則關閉該能量轉換單元或者啟動一儲能單元進行儲能。
9. 如請求項8所述之車用空調控制方法，還包含有一步驟(d)以監測該車內溫度與該車體環境參數之變化後，重新執行步驟(a)至(c)。
10. 如請求項8所述之車用空調控制方法，其步驟(b)中當該環境熱負載小於該車內熱負載時則降低該設定溫度作為該等效溫度目標值，反之則增加該設定溫度作為該等效溫度目標值。