车载空气净化器设计研究

10.16638/ki.1671-7988.2018.09.019
车载空气净化器设计研究
李凡，刘凯，王泉杰，孙启林
（安徽江淮汽车集团股份有限公司技术中心，安徽合肥230601）
摘要：文章介绍了车载空气净化器设计原则和要求，阐述了车载空气净化器设计要点，并通过某扶手式空气净化器开发介绍空气净化器设计优化。

关键字：空气净化器；模块化；设计优化
中图分类号：U462.1 文献标识码：A 文章编号：1671-7988(2018)09-65-04
Design and study of auto air purifier
Li Fan, Liu Kai, Wang Quanjie, Sun Qilin
( Center of Technology, Anhui Jianghuai Automobile Co. Ltd., Anhui Hefei 230601）
Abstract: This paper introduces the design principles and requirements of auto air purifier, expounds the design essentials of it, and introduces the design and optimization of auto air purifier through the development of a handrail air purifier. Keywords: Air purifier; modularization; design optimization
CLC NO.: U462.1 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2018)09-65-04
引言
随着社会快速发展，中国汽车保有量不断增长，据统计，2017年中国汽车总销量已达2887.89万辆，人们越来越依赖汽车这种交通工具，人们在车内的时间也越来越久，车内污染物及净化方式的研究也越来越得到重视。

车内污染物一般包含汽车内饰件散发的甲醛、二甲苯等有毒气体，部分进入到车内的汽车尾气，雾霾天气进入车内的灰尘、PM2.5等有害颗粒和车内细菌等。

由于污染物的种类复杂，且车内车外因素混合作用，单纯的通过开窗换气或者空调通风很难获得健康的车内环境。

空气净化器是对空气中颗粒物，气态污染物、微生物等一种或多种污染物具有一定去除能力的电器[1]，越来越多主机厂选择配置车载空气净化器，通过空气过滤、负离子、等离子等技术净化车内空气，提高车内环境质量。

1 车载空气净化器的设计原则和要求
1.1 车载空气净化器设计原则
由于车内空间相对较小，空气净化器的体积受限，开发过程中需要综合考虑结构和性能，空气净化器设计原则为：（1）稳定性和可靠性：稳定和可靠是汽车零部件的前提条件，在空气净化器研发和实际使用中，需要优先考虑稳定和可靠的技术方案。

（2）标准性和规范性：优先采用国际、国家及行业标准，在设计时尽可能规范化。

（3）实用性和先进性：采用成熟、稳定技术的基础上，不断创新，体现产品先进性。

（4）经济性：净化器配置合理，具备良好的性价比。

1.2 车载空气净化器要求
GB/T 18801-2015标准中将乘用车空气净化器纳入到范围内，规定了空气净化器噪声、污染物去除，待机功率等方面的要求，但汽车零部件要求比一般产品高，需要针对乘用车使用环境进行相应补充，如外观，环境可靠性，电磁兼容性等。

作者简介：李凡，（1986.6）男，材料主管工程师，就职于江淮汽车
技术中心车身设计研究院材料工程部。

主要研究车用金属材料及
ELV，车载空气净化器方向。

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汽车实用技术
661.2.1 外观
顾客对汽车品质的要求越来越高，主机厂对零部件外观
质量的要求也十分严格。

按零件在车辆上操作和装配状态，区分A，B，C，D区域，在操作状态和正常姿势很明显的能看到的部位属于最关键的A级区域，空气净化器由于需要进行操作及，其外观面按A级区域标准进行要求：
（1）表面光滑平整，不能用裸眼可见的瑕疵（如毛刺、起皱、开裂、变形等）；（2）净化器表面的颜色和花纹应与造型定义的色板或样品一致。

皮纹清晰、色泽均匀，皮纹类型，纹理方向，纹理深度及皮纹范围均与定义要求一致；（3）净化器间隙面差应符合整车内饰件间隙面差要求，关键部位应具有相关检具进行监控。

1.2.2 净化功能
GB/T 18801定义空气中颗粒物，气态污染物、微生物为三种目标污染物，但对污染物的净化能力并没明确规定，根据净化功能要求如下：
（1）PM2.5净化效率；（2）固体颗粒物的洁净空气量（CADR）；（3）甲苯，二甲苯，苯，甲醛，乙苯去除率；（4）除菌率；（5）臭氧浓度和TVOC浓度。

1.2.3 环境可靠性
面对车辆行驶过程中不断变化的外界环境，需要经得起严苛环境的考验，因此产品需要良好的环境可靠性。

在设计净化器时，需要考虑的环境因素包括气候环境条件（温度，湿度等），车辆使用条件，供电电压，产品寿命周期（生产、装运、操作、存储、车辆维护和修理等），产品在车辆上的安装位置等，环境可靠性要求如下：
（1）净化器不能对周围的电子件及整车产生干扰；（2）净化器应能抵抗外界电磁场干扰；（3）能抵抗周围环境温度、湿度、振动频率、供电电压等方面变化；（4）具备生产、装运、操作、存储、维护维修可靠性。

1.2.4 特殊要求
车载空气净化器相对于其他电子产品，具备一定的特殊要求：
（1）有机物挥发：满足主机厂8项物质（五苯三醛）的限定条件；（2）气味性：满足气味性要求；（3）禁限物质[2]：满足6项禁限物质（铅、汞、六价铬、镉、多溴联苯、多溴二苯醚）限值要求。

2 车载空气净化器设计要点
2.1 车载空气净化器模块划分
对车载空气净化器进行模块划分，可以优化开发过程，并且降低开发成本。

车载空气净化器应具备空气净化功能，数据采集功能和人机交互功能，同时需要控制模块和电源电路来保证整个系统运行。

系统模块如图1所示。

图1 空气净化器系统模块图
2.2 净化方式选择
目前常用的净化技术有机械过滤式，负离子式，等离子式，臭氧式和光触媒式等，各种方式的原理及优缺点如表1所示。

这些空气净化方式都存在各自的优势和缺点，在设计开发的时候，通常需要将几种技术综合起来运用，才能较好的改善车内空气质量。

表1 各种净化方式优缺点
2.3 人机交互方式设计
随着汽车智能化发展，汽车已不单纯是交通运输工具，也是一种生活方式，这也要求汽车零部件更加智能化，车载净化器的人机交互也逐渐从简单的开关控制，指示灯显示演变为通过中控屏和手机APP交互。

车载净化器与中控通过CAN网络互联，可以实现显示、操作等功能。

车载净化器通过CAN线将信号传输给TBOX，用户可通过手机APP远程控制空气净化器，同时手机APP上实时显示车内空气质量等。

表2为车载净化器主要的交互方式：
李凡 等：车载空气净化器设计研究
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表2 车载净化器的交互方式
在交互方式设计时，界面的设计至关重要，需要通过布局、色彩和细节整体规划。

在车型开发中，中控屏、手机APP 和空气净化器通常由不同部门分别开发，需要在整车项目开发过程整体规划，将各个界面的风格形成一致性。

结合净化器的特点，界面中蓝、绿等清新的色调表达优良的空气质量，黄、红和紫等冲击性强的色调则表达较差的空气质量，明亮和纯度高的颜色在视觉层次中靠前，而明度和纯度低的颜色则在视觉层次中靠后[3]。

2.4 取电方式设计
车载空气净化器分为活动式和固定式，固定式的取电方式较简单，线束设计在内饰件内部即可，活动式一般为中央扶手式净化器，主要有三种取电方式：
（1）直接在净化器上预留线束孔，线束走明线，同时用伸缩管保护电源线，如图3所示。

该方式电源线要随伸缩管一起拉出，优势是可靠性好，结构简单，只需要在净化器和扶手箱上开线束孔，数据改动小，劣势是需要净化器开关时，伸缩管可被明显发现，影响外观。

该方案设计时，需要考虑到伸缩管的压缩比，在扶手箱内预留足够的空间。

图3 伸缩管式取电方式
（2）沿铰链位置走线取电，同时在金属铰链外增加塑料护套，如图4所示。

该方式优势是隐秘性强，整体造型美观，是应用最多的方式。

劣势是沿铰链位置走线，并在铰链外增加塑料件包覆，结构较复杂，无法通过较大的线束，需要在设计初期就预留足够的空间，且扶手多次开合时，电源线容易磨损，在设计的时候，需要对线束进行约束，减少磨损，并且对线束进行运动校核，线束周围零件需进行避让。

图4 沿铰链走线取电
（3）触点式取电。

如图5所示，该方式优势是更具隐蔽性，整体造型美观时尚，科技感强，电源线不用随扶手开合，减少线束折断的风险，将触点开关开发成标准件，可在其他车型进行应用，降低成本，触点开关将保护开关和取电结合，方便装配及取电。

劣势是触点式取电是旋转对碰，触点接触时候有微量的位移，并且此方式只能取电，如果需要与外部进行数据传递则需要重新走线。

该方案设计时需要在离铰链近位置进行安装，这样净化器活动幅度小，触点错位小。

图5 触点式取电
3 某扶手式空气净化器设计
3.1 空气净化器方案
某车型计划开发一款扶手式车载空气净化器，根据开发指令、造型定义和用户需求识别等输入，综合考虑可靠性和经济性，对净化器各模块采用以下设计方案，图6为净化器的结构示意图。

（1）核心控制模块采用主PCB 板，控制空气净化器的各零件，通过CAN 将工作状态传送给中控屏和TBOX ；
（2）空气净化功能选用HAF+活性炭的多层复合滤网，配合负离子功能进行净化，对粉尘、气体污染物和病菌都有良好的处理效果；
（3）用户交互功能采用带指示灯的按键对净化器进行控制，并且通过中控屏和手机APP 输出空气质量。

（4）数据采集模块采用PM2.5传感器检测车辆室内的PM2.5，发送数据给Main PCB 。

图6 车载空气净化器结构示意图
3.2 结构设计与优化
为保证空气净化器需要有良好的环境可靠性和性能，在开发中通过CAE 和试验方法对结构进行验证，并对有问题的
部位进行相应的增强。

车载空气净化器的结构设计时进行了以下几点：
汽车实用技术
68（1）滤网盖，扣手处，铰链处等活动部位且与其他边界
接触部位的强度，增加适当的加强筋或增加壁厚。

图7是通过增加加强筋解决滤网盖在耐热测试时发生变形问题。

图7 增加加强筋解决滤网盖在耐热测试变形问题在跌落试验CAE分析中，铰链颈部强度偏弱，通过增加颈部厚度解决此问题，颈厚由16.5mm增加至23.5mm，如图8所示。

图8 增加铰链颈部厚度加强铰链强度
（2）滤网、风扇、传感器等部件与其他边界接触部位应增加适当的减震垫或防护垫，减少由于车辆运动过程中部件间碰撞产生的异响。

（3）滤芯为经常更换件，设计物理式防错结构，若安装不当，滤芯将无法安装到底，两侧设计耳朵结构，便于滤芯取出。

图9 滤芯的防错及取出结构
（4）采用沿铰链位置走线取电方式，设计电源线固定结构，避免电源线经常运动导致磨损，如图10所示。

图10 铰链护板中线束的限位设计
3.3 风扇选择
空气净化器必须具备足够的风量才能达到合格的净化能力，如何在有限的空间内，设计合适的风扇，通常需要用到CFD技术对风扇进行优化。

表3是通过CFD对两种不同扇叶的风扇进行对比分析，图11是湍流强度分析结果，在均满足要求的情况下，D类型风扇风量更大，噪声较小，因此选用D类型。

表3 风扇对比分析
图11 湍流强度分析结果
4 结束语
随着车内环境问题日益得到公众关注，通过开发车载空气净化器，去除车内气态污染物与固态污染物，给车内带来洁净空气，在人们享受乘车乐趣的同时，解决了人们长期在车内受污染空气的困扰。

参考文献
[1] GB/T 18801,空气净化器[S].北京:中国标准出版社,2015.
[2] GB/T 30512,汽车禁用物质要求[S].北京:中国标准出版社,2014.
[3] 苏美先.空气净化器的研究和设计[D].广东:广东工业大学,2014.。