唐金祥.純電動(dòng)汽車空調(diào)控制系統(tǒng)性能仿真分析[J].汽車實(shí)用技術(shù), 2023, 48(4):1-4.

摘要：

純電動(dòng)汽車空調(diào)系統(tǒng)屬于非線性、時(shí)變系統(tǒng)，不易求得其系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，常規(guī)的比例積分-微分（PID）控制策略效果不佳，所以論文對(duì)采用模糊控制策略的純電動(dòng)汽車空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行仿真研究。首先對(duì)夏季車室熱負(fù)荷進(jìn)行計(jì)算，在 Matlab 軟件下的 Simulink 中建立了系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。然后在 Simulink 中的 Fuzzy Logic Controller 模塊中設(shè)計(jì)系統(tǒng)的模糊控制器。最后對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行變參數(shù)仿真，通過改變乘員艙人數(shù)、車速、車室外溫度、車室內(nèi)溫度進(jìn)行仿真研究。結(jié)果表明，采用模糊控制策略的純電動(dòng)汽車空調(diào)系統(tǒng)車內(nèi)溫度在較短時(shí)間內(nèi)達(dá)到設(shè)定溫度且波動(dòng)幅度不大，符合純電動(dòng)汽車空調(diào)對(duì)響應(yīng)時(shí)間、超調(diào)量、變負(fù)荷能力的性能要求，與傳統(tǒng)的 PID 策略相比控制效果更好。

21 世紀(jì)能源問題日益突出，全世界范圍大量開采一次能源石油，使人類面臨前所未有的能源危機(jī)。在汽車領(lǐng)域，隨著人們對(duì)環(huán)境和能源問題的重視，許多高經(jīng)濟(jì)性、低排放、低噪音的汽車應(yīng)運(yùn)而生，其中就有國家大力支持的純電動(dòng)汽車。但由于純電動(dòng)汽車的各機(jī)構(gòu)和系統(tǒng)的能量只能取自蓄電池，因此，需要汽車上的各個(gè)系統(tǒng)和機(jī)構(gòu)都比較節(jié)能。熱泵空調(diào)系統(tǒng)和傳統(tǒng)燃油汽車空調(diào)系統(tǒng)的區(qū)別是它在原有裝置的基礎(chǔ)上加裝了換向四通閥[1]。從而使制冷劑 R134a 實(shí)現(xiàn)正向制冷而反向制熱，不需要像傳統(tǒng)燃油汽車那樣靠發(fā)動(dòng)機(jī)余熱來制熱?？照{(diào)系統(tǒng)作為汽車上能耗較高的耗能設(shè)備，其能耗比的大小會(huì)對(duì)整車性能以及續(xù)航里程有著影響，所以為了提高純電動(dòng)汽車空調(diào)系統(tǒng)的能效比（Coefficient Of Performance, COP），對(duì)純電動(dòng)汽車的空調(diào)控制系統(tǒng)的合理設(shè)計(jì)具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 研究方法 

本文以某純電動(dòng)轎車為研究對(duì)象，汽車空調(diào)系統(tǒng)采用熱泵空調(diào)系統(tǒng)，首先對(duì)夏季車室熱負(fù)荷進(jìn)行計(jì)算，對(duì)汽車車室熱力學(xué)進(jìn)行分析，接下來在 Matlab 軟件下的 Simulink 中建立了系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。因?yàn)榧冸妱?dòng)汽車空調(diào)系統(tǒng)屬于非線性、時(shí)變系統(tǒng)，不易求得其系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，所以本文采用模糊控制策略對(duì)車內(nèi)室溫進(jìn)行控制。在 Simulink中的 Fuzzy Logic Controller 模塊中設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的模糊控制器其中最重要的就是對(duì)輸入量與輸出量的模糊化過程[2]。之后對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行了仿真，結(jié)果表明，以模糊控制策略控制的純電動(dòng)汽車空調(diào)系統(tǒng)能控制車內(nèi)溫度在較短時(shí)間內(nèi)達(dá)到設(shè)定溫度且波動(dòng)幅度不大，這符合純電動(dòng)汽車的空調(diào)性能要求。

2 純電動(dòng)汽車空調(diào)控制性能測試 

2.1 空調(diào)系統(tǒng)性能和控制性能相關(guān)概念 

空調(diào)系統(tǒng)控制性能的好壞影響著汽車空調(diào)系統(tǒng)的性能指標(biāo)例如制冷量（或制熱量）、能效比以及噪音，從而對(duì)車室內(nèi)乘客的舒適性有著很大的影響[3]。

一般來說，評(píng)價(jià)汽車空調(diào)控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)有波動(dòng)時(shí)間（也稱響應(yīng)時(shí)間）、超調(diào)量以及變負(fù)荷的能力[4]。如果一輛汽車的空調(diào)控制系統(tǒng)的波動(dòng)時(shí)間較長，即意味著當(dāng)車室內(nèi)人員設(shè)定了車室內(nèi)溫度后，空調(diào)控制系統(tǒng)需要較長的時(shí)間來反映并實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。同理，如果一輛汽車的空調(diào)控制系統(tǒng)超調(diào)量過大，即當(dāng)車室內(nèi)人員設(shè)定空調(diào)工作溫度后，空調(diào)控制系統(tǒng)不能達(dá)到設(shè)定溫度，也會(huì)超過乘員艙內(nèi)人員設(shè)定的溫度。變負(fù)荷能力是指汽車的空調(diào)控制系統(tǒng)對(duì)于外界負(fù)荷改變的情況下的適應(yīng)控制能力，例如當(dāng)汽車車速由 30 km/h 變?yōu)?0 km/h 時(shí)，汽車空調(diào)控制系統(tǒng)對(duì)與此變化做出的調(diào)整和改變。以上三種汽車空調(diào)控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)都會(huì)在很大程度上影響車室內(nèi)乘員的乘車舒適性。

2.2 空調(diào)系統(tǒng)性能和控制性能的相關(guān)指標(biāo) 

2.2.1 空調(diào)系統(tǒng)性能指標(biāo)

1）制冷量（制熱量）：空調(diào)系統(tǒng)在進(jìn)行制冷（制熱）運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)單位時(shí)間內(nèi)從密閉空間內(nèi)除去的熱量，單位為 W[5]。

2）能效比（COP）：又稱性能系數(shù)，是指空調(diào)系統(tǒng)在制冷（制熱）運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，制冷量（制熱量）與制冷功率（制熱功率）之比。 

3）噪聲：空調(diào)系統(tǒng)在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的雜音，主要是由蒸發(fā)機(jī)和外部的冷凝器產(chǎn)生的。

2.2.2 空調(diào)控制系統(tǒng)性能指標(biāo) 

1）響應(yīng)時(shí)間：當(dāng)車室內(nèi)乘員對(duì)空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行了溫度設(shè)定以后，空調(diào)控制系統(tǒng)開始運(yùn)行處理最終達(dá)到車室內(nèi)設(shè)定溫度的時(shí)間間隔大小。 

2）超調(diào)量：當(dāng)車室內(nèi)乘員對(duì)空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行溫度設(shè)定以后，空調(diào)控制系統(tǒng)開始運(yùn)行處理最終達(dá)到溫度超過了車室內(nèi)人員設(shè)定溫度的增量與原設(shè)定溫度的百分比。

3）變負(fù)荷能力：汽車的空調(diào)控制系統(tǒng)對(duì)于外界負(fù)荷改變的情況下的適應(yīng)控制能力。

3 仿真過程

3.1 純電動(dòng)汽車空調(diào)控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

運(yùn)用前文所述研究方法對(duì)純電動(dòng)汽車空調(diào)控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行搭建。汽車空調(diào)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，它由三部分組成：車身的熱量計(jì)算模塊、車室內(nèi)溫度計(jì)算模塊以及模糊控制模塊。車身的熱量模塊計(jì)算外界傳給車身各部分的熱量。車室內(nèi)溫度計(jì)算模塊是車室內(nèi)溫度受車身得熱量與空調(diào)制冷量影響。 

1）車室內(nèi)熱力學(xué)分析 

通過工程熱力學(xué)中穩(wěn)態(tài)傳熱知識(shí)對(duì)車室內(nèi)熱負(fù)荷進(jìn)行了計(jì)算，最終可得空調(diào)系統(tǒng)制冷量為 4.7 kW。計(jì)算過程本文不再贅述。

2）溫度誤差的模糊化 

模糊化的過程由選擇模糊語言變量、選擇隸屬度函數(shù)、建立模糊控制規(guī)則。本文輸入變量選取 7 個(gè)模糊子集的語言值，輸出變量選取 7 個(gè)模糊子集的語言值。隸屬度函數(shù)類型有三角型、梯型、鐘型、高斯型。

溫差 e 為車室內(nèi)溫度 ti 與設(shè)定溫度 ts 之差。將溫差基本論域設(shè)定為 e=[-5,5]，超出此范圍視為邊界溫差值。量化因子 k1 取 1。則取溫差的模糊離散論域?yàn)?E=[-5,5]。將其劃分為 7 個(gè)區(qū)間，每個(gè)區(qū)間對(duì)應(yīng)一個(gè)模糊子集。

3）溫差變化率的模糊化 

取每 20 s 車室內(nèi)溫度誤差的變化值為溫差變化率。將溫差變化率基本論域設(shè)定為△e=[-4,4]，超出此范圍視為邊界溫差變化率值[7]。量化因子k2 取 1[8]。則取溫差變化率的模糊離散論域?yàn)?E= [-4,4]。

4）空調(diào)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速模糊化 

本文選取的空調(diào)壓縮機(jī)，其正常轉(zhuǎn)速范圍為0～6 000 r/min。將壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速的基本論域設(shè)定為n=[0,6 000]。量化因子 k3 取 1。則取空調(diào)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速的模糊離散論域?yàn)?N=[0,6 000]。

3.2 仿真結(jié)果 

模糊控制模塊即將設(shè)計(jì)的模糊控制器嵌入到Fuzzy Logic Controller 中，模糊控制模塊的輸入量為溫差和溫差變化率，輸出量為壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速[10]。

為了驗(yàn)證模糊控制策略在變工況下的性能情況，在此分別在車室外溫度和車室內(nèi)設(shè)定溫度不變前提下，在下列四種情況模擬變工況情況：1）圖 1 表示當(dāng)車速不變，車內(nèi)人數(shù)由 4 人變?yōu)?6 人時(shí)的車內(nèi)溫度變化曲線圖；2）圖 2 表示的是當(dāng)車內(nèi)人數(shù)不變，車速由 40 km/h 變?yōu)?50 km/h 時(shí)的車內(nèi)溫度變化曲線圖；3）圖 3 表示的是當(dāng)車內(nèi)設(shè)定溫度不變，人數(shù)和車速不變，而車外溫度由 35 ℃變?yōu)?37 ℃時(shí)的車室內(nèi)溫度變化曲線圖；4）圖 4表示的是當(dāng)車外溫度、人數(shù)和車速不變，車內(nèi)設(shè)定溫度由 25 ℃變?yōu)?28 ℃時(shí)的車內(nèi)溫度變化曲線圖。

當(dāng)汽車處于變工況工作時(shí)，在模糊控制策略下乘員艙內(nèi)溫度仍能在較短時(shí)間使車內(nèi)溫度達(dá)到設(shè)定溫度附近，并且溫度波動(dòng)幅度不大，可以滿足汽車空調(diào)的性能要求。

4  結(jié)論 

1）本文研究當(dāng)乘員艙人數(shù)由 4 人變?yōu)?6 人時(shí)、車外溫度由 35 ℃變?yōu)?37 ℃時(shí)、車內(nèi)溫度由 25 ℃變?yōu)?28 ℃時(shí)，這三種變負(fù)荷狀況下，車室內(nèi)溫度在 40 s 內(nèi)穩(wěn)定到設(shè)定溫度，表明空調(diào)控制系統(tǒng)的變負(fù)荷能力較好。

2）本文研究的以上三種情況下，室內(nèi)溫度都在將近 40 s 內(nèi)穩(wěn)定到設(shè)定溫度，表明基于模糊控制策略的純電動(dòng)汽車空調(diào)控制系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間較短。

3）本文研究的在以上三種情況下，室內(nèi)溫度在 40 s 內(nèi)穩(wěn)定到設(shè)定溫度且沒有出現(xiàn)大的超調(diào)量，表明基于模糊控制策略的純電動(dòng)汽車空調(diào)控制系統(tǒng)的超調(diào)量較小。