基于模糊控制的純電動汽車空調(diào)控制器的研究

陸兆鈉　王俊龍　任俊楠

摘 要：純電動汽車具有能耗少，無排放污染，噪音低等優(yōu)點，受到人們的越來越多的關(guān)注。但其因電池容量受限導(dǎo)致其續(xù)航里程短，這是限制其發(fā)展的重要因素之一，而車身電氣附件的使用進(jìn)一步減小了純電動汽車的續(xù)航里程?？照{(diào)系統(tǒng)是汽車的第二大耗能設(shè)備，它的工作效率將影響整輛汽車的性能和續(xù)航里程。本文基于模糊語言變量和模糊邏輯推理的智能控制方法，對純電動汽車車空調(diào)控制系統(tǒng)的壓縮機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)，混合風(fēng)門，模式風(fēng)門和循環(huán)風(fēng)門等進(jìn)行進(jìn)行控制研究，控制系統(tǒng)所需的反饋信號由傳感器測量和轉(zhuǎn)換，控制系統(tǒng)比較并判斷每個傳感器收集的數(shù)據(jù)，以實現(xiàn)對空調(diào)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速的高效控制，增加續(xù)航里程，保證電動汽車的動力性能。

關(guān)鍵詞：純電動汽車 空調(diào)系統(tǒng) 范圍

Research on Air Conditioning Controller of Pure Electric Vehicle Based on Fuzzy Control

Lu Zhaona，Wang Junlong，Ren Junnan

Abstract：Pure electric vehicles have the advantages of low energy consumption， no emission pollution， low noise， etc.， which have attracted more and more attention. However， due to the limited battery capacity， its cruising range is short， which is one of the important factors limiting its development. The use of body electrical accessories further reduces the cruising range of pure electric vehicles. The air-conditioning system is the second most energy-consuming equipment in cars， and its work efficiency will affect the performance and cruising range of the entire car. Based on the intelligent control method of fuzzy linguistic variables and fuzzy logic inference， this paper conducts control research on the compressor， blower， hybrid damper， mode damper and circulation damper of the air conditioning control system of pure electric vehicles. The feedback signal required by the control system is determined by sensor measurement and conversion， and the control system compares and judges the data collected by each sensor to achieve efficient control of the air-conditioning compressor speed， increase the cruising range， and ensure the power performance of electric vehicles.

Key words：pure electric vehicle， air conditioning system， range

1 引言

隨著人們對資源和環(huán)境的日益關(guān)注，汽車工業(yè)正朝著低碳低排放的方向逐步發(fā)展。傳統(tǒng)的燃油動力汽車消耗大量能源，對環(huán)境造成不可逆轉(zhuǎn)的破壞，這與汽車工業(yè)的發(fā)展方向不符。作為技術(shù)相對成熟的新能源汽車：純電動汽車，混合動力電動汽車和燃料電池汽車得到了很好的推廣。 純電動汽車的制動系統(tǒng)不同于傳統(tǒng)汽車的制動系統(tǒng)。它的電動機(jī)既可以用作驅(qū)動汽車的電動機(jī)，也可以作為發(fā)電機(jī)進(jìn)行控制，通過再生制動系統(tǒng)將純電動汽車的動能轉(zhuǎn)換為電能并將其存儲在儲能裝置中，純電動汽車的下一次啟動和加速所需的能量。

純電動汽車具有能耗低，無廢氣排放，噪音低的優(yōu)點。然而，現(xiàn)有電池技術(shù)的局限性極大地限制了純電動汽車的續(xù)航里程，并成為其推廣的瓶頸[1]。純電動汽車電池容量不足導(dǎo)致續(xù)航里程短，這是制約其發(fā)展的重要因素之一。車身電氣附件的使用進(jìn)一步減小了純電動汽車的續(xù)航里程[2]。因此，純電動汽車對車身附件的工作效率提出了更高的要求。

無論是傳統(tǒng)的燃油汽車還是新的電動汽車，空調(diào)系統(tǒng)已成為必不可少的部分，空調(diào)是汽車中第二大耗能組件，其功耗不可低估[3]。與傳統(tǒng)汽車空調(diào)相比，純電動汽車空調(diào)的驅(qū)動形式和控制方法有所不同[4-6]。在滿足制冷性能的同時，純電動汽車空調(diào)必須考慮汽車節(jié)能和負(fù)荷的要求，以增加汽車的續(xù)航里程并確保汽車的動力[7]。如今，生活質(zhì)量、節(jié)能、環(huán)境保護(hù)是汽車生活的重點，人們不再滿足于具有基本功能（例如簡單的冷卻，加熱和通風(fēng)）的汽車空調(diào)系統(tǒng)。用戶對現(xiàn)代汽車提出了更簡單的操作，更舒適的操作，環(huán)境保護(hù)和低消耗的要求。

2 純電動汽車空調(diào)系統(tǒng)的控制方案

汽車空調(diào)的基本功能是通過系統(tǒng)的工作來降低或升高汽車內(nèi)部的溫度，從而為人體提供舒適的溫度環(huán)境。在集成的加熱和冷卻汽車空調(diào)中，鼓風(fēng)機(jī)既是冷卻蒸發(fā)器風(fēng)扇又是加熱加熱器風(fēng)扇。因此，鼓風(fēng)機(jī)的速度直接影響空氣供應(yīng)的速度，從而直接影響空氣調(diào)節(jié)和加熱的速度。與傳統(tǒng)的汽車空調(diào)系統(tǒng)不同，純電動汽車的空調(diào)壓縮機(jī)直接由電動機(jī)驅(qū)動。直流電動機(jī)由于電刷的使用壽命短而經(jīng)常需要維護(hù)和修理，因此電動汽車空調(diào)壓縮機(jī)驅(qū)動電機(jī)往往采用交流電機(jī)，這就要求空調(diào)控制系統(tǒng)具備變頻功能，能調(diào)節(jié)壓縮機(jī)速度降低能耗的同時，使空調(diào)的性能有更大的提高，使電動汽車空調(diào)更加經(jīng)濟(jì)高效。

當(dāng)壓縮機(jī)驅(qū)動電機(jī)作為不受控制負(fù)載接入的電動車輛電網(wǎng)時，它僅作為負(fù)載連接到電網(wǎng)。這可能導(dǎo)致電動車輛的負(fù)載需求此時與電網(wǎng)的負(fù)載一致，從而增加了電網(wǎng)的峰谷差。如果電動車的各組成部分彼此獨立，則使用加法模型分解時間序列，如果各組成部分之間存在某種相關(guān)性，則使用乘法模型分解這些因素。圖1為多相支持向量機(jī)預(yù)測模型的空調(diào)控制體系結(jié)構(gòu)。

循環(huán)風(fēng)門可以通過內(nèi)部和外部循環(huán)電磁閥或循環(huán)風(fēng)門電機(jī)進(jìn)行控制。當(dāng)汽車空調(diào)處于內(nèi)部循環(huán)狀態(tài)時，此時僅來自汽車的回風(fēng)可以進(jìn)入空調(diào)管道。相反，當(dāng)空調(diào)處于外部循環(huán)狀態(tài)時，不僅汽車內(nèi)部的回風(fēng)可以進(jìn)入空調(diào)管道，而且汽車外部的空氣也可以進(jìn)入空調(diào)管道。為了防止在汽車行駛過程中由于過電流條件而損壞電機(jī)，應(yīng)設(shè)計一個過電流保護(hù)電路。汽車空調(diào)控制系統(tǒng)可以通過控制執(zhí)行器（例如鼓風(fēng)機(jī)，混合風(fēng)門，模式風(fēng)門和循環(huán)風(fēng)門）來改變車內(nèi)空氣溫度和空氣供應(yīng)的參數(shù)，以滿足乘客的舒適度要求。

電動汽車空調(diào)暖風(fēng)系統(tǒng)往往采用熱泵式空調(diào)，通過制冷/制熱模式由四通換向閥轉(zhuǎn)換，從原理上講，該系統(tǒng)與普通的熱泵空調(diào)并無區(qū)別，但是用于電動汽車上，專門開發(fā)了雙工作腔滑片壓縮機(jī)、直流無刷電動機(jī)和逆變器控制系統(tǒng)。在熱泵工況下，系統(tǒng)從融霜模式轉(zhuǎn)為制熱模式時，風(fēng)道內(nèi)換熱器上的冷凝水將迅速蒸發(fā)，在風(fēng)窗玻璃上結(jié)霜，影響駕駛的安全性。PTC電加熱器是電動汽車空調(diào)暖風(fēng)系統(tǒng)的輔助裝置。PTC電加熱器是采用PTC熱敏電阻元件為發(fā)熱源的一種加熱器。PTC熱敏電阻通常是用半導(dǎo)體材料制成的，它的電阻隨濕度變化而急劇變化，當(dāng)外界溫度降低，PTC電阻值隨之減小，發(fā)熱量反而會相應(yīng)增加。按材質(zhì)可以分為陶瓷PTC熱敏電阻和有機(jī)高分子PTC熱敏電阻。用于空調(diào)輔助電加熱器的是陶瓷PTC熱敏電阻。PTC熱敏電阻元件因具有隨環(huán)境溫度高低的變化，其電阻值隨之增加或減小的變化特性，所以PTC加熱器具有節(jié)能、恒溫、安全和使用壽命長等特點。

3 模糊控制算法的實現(xiàn)

汽車空調(diào)控制器通過控制壓縮機(jī)驅(qū)動電機(jī)的速度和風(fēng)門馬達(dá)的速度來控制汽車中的溫度。壓縮機(jī)速度越高，制冷量越大，風(fēng)扇速度越高，汽車中的溫度響應(yīng)越快?；谀：Z言變量和模糊邏輯推理的智能控制方法在測量不準(zhǔn)確和部件特性動態(tài)變化的情況下具有很強(qiáng)的魯棒性。車輛空調(diào)控制系統(tǒng)選擇的控制設(shè)備具有兩個輸入變量和一個輸出。輸入是設(shè)定溫度和室內(nèi)溫度之間的溫度差及其溫度差的百分比變化，輸出是空氣壓縮機(jī)速度?？照{(diào)系統(tǒng)設(shè)備在一定條件下，空氣壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速將是一個恒定值，因此整個系統(tǒng)僅考慮對轉(zhuǎn)速的控制?？刂葡到y(tǒng)所需的反饋信號由傳感器測量和轉(zhuǎn)換，控制系統(tǒng)根據(jù)每個傳感器收集的數(shù)據(jù)執(zhí)行比較和判斷計算，然后將控制指令發(fā)送到執(zhí)行器。自動空調(diào)控制器通過人機(jī)交互來實現(xiàn)乘客對空調(diào)系統(tǒng)運行的掌握和控制。需要通過可視化設(shè)備輸出諸如環(huán)境溫度，室內(nèi)溫度，風(fēng)模式和風(fēng)速之類的信息。

隨著域量化誤差，誤差變化和控制量的增加，調(diào)整因子的數(shù)量也相應(yīng)增加，使得優(yōu)化過程更加復(fù)雜。誤差E，誤差變化EC和控制量u的域選擇為：

（1）

具有自調(diào)整因子的模糊控制規(guī)則可以表示為：

（2）

此處描述的定量控制規(guī)則根據(jù)誤差的大小將誤差的權(quán)重自動反映給控件。通過對自調(diào)整規(guī)則因子a和輸出比例因子Ku的調(diào)整規(guī)律的分析，可以發(fā)現(xiàn)Ku（t）的變化趨勢與a（t）的變化趨勢基本相同。Ku（t）的定律可以選擇為：

（3）

Ku是一個預(yù)設(shè)常數(shù)，因此a（t）和Ku（t）可以同時在線調(diào)整。盡管增加了參數(shù)Ku的在線調(diào)整，但這并沒有增加系統(tǒng)設(shè)計的復(fù)雜性。

純電動車輛的電池容量小，并且提供給空調(diào)系統(tǒng)的功率非常有限，因此有必要通過提高空調(diào)系統(tǒng)的效率來減輕車輛的功率負(fù)擔(dān)。在仿真過程中，獲得的溫差和溫差變化率均為準(zhǔn)確值，因此需要對輸入變量進(jìn)行模糊處理，以滿足模糊集理論的要求。當(dāng)輸入變量模糊時，需要將其分為幾個等級，具體數(shù)量應(yīng)根據(jù)輸入量的細(xì)分程度來確定。在純電動汽車的電動機(jī)制動器分配控制中，很難通過精確的數(shù)學(xué)表達(dá)式來計算其分配比例，但是模糊控制可以通過實驗經(jīng)驗來表達(dá)難以準(zhǔn)確定量地表達(dá)的規(guī)則，并且可以方便地反映出來。影響因素對制動能量回收的影響。如果車內(nèi)溫度比設(shè)定溫度高出幾度，則壓縮機(jī)會高速旋轉(zhuǎn)，便于快速制冷。當(dāng)車內(nèi)溫度降至設(shè)定溫度時，壓縮機(jī)會以低速旋轉(zhuǎn)以維持車內(nèi)溫度，盡管諸如電力之類的各種因素也可以滿足壓縮機(jī)的高速旋轉(zhuǎn)。此時，功耗非常小，達(dá)到了節(jié)能的目的。

4 結(jié)語

汽車空調(diào)的基本功能是通過系統(tǒng)的運行來降低或升高室內(nèi)溫度，從而為人體提供舒適的溫度環(huán)境。純電動車輛的電池容量小，并且提供給空調(diào)系統(tǒng)的功率非常有限，因此有必要通過提高空調(diào)系統(tǒng)的效率來減輕車輛的功率負(fù)擔(dān)。純電動汽車的空調(diào)壓縮機(jī)直接由電動機(jī)驅(qū)動。傳統(tǒng)的直流電動機(jī)由于使用壽命短而需要維護(hù)和修理，這限制了其在汽車空調(diào)中的使用和發(fā)展。汽車空調(diào)控制系統(tǒng)可通過控制鼓風(fēng)機(jī)，混合風(fēng)門，模式風(fēng)門和循環(huán)風(fēng)門等執(zhí)行器來改變汽車內(nèi)的空氣溫度和供氣量等參數(shù)，以滿足乘客的舒適感需求?？刂葡到y(tǒng)所需的反饋信號由傳感器測量和轉(zhuǎn)換，控制系統(tǒng)比較并判斷每個傳感器收集的數(shù)據(jù)，然后將控制指令發(fā)送給執(zhí)行器。純電動汽車空調(diào)應(yīng)滿足制冷性能，同時必須兼顧節(jié)能和負(fù)荷的要求，以增加續(xù)航里程，保證汽車的動力性能。

基金編號：ZQNGG205，南通理工學(xué)院中青年科研骨干;基金編號：CP122017003，南通市重點實驗室“新能源汽車數(shù)字化開發(fā)與性能檢測技術(shù)”;基金編號：JCZ18044，南通市科技局“新能源汽車電機(jī)—變速機(jī)構(gòu)集成研究”。

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