一种车辆乘员热环境参数算法及车辆乘员热环境监测方法与流程

1.本发明涉及汽车空调技术领域，尤其涉及一种车辆乘员热环境参数算法及车辆乘员热环境监测方法。


背景技术：

2.智能化是当前汽车空调系统的主要发展趋势之一。通过自动调节空调温度风门、模式风门、空调鼓风机风量、出风口角度等机构，提高人体热舒适性的同时，减少驾驶员的手动操作，减少交通事故的发生概率。
3.当前的自动空调控制，均是以出风口目标温度或类似参数为控制对象，都需要乘员手动设定控制温度作为输入，驾驶员仍需要手动操作空调面板。
4.在对车内环境的监控方面，全部依赖单一的车内温度传感器，只能得到一个点的温度和湿度值，无法实时监测完整的人体环境，包括各部分的环境温度、湿度、热辐射量和风速指标。
5.在这种情况下，就无法实时监测人体各部分热舒适性的差异，基于此对电动出风口进行相应的自动调节也实现不了，驾驶员和乘员仍需要手动定义空调出风口方向，才能达到最优的空调效果和最低的空调能耗。
6.因此本领域技术人员致力于开发一种自动化程度高的车辆乘员热环境参数算法及车辆乘员热环境监测方法。


技术实现要素：

7.有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种自动化程度高的车辆乘员热环境参数算法。
8.为实现上述目的，本发明提供的一种车辆乘员热环境参数算法，包括汽车空调系统，还包括cfd仿真分析软件和空调假人测试系统，所述空调假人测试系统包括空调假人，所述汽车空调系统包括鼓风机、空调出风口和空调回风口，包括以下步骤：
9.s1.在计算机内对所述空调假人测试系统和所述汽车空调系统进行建模，还建模有太阳光照射模拟模块；
10.s2.将所述空调假人的表面进行分区处理；
11.s3.在所述cfd仿真分析软件输入鼓风机风量和出风口模式，得到人体表面各部分风速与鼓风机风量，以及出风口模式的关系，由以下公式表示：f1(qblower，model)，其中qblower为空调鼓风机风量，model为出风口模式。
12.s4.在所述cfd仿真分析软件输入太阳光照射强度和太阳光照射方位，得到人体表面日照辐射强度和太阳高度角、方位角，以及太阳辐射强度的关系，由以下公式表示：f2(solar，hs，as)，其中solar为太阳辐射强度，hs为太阳高度角，as为以车辆正后方向为南的太阳方位角。
13.s5.在所述cfd仿真分析软件输入鼓风机风量、空调出风口温度参数和出风口模
式，得人体表面各部分风速与鼓风机风量、空调出风口温度、空调回风口温度和出风口模式的关系，由以下公式表示：f3(toutlet，trecircle，qblower，model)，其中toutlet为出风口温度，trecircle为进风口温度，qblower为空调鼓风机风量，model为出风口模式。
14.s6.在所述cfd仿真分析软件输入鼓风机风量、空调出风口湿度参数和出风口模式，得人体表面各部分风速与鼓风机风量、空调出风口湿度、空调回风口湿度和出风口模式的关系，由以下公式表示：f4(houtlet，hrecircle，qblower，model)，其中houtlet为出风口湿度，hrecircle为进风口湿度，qblower为空调鼓风机风量，model为出风口模式。
15.在步骤s2中，所述人体表面分区为将人体表面分为头部、面部、颈部、肩部、上肢、胸部、腹部、手部、下肢和脚部。
16.在步骤s3中，将所述鼓风机风量分为100％和50％两档，所述出风口模式分为头、身体、身体外和大腿四种模式，利用所述cfd仿真分析软件计算上述模式下人体各部分表面风速，再利用所述空调假人测试系统实际测试的结果对所述cfd仿真分析软件中测得的风速分布进行修正。
17.在步骤s4中，将所述太阳光照射强度设置为1000w/m2，所述太阳光照射方位设置为90度、60度前、60度左、60度右、60度后、30度前、30度左、30度右、30度后共计9种情况。
18.在步骤s5和s6中，将所述鼓风机风量分为100％和50％两档，所述出风口模式分为头、身体、身体外和大腿四种模式。
19.所述出风口模式利用所述cfd仿真分析软件进行乘员舱流场计算，包括以下步骤：
20.ss1.基于所述汽车的座椅布置r点，所述r点为设计初期整车布置时汽车设计的参考点，定义4种模式所对应的风速统计面；
21.ss2.改变每种模式的出风口角度，进行乘员舱流场计算，对步骤ss1中所定义的风速统计面进行风速统计；
22.ss3.如果风速统计面风速不满足，则需进一步改变出风口角度，重复步骤ss2，直到风速统计面风速满足目标为止；
23.ss4.记录下步骤ss3中满足风速目标的出风口角度，将其定义为出风口的4种模式。
24.综合考虑所述空调出风口温度、空调回风口温度、空调出风口湿度和空调回风口湿度，计算人体所处环境空气温度，还包括如下步骤：
25.sp1.将乘员舱热环境初始化为温度60度，湿度30％；
26.sp2.计算下述4个过程中，人体所处热环境空气温度湿度，以及空调回风口温度湿度；
27.a.环境温度40度，日照强度1000w/m2，出风口温度由60度逐步减低至0度，降低速度2度/分钟；
28.b.环境温度40度，日照强度500w/m2，出风口温度由60度逐步减低至0度，降低速度2度/分钟；
29.c.环境温度30度，日照强度0w/m2，出风口温度由60度逐步减低至0度，降低速度2度/分钟；
30.d.环境温度30度，日照强度0w/m2，出风口温度由60度逐步减低至0度，降低速度0.5度/分钟；
31.sp3.分别考虑鼓风机最大风量以及最小风量两种情况；
32.sp4.统计人体所处热环境空气温度湿度，与空调出风口和空调回风口温度湿度的关系。
33.本发明还提供一种车辆乘员热环境监测方法，包括汽车，还包括上述的车辆乘员热环境参数算法，所述车辆乘员热环境参数算法设置在所述汽车的中央控制电脑内，所述汽车上还安装有与所述中央控制电脑电连接的gps定位装置、阳光光照传感器、车外温度传感器、车内温度传感器和车内湿度传感器，所述空调出风口安装有空调出风口温度传感器和空调回风口湿度传感器，所述空调回风口安装有空调回风口温度传感器和空调回风口湿度传感器，还包括以下步骤：
34.s7.计算人体表面各部分风速
35.所述中央控制电脑根据所述人体表面各部分风速与鼓风机风量，以及出风口模式的关系，读取出风口模式信号和鼓风机风量信号，计算人体表面各部分风速，计算公式为vi＝f1(qblower，model)，其中vi为人体各部分表面风速；
36.s8.计算人体表面各部分太阳辐射强度
37.所述中央控制电脑根据所述阳光光照传感器读取太阳辐射强度信号solar，根据所述gps定位装置读取车辆所处经纬度、当地时间和车头方位角，
38.计算太阳高度角，计算公式为其中hs为太阳高度角，φ为车辆所处纬度，δ为当日的太阳赤纬，t是当时的太阳时角，计算公式为t＝15*{北京时间 (车辆所处经度-120
°
)/15
°‑
12}；
39.计算太阳方位角，计算公式为其中a为太阳方位角；
40.计算以车辆正后方向为南的太阳方位角as，计算公式为as＝a-av，其中av为车头方位角；
41.计算人体表面各部分太阳辐射强度，公式为si＝f2(solar，hs，as)，其中si为人体表面各部分太阳辐射强度。
42.s9.计算人体表面各部分温度和湿度
43.当出风模式为吹脚/除霜/吹脚除霜模式时，所述中央控制电脑读取所述车内温度传感器信号、车内湿度传感器信号，计算人体表面各部分空气温度和湿度，其计算公式如下：ti＝tinner，hi＝hinner，其中ti表示人体表面各部分空气温度，tinner表示车内温度传感器温度,hi表示人体表面各部分空气湿度，hinner表示车内湿度传感器湿度；
44.当出风模式为吹面/吹面吹脚模式时，所述中央控制电脑根据人体表面各部分风速与鼓风机风量、空调出风口湿度、空调回风口湿度和出风口模式的关系，根据人体表面各部分风速与鼓风机风量、空调出风口温度、空调回风口温度和出风口模式的关系，首先计算人体表面各部分空气温度湿度初始值，计算公式如下：
45.ti0＝f3(toutlet，trecircle，qblower，model)，
46.hi0＝f4(houtlet，hrecircle，qblower，model)，
47.其中ti0表示人体表面各部分空气温度初始值,hi0表示人体表面各部分空气湿度初始值；
48.再利用车内温度信号数据，对人体表面各部分空气温度湿度进行修正，计算公式
如下：
49.ti＝ti0 (tinner-ti0
大腿
)
50.hi＝hi0 (tinner-hi0
大腿
)
51.其中ti0
大腿
表示大腿表面空气温度初始值，hio
大腿
表示大腿表面空气湿度初始值。
52.本发明的有益效果是：本发明的车辆乘员热环境参数算法，包括汽车空调系统，还包括cfd仿真分析软件和空调假人测试系统，通过在cfd仿真分析软件内模拟鼓风机、太阳照射和空调出风口温湿度作用于空调假人的相关条件，来模拟实际状况中车辆乘员所处车辆热环境，计算步骤简洁，运转高效，采用该算法的车辆乘员热环境监测方法，利用现有的空调风口温度传感器、阳光传感器、车外温度传感器、空调回风口温度传感器，在不增加任何传感器的前提下，通过读取车载gps信号等已有数据，依靠前期设计时得到的预置算法计算人体所处热环境，能够实时监测乘员整体、以及身体各部分的热环境，包括温度、湿度、热辐射和风速。为下一步将人体热舒适性作为智能空调控制对象的目标，提高智能空调的舒适性打下基础。并为进一步实现空调控制的全自动化，让驾驶员完全摆脱空调相关操作需求打下基础。
附图说明
53.图1是本发明车辆乘员热环境参数算法的步骤流程图。
具体实施方式
54.下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，需注意的是，在本发明的描述中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方式构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
55.如图1所示，一种车辆乘员热环境参数算法，包括汽车空调系统，还包括cfd仿真分析软件和空调假人测试系统，其中cfd仿真分析软件和空调假人测试系统为市面上已有的，所述空调假人测试系统包括空调假人，所述汽车空调系统包括鼓风机、空调出风口和空调回风口，包括以下步骤：
56.s1.在计算机内对所述空调假人测试系统和所述汽车空调系统进行建模，还建模有太阳光照射模拟模块；
57.s2.将所述空调假人的表面进行分区处理；
58.s3.在所述cfd仿真分析软件输入鼓风机风量和出风口模式，得到人体表面各部分风速与鼓风机风量，以及出风口模式的关系，由以下公式表示：f1(qblower，model)，其中qblower为空调鼓风机风量，model为出风口模式。
59.s4.在所述cfd仿真分析软件输入太阳光照射强度和太阳光照射方位，得到人体表面日照辐射强度和太阳高度角、方位角，以及太阳辐射强度的关系，由以下公式表示：f2(solar，hs，as)，其中solar为太阳辐射强度，hs为太阳高度角，as为以车辆正后方向为南的太阳方位角。
60.s5.在所述cfd仿真分析软件输入鼓风机风量、空调出风口温度参数和出风口模
式，得人体表面各部分风速与鼓风机风量、空调出风口温度、空调回风口温度和出风口模式的关系，由以下公式表示：f3(toutlet，trecircle，qblower，model)，其中toutlet为出风口温度，trecircle为进风口温度，qblower为空调鼓风机风量，model为出风口模式。
61.s6.在所述cfd仿真分析软件输入鼓风机风量、空调出风口湿度参数和出风口模式，得人体表面各部分风速与鼓风机风量、空调出风口湿度、空调回风口湿度和出风口模式的关系，由以下公式表示：f4(houtlet，hrecircle，qblower，model)，其中houtlet为出风口湿度，hrecircle为进风口湿度，qblower为空调鼓风机风量，model为出风口模式。
62.在步骤s2中，所述人体表面分区为将人体表面分为头部、面部、颈部、肩部、上肢、胸部、腹部、手部、下肢和脚部。
63.在步骤s3中，将所述鼓风机风量分为100％和50％两档，所述出风口模式分为头、身体、身体外和大腿四种模式，利用所述cfd仿真分析软件计算上述模式下人体各部分表面风速，再利用所述空调假人测试系统实际测试的结果对所述cfd仿真分析软件中测得的风速分布进行修正。
64.在步骤s4中，将所述太阳光照射强度设置为1000w/m2，所述太阳光照射方位设置为90度、60度前、60度左、60度右、60度后、30度前、30度左、30度右、30度后共计9种情况。
65.在步骤s5和s6中，将所述鼓风机风量分为100％和50％两档，所述出风口模式分为头、身体、身体外和大腿四种模式。
66.所述出风口模式利用所述cfd仿真分析软件进行乘员舱流场计算，包括以下步骤：
67.ss1.基于所述汽车的座椅布置r点，所述r点为设计初期整车布置时汽车设计的参考点，定义4种模式所对应的风速统计面；
68.ss2.改变每种模式的出风口角度，进行乘员舱流场计算，对步骤ss1中所定义的风速统计面进行风速统计；
69.ss3.如果风速统计面风速不满足，则需进一步改变出风口角度，重复步骤ss2，直到风速统计面风速满足目标为止；
70.ss4.记录下步骤ss3中满足风速目标的出风口角度，将其定义为出风口的4种模式。
71.综合考虑所述空调出风口温度、空调回风口温度、空调出风口湿度和空调回风口湿度，计算人体所处环境空气温度，还包括如下步骤：
72.sp1.将乘员舱热环境初始化为温度60度，湿度30％；
73.sp2.计算下述4个过程中，人体所处热环境空气温度湿度，以及空调回风口温度湿度；
74.a.环境温度40度，日照强度1000w/m2，出风口温度由60度逐步减低至0度，降低速度2度/分钟；
75.b.环境温度40度，日照强度500w/m2，出风口温度由60度逐步减低至0度，降低速度2度/分钟；
76.c.环境温度30度，日照强度0w/m2，出风口温度由60度逐步减低至0度，降低速度2度/分钟；
77.d.环境温度30度，日照强度0w/m2，出风口温度由60度逐步减低至0度，降低速度0.5度/分钟；
78.sp3.分别考虑鼓风机最大风量以及最小风量两种情况；
79.sp4.统计人体所处热环境空气温度湿度，与空调出风口和空调回风口温度湿度的关系。
80.本实施例还提供一种车辆乘员热环境监测方法，包括汽车，还包括上述的车辆乘员热环境参数算法，所述车辆乘员热环境参数算法设置在所述汽车的中央控制电脑内，所述汽车上还安装有与所述中央控制电脑电连接的gps定位装置、阳光光照传感器、车外温度传感器、车内温度传感器和车内湿度传感器，所述空调出风口安装有空调出风口温度传感器和空调回风口湿度传感器，所述空调回风口安装有空调回风口温度传感器和空调回风口湿度传感器，还包括以下步骤：
81.s7.计算人体表面各部分风速
82.所述中央控制电脑根据所述人体表面各部分风速与鼓风机风量，以及出风口模式的关系，读取出风口模式信号和鼓风机风量信号，计算人体表面各部分风速，计算公式为vi＝f1(qblower，model)，其中vi为人体各部分表面风速；
83.s8.计算人体表面各部分太阳辐射强度
84.所述中央控制电脑根据所述阳光光照传感器读取太阳辐射强度信号solar，根据所述gps定位装置读取车辆所处经纬度、当地时间和车头方位角，
85.计算太阳高度角，计算公式为其中hs为太阳高度角，φ为车辆所处纬度，δ为当日的太阳赤纬，t是当时的太阳时角，计算公式为t＝15*{北京时间 (车辆所处经度-120
°
)/15
°‑
12}；
86.计算太阳方位角，计算公式为其中a为太阳方位角；
87.计算以车辆正后方向为南的太阳方位角as，计算公式为as＝a-av，其中av为车头方位角；
88.计算人体表面各部分太阳辐射强度，公式为si＝f2(solar，hs，as)，其中si为人体表面各部分太阳辐射强度。
89.s9.计算人体表面各部分温度和湿度
90.当出风模式为吹脚/除霜/吹脚除霜模式时，所述中央控制电脑读取所述车内温度传感器信号、车内湿度传感器信号，计算人体表面各部分空气温度和湿度，其计算公式如下：ti＝tinner，hi＝hinner，其中ti表示人体表面各部分空气温度，tinner表示车内温度传感器温度,hi表示人体表面各部分空气湿度，hinner表示车内湿度传感器湿度；
91.当出风模式为吹面/吹面吹脚模式时，所述中央控制电脑根据人体表面各部分风速与鼓风机风量、空调出风口湿度、空调回风口湿度和出风口模式的关系，根据人体表面各部分风速与鼓风机风量、空调出风口温度、空调回风口温度和出风口模式的关系，首先计算人体表面各部分空气温度湿度初始值，计算公式如下：
92.ti0＝f3(toutlet，trecircle，qblower，model)，
93.hi0＝f4(houtlet，hrecircle，qblower，model)，
94.其中ti0表示人体表面各部分空气温度初始值,hi0表示人体表面各部分空气湿度初始值；
95.再利用车内温度信号数据，对人体表面各部分空气温度湿度进行修正，计算公式
如下：
96.ti＝ti0 (tinner-ti0
大腿
)
97.hi＝hi0 (tinner-hi0
大腿
)
98.其中ti0
大腿
表示大腿表面空气温度初始值，hio
大腿
表示大腿表面空气湿度初始值。
99.本发明的目的在于提供一种汽车乘员热环境实时监测方法，能够实时监测乘员整体、以及身体各部分的热环境，包括温度、湿度、热辐射和风速。
100.本技术是实现智能空调控制的基础，利用本技术实时监测到的热环境，通过人体热舒适性模型，可以计算得到人体实时热感受和热舒适性，并将其作为智能空调的控制目标，从而避免将手动设定温度作为必要输入条件，实现空调控制的全自动化，驾驶员可以不再进行任何空调相关操作即满足热舒适性要求。
101.以实时热环境监测系统为基础，通过将热舒适性作为智能空调的控制目标，最大程度发挥空调出风口方向调节的作用，实现以最低的空调能耗即满足人体热舒适性要求的目标。
102.以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。