電動空調(diào)匹配及模糊控制研究

楊坤，肖錦釗，王杰，董丹秀，馬超，劉國棟

（1.山東理工大學交通與車輛工程學院，山東 淄博 255000；2.山東意威汽車科技有限公司，山東 淄博 255000；3.濰柴動力股份有限公司，山東 濰坊 261001）

電動車續(xù)駛里程是影響電動車普及的關(guān)鍵因素，車載空調(diào)的能耗可占整車能耗的15%～20%［1］，并且采用電動空調(diào)對電動車本身的動力性以及續(xù)駛里程均有很大影響。因此，針對電動車開展空調(diào)系統(tǒng)的合理匹配和以節(jié)能為主要目標的電動空調(diào)控制對電動車的普及具有重要意義。目前，針對電動空調(diào)的研究主要集中在電動空調(diào)開啟對整車能耗的影響，以及改進電動空調(diào)能耗等方面。閔海濤等［2］應用ADVISOR和Matlab的聯(lián)合仿真驗證了電動空調(diào)開啟對整車續(xù)駛里程的影響，以及不同行駛條件下電動空調(diào)對整車性能的影響；Hosoz等［3］則通過調(diào)節(jié)熱泵空調(diào)系統(tǒng)壓縮機和風扇電機的運轉(zhuǎn)頻率，達到提高空調(diào)性能和降低能耗的目的；李麗等［4］對不同環(huán)境溫度下壓縮式冷暖雙模式熱泵空調(diào)系統(tǒng)進行實驗分析，驗證了該系統(tǒng)的可行性以及熱泵空調(diào)性能好壞與外界環(huán)境的關(guān)系；Lowe等［5］對R134a汽車空調(diào)進行改裝，利用兩相冷卻的方法對動力電子設(shè)備進行制冷降溫。在控制效果方面，以上研究多以控制到設(shè)定溫度為目標，而未對如何改善整車室內(nèi)溫度舒適性開展研究；在能耗方面，多通過添加附件的方式改善電動空調(diào)能耗，未通過改善電動空調(diào)控制來減少電動空調(diào)能耗。

本文主要針對某純電動客車空調(diào)部件匹配和控制開展研究，利用穩(wěn)態(tài)傳熱理論計算電動客車的整車熱負荷，基于熱負荷計算結(jié)果對汽車空調(diào)4大部件進行匹配；建立了壓縮機轉(zhuǎn)速控制模塊、整車熱負荷模塊和室內(nèi)溫度計算模塊，根據(jù)氣候適應性模型，提出了以外界溫度與舒適溫度差值和動力電池SOC值作為輸入變量的模糊控制策略，在Matlab/Simulink中搭建了相應的仿真模型，基于中國典型城市工況對所匹配電動空調(diào)進行了仿真分析，驗證了其可行性和經(jīng)濟性。

1 工作原理

電動空調(diào)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示。

圖1 電動空調(diào)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Schematic diagram for electric air-conditioning system

由圖1可知，電動空調(diào)系統(tǒng)主要由控制系統(tǒng)和制冷系統(tǒng)兩大部分組成?？刂葡到y(tǒng)包括室內(nèi)及室外溫度傳感器、溫度比較器、模糊控制器等，在車輛運行過程中接收室內(nèi)、室外溫度信號和動力電池荷電狀態(tài)（state of charge，SOC），對空調(diào)壓縮機轉(zhuǎn)速進行控制。制冷系統(tǒng)主要由壓縮機、冷凝器、膨脹閥、蒸發(fā)器4部分組成，分別完成壓縮、冷凝、節(jié)流、蒸發(fā)4個過程。

2 整車熱力學模型

2.1 客車參數(shù)及環(huán)境參數(shù)

客車的結(jié)構(gòu)和車身參數(shù)是影響電動空調(diào)匹配的關(guān)鍵因素，所選客車結(jié)構(gòu)參數(shù)、客車車身詳細參數(shù)見表1、表2。

表1 客車結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.1 Parameters for bus structure

表2 客車車身詳細參數(shù)Tab.2 Parameters for bus body

以典型的淄博市夏季環(huán)境為例，對電動空調(diào)進行研究，環(huán)境參數(shù)見表3。

表3 環(huán)境參數(shù)Tab.3 Environment parameters

2.2 整車熱負荷

夏季客車整車的熱負荷主要由熱傳導、熱輻射在車身與門窗玻璃處傳入車中的熱量、客車室內(nèi)乘員散發(fā)的熱量、通風系統(tǒng)引入的熱量、設(shè)備照明燈等儀器散發(fā)的熱量組成［6］，其公式為

式中：Q為整車熱負荷；Q1為車身不透明圍護結(jié)構(gòu)傳入熱量；Q2為玻璃傳入熱量；Q3為乘員散發(fā)熱量；Q4為室外空氣帶入熱量；Q5為儀器散熱量。

2.2.1車身不透明圍護結(jié)構(gòu)傳入熱量

不透明圍護結(jié)構(gòu)由車身側(cè)圍（包括車門）、頂棚和地板3部分組成，其傳入熱量計算公式為［7］

式中：Ki為第i個不透明結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)；Fi為第i個不透明結(jié)構(gòu)的面積；ti為第i個不透明結(jié)構(gòu)的室外空氣綜合溫度；tn為電動客車室內(nèi)空氣的溫度；u為行駛車速；δi為第i個不透明結(jié)構(gòu)的厚度；λi為第i個不透明結(jié)構(gòu)的導熱系數(shù)；an為客車室內(nèi)空氣與車身內(nèi)表面的對流換熱系數(shù)；T0為環(huán)境溫度；ρi為第i個不透明結(jié)構(gòu)的吸收系數(shù)；Ii為第i個不透明結(jié)構(gòu)的太陽輻射強度。

2.2.2 車窗玻璃傳入的熱量

透過玻璃進入客車的總熱量Q2主要由熱輻射、對流導熱方式傳入［6］：

式中：η為玻璃對太陽輻射的透入系數(shù)；ρ為玻璃對太陽輻射的吸收系數(shù)；FB為陽面車窗玻璃面積；I為車窗外表面的總太陽輻射強度；FA為車窗總面積；Is為散射輻射強度；C為遮陽修正系數(shù)；Km為車窗傳熱系數(shù)；Fm為車窗傳熱面積；Δt為車外綜合溫度與車內(nèi)溫度之差。

2.2.3 乘員散發(fā)的熱量

乘員散發(fā)的熱量Q3為［7］

式中：M為車內(nèi)乘員數(shù)；M'為群集系數(shù)，取0.89。

2.2.4 由通風和密封性泄露進入熱量

由通風和密封性泄露進入的熱量Q4為［8］

式中：γ為空氣密度；VH為人均所需換氣量；ΔH為車內(nèi)外空氣焓差。

2.2.5 電器設(shè)備散發(fā)的熱量

電動客車在運行時產(chǎn)生熱量的電氣設(shè)備主要包括電機、照明燈、音響等［8］，據(jù)統(tǒng)計取Q5=200 W。

由表1～表3的整車及環(huán)境條件可知，根據(jù)式（2）～式（7）計算得到各部分熱負荷，根據(jù)式（1）計算得到整車熱負荷。

3 電動空調(diào)系統(tǒng)參數(shù)匹配

3.1 制冷劑熱力循環(huán)參數(shù)的確定

用壓焓圖來表示制冷劑的壓縮、冷凝、節(jié)流及蒸發(fā)循環(huán)過程，如圖2所示。

圖2 制冷劑循環(huán)壓焓Fig.2 Pressure and enthalpy diagram of refrigerant

圖2中：橫坐標為比焓值；縱坐標為絕對壓力的對數(shù)值；e～f為壓縮過程；f～i為冷凝過程；i～j為節(jié)流過程；j～o為蒸發(fā)過程；e～g為絕熱壓縮過程；ab為飽和液體線；cd為飽和蒸汽線；o～e為回熱過程。

曲線e～g為等熵過程，是一種理想的壓縮機工作狀態(tài)，而實際上壓縮機壓縮過程與外界存在熱交換，故用曲線e～f作為壓縮機實際壓縮過程，f點焓值通過下式計算［6］：

式中：hf為f狀態(tài)點的比焓值；he為e狀態(tài)點的比焓；hg為壓縮機出口處的制冷劑實際焓值；TJ為蒸發(fā)溫度；TK為冷凝溫度；tJ為蒸發(fā)溫度。

選擇R134a作為電動空調(diào)的制冷劑，設(shè)定系統(tǒng)的過熱度、過冷度、蒸發(fā)溫度、冷凝溫度。根據(jù)R134a制冷劑的壓焓圖可得出制冷劑熱力循環(huán)參數(shù)點狀態(tài)值，見表4［9］。

表4 參數(shù)點狀態(tài)值Tab.4 State values of each parameter point

3.2 壓縮機匹配

渦旋壓縮機體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)件簡單、轉(zhuǎn)速可調(diào)范圍大，且工作效率穩(wěn)定［9］，其排量計算為［10］

式中：v為壓縮機入口處的比容；n為壓縮機轉(zhuǎn)速；λ為輸氣系數(shù)；ho為o狀態(tài)點的比焓值；hi為i狀態(tài)點的比焓值；Q為制冷量，即整車熱負荷。

壓縮機軸功率由下式計算［11］：

式中：Ne為壓縮機的軸功率；ηm為壓縮機的機械效率。

根據(jù)制冷量Q及各工況點參數(shù)表中數(shù)據(jù)，利用式（9）和式（10）可算得壓縮機排量、壓縮機軸功率，從而得到驅(qū)動電機功率。

壓縮機轉(zhuǎn)速為n時，電動空調(diào)系統(tǒng)的制冷量為

式中：Qe為空調(diào)制冷量；v″為壓縮機進口處的制冷劑比容。

空調(diào)壓縮機功率為壓縮機制冷量與能效比的比值，其瞬時功率為［11］

式中：Ni為壓縮機瞬時功率；i為空調(diào)能效比。

根據(jù)式（12）可得到不同轉(zhuǎn)速下電動空調(diào)壓縮機的瞬時功率曲線。

3.3 冷凝器及蒸發(fā)器匹配

冷凝器參數(shù)需要根據(jù)熱力循環(huán)工況設(shè)定的冷凝溫度及進口溫度來確定，主要包括如下兩項。

冷凝器熱面積［6］：

式中：F為換熱器的傳熱面積；K為換熱器的傳熱系數(shù)；tf為進口溫度；t0為出口溫度；te為冷凝溫度。

冷凝器熱負荷［6］：

式中：QK為制冷器熱負荷。

由式（13）和式（14）可得冷凝器的熱面積和熱負荷。匹配冷凝器時還需要考慮其工作壓力和工作溫度，由表4可知制冷循環(huán)的冷凝壓力、冷凝溫度，因此工作壓力不得低于表內(nèi)壓力，工作最高溫度不能低于表內(nèi)冷凝溫度最大值，工作最低溫度不能高于表內(nèi)冷凝溫度最小值。匹配蒸發(fā)器時，功率與冷凝器相同［6］，蒸發(fā)器工作壓力不能小于制冷劑蒸發(fā)壓力，工作溫度不能低于制冷劑蒸發(fā)溫度。

3.4 膨脹閥匹配

膨脹閥容量是蒸發(fā)器效率能否得到充分發(fā)揮的關(guān)鍵［6］，其容量為

式中：Lp為電子膨脹閥容量。

根據(jù)式（15）可計算出電子膨脹閥的容量。為確保閥門的安全，膨脹閥的工作壓力應該大于等于R134a制冷劑在熱力循環(huán)工況中高壓側(cè)壓力，即表4中狀態(tài)點f處的壓力。

4 電動空調(diào)控制系統(tǒng)

電動空調(diào)系統(tǒng)是一種典型的瞬態(tài)非線性控制系統(tǒng)。由于電動空調(diào)系統(tǒng)在溫度控制時的復雜不確定性與模糊控制算法的特性相符，因此選用模糊控制對電動空調(diào)系統(tǒng)進行控制。

4.1 控制變量

4.1.1 溫差

基于澳大利亞學者Dedear的“氣候適應性模型”，根據(jù)淄博市冬冷夏熱氣候特點，得出淄博市“人體熱舒適氣候適應性模型”［12］：

式中：Tn為人體舒適溫度；T0為環(huán)境溫度。

根據(jù)式（16）可計算出淄博地區(qū)，不同的外界環(huán)境溫度下人體舒適溫度。基于人體熱舒適氣候適應性模型的電動空調(diào)系統(tǒng)，能夠根據(jù)環(huán)境溫度計算出人體舒適溫度，從而提高乘客的舒適性，因此選擇室內(nèi)溫度與人體舒適溫度的差值作為控制變量。溫差劃分區(qū)域為：NB（-7，-2.5）、NS（-3.5，0.5）、Z（-2，2）、PS（-0.5，3.5）、PB（2.5，7）。

4.1.2 動力電池SOC值

考慮到經(jīng)濟性，由于電動空調(diào)系統(tǒng)在電動附件中耗能較大，若動力電池SOC值處于較低狀態(tài)時，仍繼續(xù)保持空調(diào)壓縮機高轉(zhuǎn)速運行，會嚴重影響整車續(xù)駛里程和電池壽命，因此選擇動力電池SOC值作為控制變量。SOC值劃分區(qū)域為：S（0，0.3）、JS（0.25，0.45）、M（0.4，0.6）、JB（0.55，0.75）、B（0.7，1）。

4.1.3 壓縮機轉(zhuǎn)速

模糊控制的輸出變量選擇電動空調(diào)的控制變量，即壓縮機轉(zhuǎn)速，結(jié)合所選壓縮機的特性建立輸出量的隸屬度函數(shù)［2，6］。其劃分區(qū)域為：S（0，1 000）、JS（0，2 000）、MS（1 000，3 000）、M（2 000，4 000）、MB（3 000，5 000）、JB（4 000，6 000）、B（5 000，6 000）。

4.2 控制規(guī)則

確定模糊控制的輸入輸出變量后，從保證車內(nèi)溫度舒適性和低電量時延長整車續(xù)駛里程的角度出發(fā)，根據(jù)如下原則制定模糊控制規(guī)則：

（1）SOC值大于0.7時，壓縮機轉(zhuǎn)速與溫差成正比，以保證車內(nèi)溫度舒適性；

（2）SOC值在0.3～0.7時，適當降低壓縮機轉(zhuǎn)速，以兼顧車內(nèi)溫度舒適性和整車續(xù)駛里程；

（3）SOC值低于0.3時，逐漸降低壓縮機轉(zhuǎn)速，直至關(guān)閉空調(diào)系統(tǒng)，以延長整車續(xù)駛里程。制定的模糊控制規(guī)則見表5。

表5 模糊控制規(guī)則Tab.5 Fuzzy control rules

5 仿真驗證

5.1 仿真工況

針對電動空調(diào)驗證，國際上還沒有標準循環(huán)工況，本文選擇中國典型城市工況作為仿真工況對電動空調(diào)系統(tǒng)的有效性和經(jīng)濟性進行驗證。

5.2 有效性驗證

基于前文建立的整車熱負荷模塊、人體熱舒適氣候適應性模塊、室內(nèi)溫度模塊、壓縮機轉(zhuǎn)速控制模塊等建立完整的客車空調(diào)仿真模型［13］，基于單次中國典型城市工況來驗證空調(diào)系統(tǒng)的有效性：設(shè)置環(huán)境溫度為35℃，舒適溫度為28℃，5組車輛的SOC值為0.5～0.9。對各組車輛的壓縮機轉(zhuǎn)速、室內(nèi)溫度進行仿真，結(jié)果如圖3、圖4所示。

由圖3、圖4可知，在外界環(huán)境溫度為35℃的情況下，隨著電動空調(diào)系統(tǒng)的開啟，室內(nèi)溫度與舒適溫度的差值逐漸降低，壓縮機轉(zhuǎn)速也隨著溫差逐漸降低，最終達到穩(wěn)定。雖然在低SOC值的車輛會降低乘客舒適性，但整體上各組車輛空調(diào)系統(tǒng)均可在150 s內(nèi)將室內(nèi)溫度控制在28℃附近，能夠滿足乘客對空調(diào)系統(tǒng)的需求。

圖3 壓縮機轉(zhuǎn)速Fig.3 Rotating speed

圖4 室內(nèi)溫度Fig.4 Indoor temperature

5.3 經(jīng)濟性驗證

一次中國典型城市工況下車輛行駛5.9 km，本文選擇35次中國典型城市工況對電動空調(diào)系統(tǒng)的經(jīng)濟性進行驗證。

設(shè)置環(huán)境溫度固定為35℃，舒適溫度為28℃，動力電池放電深度為80%，動力電池初始SOC值為0.95。設(shè)置3組不同控制方案：方案1關(guān)閉空調(diào)系統(tǒng)，以確定開空調(diào)對整車經(jīng)濟性的影響；方案2采用溫差、溫差變化率雙輸入模糊控制［14］；方案3采用溫差、SOC值雙輸入模糊控制。通過3種方案的對比，分析電動空調(diào)對整車經(jīng)濟性的影響，各方案下動力電池SOC值如圖5所示。

根據(jù)圖5可知，方案1的車輛經(jīng)過44 000 s后SOC值降低到0.2，方案2和方案3分別在28 890 s和31 450 s處SOC值降低到0.2。由此可知空調(diào)系統(tǒng)開啟會嚴重影響續(xù)駛里程，且方案3的電池SOC值降低速度低于方案2。

為進一步分析空調(diào)控制系統(tǒng)對整車經(jīng)濟性的影響，對方案2及方案3的壓縮機轉(zhuǎn)速、室內(nèi)溫度進行分析，結(jié)果如圖6、圖7所示。根據(jù)圖5、圖6所示，方案2的車輛在0時刻啟動電動空調(diào)系統(tǒng)，室內(nèi)溫度逐漸降低到設(shè)定溫度28℃附近，控制壓縮機轉(zhuǎn)速逐漸降低到3 600 r/min并趨于穩(wěn)定，系統(tǒng)運行到28 890 s處，動力電池SOC值降低到0.2，空調(diào)系統(tǒng)關(guān)閉，室內(nèi)溫度迅速回升到35℃。

圖6 方案2壓縮機轉(zhuǎn)速和室內(nèi)溫度Fig.6 Compressor speed and indoor temperature of scheme 2

圖7 方案3壓縮機轉(zhuǎn)速和室內(nèi)溫度Fig.7 Compressor speed and indoor temperature of scheme 3

由圖5、圖7可知：方案3的車輛在0時刻開啟空調(diào)系統(tǒng)，室內(nèi)溫度逐漸降低到舒適溫度附近；運行到8 000 s，動力電池SOC值降低到0.7，為減少空調(diào)系統(tǒng)能耗，系統(tǒng)控制壓縮機轉(zhuǎn)速梯度降低，室內(nèi)溫度回升；運行到27 000 s，動力電池SOC值降低到0.3，動力電池處于極低荷電狀態(tài)，為提高整車續(xù)駛里程，控制空調(diào)系統(tǒng)在500 s內(nèi)關(guān)閉，達到梯度關(guān)閉空調(diào)系統(tǒng)的效果；在關(guān)閉空調(diào)的情況下，車輛繼續(xù)運行到31 450 s處，動力電池SOC值降低到0.2，具體仿真結(jié)果見表6。

表6 仿真結(jié)果Tab.6 Simulation results

根據(jù)表6對比可知：相比較傳統(tǒng)電動空調(diào)系統(tǒng)，本文所匹配的電動空調(diào)系統(tǒng)每行駛100 km可節(jié)省6.9 kW·h的電量。

綜上所述，方案3在保證車輛室內(nèi)舒適性的前提下，能在動力電池SOC值較低的情況下有效降低壓縮機轉(zhuǎn)速甚至關(guān)閉空調(diào)系統(tǒng)，從而有效延長行駛里程。

6 結(jié)論

根據(jù)國內(nèi)外電動空調(diào)的研究現(xiàn)狀，以提高電動空調(diào)系統(tǒng)經(jīng)濟性和整車室內(nèi)溫度舒適性為目標，基于整車熱負荷及制冷劑循環(huán)工況，提出電動空調(diào)系統(tǒng)的匹配流程，并針對傳統(tǒng)電動空調(diào)能耗高的問題，對電動空調(diào)控制開展研究，結(jié)論如下：

（1）基于熱負荷模型及制冷劑熱力學循環(huán)工況對整車熱負荷及電動空調(diào)參數(shù)進行匹配，以保證整車室內(nèi)溫度舒適性和提高整車續(xù)駛里程為目標對空調(diào)控制系統(tǒng)進行設(shè)計，在Matlab/Simulink中搭建了電動空調(diào)系統(tǒng)模型，通過中國典型城市工況驗證了當室外溫度為35℃時空調(diào)系統(tǒng)能在150 s內(nèi)將室內(nèi)溫度穩(wěn)定控制在28℃附近，能夠滿足整車需求，為電動空調(diào)系統(tǒng)的匹配提供了理論依據(jù)。

（2）基于人體舒適溫度與室內(nèi)溫度差值、動力電池SOC值的電動空調(diào)模糊控制，能夠根據(jù)環(huán)境溫度將室內(nèi)溫度控制到人體感覺舒適的溫度，提高整車室內(nèi)溫度舒適性；動力電池SOC值處于0.3～0.7時，能夠在兼顧整車室內(nèi)溫度舒適性的前提下，降低壓縮機轉(zhuǎn)速，減少電動空調(diào)的能耗，延長續(xù)駛里程；能夠在動力電池SOC值小于0.3時梯度關(guān)閉空調(diào)，以進一步提高整車續(xù)駛里程。