電動(dòng)汽車自動(dòng)空調(diào)控制策略研究

劉文慶，耿勝民，馮志堅(jiān)，任浩鵬

（揚(yáng)州華光新材料股份有限公司，江蘇 揚(yáng)州）

前言

與傳統(tǒng)汽車不同的是，新能源汽車空調(diào)系統(tǒng)采用電動(dòng)壓縮機(jī)和電加熱PTC，因此空調(diào)系統(tǒng)的能耗對(duì)整車?yán)m(xù)航里程有較大影響[1]，為了降低空調(diào)使用過程中對(duì)新能源汽車?yán)m(xù)航的影響，國內(nèi)外學(xué)者從材料、工藝、控制等各個(gè)角度開展了大量研究。S.Bellocchi 等[2]研究表明，不同的環(huán)境溫度下用熱泵替代PTC 可節(jié)約17%～46%的能耗。丁鵬[3]等提出基于多種制暖并存，分階段聯(lián)合控制式純電動(dòng)客車暖風(fēng)空調(diào)控制，有效平衡了車內(nèi)各點(diǎn)溫度差值，簡(jiǎn)化了管道連接，減少了傳熱損失，從而提高能源利用效率。內(nèi)蒙第一機(jī)械集團(tuán)股份有限公司的曹立[4]等提出一種基于馬爾可夫鏈的隨機(jī)模型預(yù)測(cè)控制算法，提升了空調(diào)系統(tǒng)的溫度性能和能量效率。華東交通大學(xué)張海[5]等提出了一種通過回收電機(jī)余熱為乘客艙制熱來減少制熱功耗的空調(diào)系統(tǒng)，有效提高純電動(dòng)汽車的能源利用率，改善空調(diào)系統(tǒng)的制熱性能。

但是對(duì)應(yīng)用電動(dòng)壓縮機(jī)和電加熱PTC 的新能源汽車來說，降低空調(diào)能耗，一般通過以下幾個(gè)方面實(shí)現(xiàn):一是提高冷凝器的換熱效率;二是通過優(yōu)化空調(diào)系統(tǒng)零部件選型；三是通過優(yōu)化自動(dòng)空調(diào)的控制策略?？傊胶夂眯阅芎湍芎牡年P(guān)系，在保證性能的前提下能耗越低越好。本文從優(yōu)化控制策略的方面出發(fā)，提出了一種擬合目標(biāo)出風(fēng)溫度的控制策略，通過車內(nèi)溫度與設(shè)定溫度、環(huán)境溫度和設(shè)定溫度補(bǔ)償?shù)葦M合出目標(biāo)出風(fēng)口溫度，再根據(jù)出風(fēng)模式及風(fēng)量大小擬合出目標(biāo)蒸發(fā)器溫度或目標(biāo)PTC 溫度，通過PID 調(diào)節(jié)控制壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速或PTC 功率，可實(shí)現(xiàn)空調(diào)系統(tǒng)的智能高效控制。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

自動(dòng)空調(diào)控制系統(tǒng)主要有三部分組成：傳感器、控制器、執(zhí)行器。典型的自動(dòng)空調(diào)控制系統(tǒng)框圖如圖1所示，其中傳感器主要用于檢測(cè)車內(nèi)溫度、環(huán)境溫度、蒸發(fā)器溫度、壓力和當(dāng)前PTC 溫度?？刂破魍ㄟ^監(jiān)測(cè)傳感器數(shù)據(jù)，基于擬合因子結(jié)合自動(dòng)空調(diào)控制算法輸出控制信號(hào)來控制壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速、PTC 功率、鼓風(fēng)機(jī)風(fēng)量，進(jìn)、出風(fēng)模式等實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)。與傳統(tǒng)汽車空調(diào)不同的是，新能源車的壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速和PTC 功率都采用無極控制，有助于更好的引入智能控制算法。

圖1 典型的自動(dòng)空調(diào)控制系統(tǒng)框圖

2 控制參數(shù)擬合

擬合因子就是將傳感器采集到的信號(hào)值結(jié)合系統(tǒng)控制目標(biāo)值擬合出一個(gè)目標(biāo)控制參數(shù)表，作為系統(tǒng)的控制依據(jù)。本系統(tǒng)主要采集環(huán)境溫度、車內(nèi)溫度及用戶設(shè)定溫度擬合目標(biāo)出風(fēng)口溫度作為系統(tǒng)的控制依據(jù)。

2.1 目標(biāo)出風(fēng)溫度定義

汽車空調(diào)運(yùn)行工況復(fù)雜，是一個(gè)多參數(shù)強(qiáng)耦合的控制系統(tǒng)，其主要影響因素為車內(nèi)外溫差導(dǎo)致的熱傳導(dǎo)，以及陽光強(qiáng)度引起的熱輻射，公式（1）進(jìn)行目標(biāo)出風(fēng)溫度擬合。

式中:

TrgTboTemp：目標(biāo)出風(fēng)溫度；

TBO_OatSetTempDiff：外溫與設(shè)定溫度差值計(jì)算的出風(fēng)溫度；

IctDiffOffset：車內(nèi)溫度與設(shè)定溫度差值計(jì)算的溫度補(bǔ)償；

DefOffset：除霜出風(fēng)溫度補(bǔ)償。

2.1.1 TBO_OatSetTempDiff 擬合

環(huán)境溫度與設(shè)定溫度差值計(jì)算的出風(fēng)溫度TBO_OatSetTempDiff 由公式（2）和不同風(fēng)量模式擬合得出，式（2）中，Temp Diff(Temperature Difference)為車外環(huán)境溫度OAT（Outdoor Air Temperature）與當(dāng)前設(shè)定溫度CST(Current Set temperature)的差值。不同風(fēng)量模式下擬合的出風(fēng)溫度，用于計(jì)算不同環(huán)境溫度理想工況下，維持車內(nèi)溫度平穩(wěn)的基礎(chǔ)出風(fēng)溫度。根據(jù)環(huán)境溫度與設(shè)定溫度差值擬合出的目標(biāo)出風(fēng)溫度如圖2 所示，在實(shí)際工況應(yīng)用中需對(duì)擬合數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)定。

圖2 環(huán)境溫度與設(shè)定溫度擬合目標(biāo)出風(fēng)口溫度

2.1.2 IctDiffOffset 擬合

車內(nèi)溫度與設(shè)定溫度差值計(jì)算的溫度補(bǔ)償IctDiffOffset 由公式（3）計(jì)算得出，式中CST (Current Set temperature)為當(dāng)前設(shè)定溫度，ICT（InCarTemp）為車內(nèi)溫度，Gain 為根據(jù)溫度差值擬合得出的增益參數(shù)，如圖3 所示。當(dāng)車內(nèi)溫度處于快速趨近段或者慢速趨近段時(shí)，為了讓車內(nèi)溫度趨近目標(biāo)設(shè)定溫度，根據(jù)目標(biāo)設(shè)定溫度與車內(nèi)修正溫度的差值進(jìn)行比例放大，形成閉環(huán)控制。

圖3 車內(nèi)溫度與設(shè)定溫度擬合目標(biāo)出風(fēng)口溫度

2.1.3 DefOffset 擬合

打開除霜功能時(shí)，為了加快冬季除霜效果，需要提高出風(fēng)溫度。當(dāng)環(huán)境溫度小于等于-5 ℃，除霜狀態(tài)開啟，除霜出風(fēng)溫度補(bǔ)償DefOffset=8 ℃。

2.2 制冷工況控制

2.2.1 目標(biāo)值蒸發(fā)器溫度計(jì)算

制冷工況下，需要以蒸發(fā)器溫度為控制目標(biāo)，由于存在管路損耗，需要通過實(shí)車標(biāo)定來擬合目標(biāo)出風(fēng)溫度和蒸發(fā)溫度的對(duì)應(yīng)關(guān)系。通過標(biāo)定30 ℃環(huán)境溫度，風(fēng)量4 檔，吹面模式，外循環(huán)，混合風(fēng)門最冷的情況下蒸發(fā)器溫度與吹面模式出風(fēng)口平均溫度的對(duì)應(yīng)關(guān)系來彌補(bǔ)出風(fēng)管道的能量消耗。

2.2.2 壓縮機(jī)控制

壓縮機(jī)目標(biāo)轉(zhuǎn)速采用PID 閉環(huán)控制，如圖4 所示，目標(biāo)蒸發(fā)器溫度TrgEvapTemp 作為輸入量，實(shí)際蒸發(fā)器溫度EvapTempFb 作為反饋量，使用PID 自控算法實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。式（4）為PID 控制簡(jiǎn)化公式，式中:AcTrgSpd_FbCtrl 為壓縮機(jī)目標(biāo)轉(zhuǎn)速；Kp 為比例項(xiàng)運(yùn)算參數(shù)；Ki 為積分項(xiàng)運(yùn)算參數(shù)；Kd 為微分項(xiàng)運(yùn)算參數(shù)；y0為初始轉(zhuǎn)速。假設(shè)采樣間隔為T，則第K 個(gè)采樣的時(shí)間為KT，偏差err（k）用公式（5）表示；積分err（j）用公式（6）表示；微分err（d）用公式（7）表示。為了應(yīng)對(duì)復(fù)雜的車輛工況，PID 參數(shù)需要根據(jù)不同的工況環(huán)境進(jìn)行選定和調(diào)整，需要對(duì)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速輸出加入濾波處理和相應(yīng)轉(zhuǎn)速限制。

圖4 壓縮機(jī)控制

2.3 制熱工況控制

2.3.1 目標(biāo)PTC 溫度計(jì)算

目標(biāo)PTC 溫度為目標(biāo)出風(fēng)溫度（最大值）與出風(fēng)模式的補(bǔ)償值之和。出風(fēng)模式的補(bǔ)償值標(biāo)定方法為環(huán)境溫度設(shè)置-15 ℃；PTC 水溫穩(wěn)定在60 ℃；出風(fēng)模式分別為吹面/吹腳、吹腳、吹腳/除霜；混合風(fēng)門最熱端；外循環(huán)；壓縮機(jī)關(guān)閉；風(fēng)量3 檔。測(cè)量對(duì)應(yīng)出風(fēng)模式下出風(fēng)口平均溫度和PTC 水溫的差值得到補(bǔ)償值，如表1 所示，補(bǔ)償值根據(jù)實(shí)車標(biāo)定更新。

表1 出風(fēng)模式溫度補(bǔ)償

2.3.2 PTC 功率計(jì)算

將目標(biāo)PTC 溫度作為輸入量，實(shí)際PTC 溫度作為反饋量，使用PID 控制算法實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。PTC 目標(biāo)功率比例使用前饋控制加反饋控制來計(jì)算，同時(shí)功率輸出必須滿足功率限制需求，如圖5 所示。

圖5 PTC 功率計(jì)算

3 試驗(yàn)標(biāo)定

試驗(yàn)標(biāo)定在國內(nèi)某新能源SUV 上進(jìn)行，分別進(jìn)行了夏季、冬季、春秋季標(biāo)定。采用熱電偶對(duì)各溫度點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件部分和車內(nèi)各布點(diǎn)處熱電偶連接如圖6 所示。

圖6 溫度采集

3.1 夏季標(biāo)定

試驗(yàn)工況：環(huán)境溫度36 ℃，光照強(qiáng)烈，設(shè)定溫度25 ℃、22 ℃、28 ℃。

試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)：

“快”：車輛暴曬至呼吸點(diǎn)溫度達(dá)到55 ℃以上啟動(dòng)試驗(yàn)，達(dá)到設(shè)定溫度響應(yīng)時(shí)間不超過15 min。

“穩(wěn)”：同一設(shè)定溫度下，運(yùn)行1 h，設(shè)定溫度與車內(nèi)平均溫度（頭部呼吸點(diǎn)平均溫度）不超過1 ℃。在設(shè)定溫度值下，繼續(xù)運(yùn)行1 h，設(shè)定溫度與車內(nèi)平均溫度（頭部呼吸點(diǎn)平均溫度）不超過2 ℃。

“準(zhǔn)”：設(shè)定溫度穩(wěn)定后，切換目標(biāo)溫度后，溫度有明顯變化，且5 min 內(nèi)達(dá)到目標(biāo)要求。

試驗(yàn)結(jié)果如圖7 所示，圖中試驗(yàn)設(shè)定溫度25 ℃，車內(nèi)呼吸點(diǎn)平均溫度55 ℃左右，呼吸點(diǎn)溫度迅速下降，12 min 后呼吸點(diǎn)溫度降到25 ℃，小于15 min，符合試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)“快”的要求。

圖7 夏季標(biāo)定結(jié)果

呼吸點(diǎn)溫度穩(wěn)定在25 ℃，持續(xù)運(yùn)行1 h，呼吸點(diǎn)溫度保持在25 ℃～26 ℃之間，誤差在1 ℃之內(nèi)，符合系統(tǒng)“穩(wěn)”的要求。

設(shè)定溫度25 ℃，待機(jī)運(yùn)行30 min，呼吸點(diǎn)溫度在23 ℃～25 ℃之間，符合系統(tǒng)“穩(wěn)”的要求。

試驗(yàn)開始1.5 h 后將設(shè)定溫度調(diào)整到22 ℃，3.5 min 后呼吸點(diǎn)溫度到達(dá)22 ℃，小于5 min，符合系統(tǒng)“準(zhǔn)”的要求。

試驗(yàn)開始2 h 后將設(shè)定溫度調(diào)到28 ℃，3 min 后呼吸點(diǎn)溫度到達(dá)28 ℃，符合系統(tǒng)“準(zhǔn)”的要求。

3.2 春季標(biāo)定

試驗(yàn)工況：環(huán)境溫度26 ℃～27 ℃，光照強(qiáng)烈，設(shè)定溫度25 ℃、22 ℃、28 ℃、24 ℃。

試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)：

“快”：車輛與外溫保持一致，達(dá)到設(shè)定溫度時(shí)間不超過5 min。

“穩(wěn)”：同一設(shè)定溫度下，運(yùn)行1 h，設(shè)定溫度與車內(nèi)平均溫度（頭部呼吸點(diǎn)平均溫度）不超過1 ℃；在此設(shè)定值下繼續(xù)運(yùn)行1 h，設(shè)定溫度與車內(nèi)平均溫度（頭部呼吸點(diǎn)平均溫度）不超過2 ℃。

“準(zhǔn)”：設(shè)定溫度穩(wěn)定后，切換目標(biāo)溫度后，溫度有明顯變化，且5 min 內(nèi)達(dá)到目標(biāo)要求。

試驗(yàn)結(jié)果如圖8 所示，圖中第一階段：試驗(yàn)設(shè)定溫度25 ℃，車內(nèi)呼吸點(diǎn)平均溫度35 ℃左右，呼吸點(diǎn)溫度迅速下降，4 min 后呼吸點(diǎn)溫度降到25 ℃，車輛與外溫保持一致，達(dá)到設(shè)定溫度時(shí)間不超過5 min，符合試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)“快”的要求。

圖8 春季標(biāo)定結(jié)果

第二階段：將設(shè)定溫度調(diào)到22 ℃，3 min 后呼吸點(diǎn)平均溫度降到23 ℃，設(shè)定溫度穩(wěn)定后，切換目標(biāo)溫度后，溫度有明顯變化，且5 min 內(nèi)達(dá)到目標(biāo)要求符合試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)“準(zhǔn)”的要求。

第三階段：將設(shè)定調(diào)節(jié)到28 ℃，系統(tǒng)開啟通風(fēng)模式使溫度上升，2 min 后呼吸點(diǎn)溫度上升至28 ℃，設(shè)定溫度穩(wěn)定后，切換目標(biāo)溫度后，溫度有明顯變化，且5 min 內(nèi)達(dá)到目標(biāo)要求，符合試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)“準(zhǔn)”的要求。

第四階段：將設(shè)定溫度調(diào)節(jié)到24 ℃，呼吸點(diǎn)溫度迅速下降，3 min 后呼吸點(diǎn)溫度降至24 ℃，設(shè)定溫度穩(wěn)定后，切換目標(biāo)溫度后，溫度有明顯變化，且5 min內(nèi)達(dá)到目標(biāo)要求，符合試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)“準(zhǔn)”的要求。

3.3 冬季標(biāo)定

實(shí)驗(yàn)工況：環(huán)境溫度-10 ℃，光照強(qiáng)烈，設(shè)定溫度28 ℃、25 ℃。

試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)：

前排腳部溫度達(dá)到-8 ℃以下

“快”：車輛冷卻至腳部溫度在-8 ℃啟動(dòng)試驗(yàn)，達(dá)到設(shè)定溫度不超過15 min。

“穩(wěn)”：同一設(shè)定溫度下，運(yùn)行1 h，設(shè)定溫度與車內(nèi)平均溫度（前排腳部與頭部平均溫度）不超過1 ℃；在此設(shè)定值下繼續(xù)運(yùn)行1 h，設(shè)定溫度與車內(nèi)平均溫度（前排腳部與頭部平均溫度）不超過2 ℃。

“準(zhǔn)”：設(shè)定溫度穩(wěn)定后，切換目標(biāo)溫度后，溫度有明顯變化，且5 min 內(nèi)達(dá)到目標(biāo)要求。

實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證：試驗(yàn)結(jié)果如圖9 所示。

圖9 冬季標(biāo)定結(jié)果

第一階段：

冷車啟動(dòng)，設(shè)定溫度28 ℃，呼吸點(diǎn)溫度2 ℃，20 min 后呼吸點(diǎn)溫度到達(dá)26 ℃、運(yùn)行1 h，呼吸點(diǎn)溫度穩(wěn)定在27 ℃～29 ℃之間，吹腳出風(fēng)口溫度穩(wěn)定在60℃～64 ℃之間。

第二階段：

將設(shè)定溫度調(diào)到25 ℃，10 min 后呼吸點(diǎn)平均溫度降到25 ℃，持續(xù)工作1 h，呼吸點(diǎn)溫度穩(wěn)定在24℃～26 ℃之間，吹腳出風(fēng)口溫度穩(wěn)定在52 ℃～56 ℃之間。

通過以上數(shù)據(jù)可以看出:調(diào)節(jié)設(shè)定溫度從28 ℃調(diào)到25 ℃，系統(tǒng)對(duì)設(shè)定溫度調(diào)節(jié)響應(yīng)迅速，穩(wěn)定后溫度誤差在允許范圍之內(nèi)，駕乘人員感覺舒適性較好。

結(jié)束語

本文介紹了一種基于擬合目標(biāo)出風(fēng)溫度的自動(dòng)空調(diào)控制策略，詳細(xì)介紹了目標(biāo)參數(shù)的擬合方法，壓縮機(jī)和PTC 的控制策略。并在某量產(chǎn)車型上進(jìn)行了春、夏、冬三季標(biāo)定驗(yàn)證，結(jié)果表明，該控制策略穩(wěn)定可靠，舒適性高，符合客戶快、穩(wěn)、準(zhǔn)的設(shè)計(jì)要求，具有很強(qiáng)的通性，值得推廣。