純電動(dòng)汽車熱泵空調(diào)制熱模式的控制研究

韋永恒 謝韻請 田杰

摘 要：隨著國家經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，純電動(dòng)汽車走進(jìn)了大眾視野。相較于傳統(tǒng)燃油汽車，電動(dòng)汽車具有噪聲小、零排放以及能源利用率高等優(yōu)勢。但是，目前還沒有一種純電動(dòng)車熱泵空調(diào)系統(tǒng)能在各種環(huán)境條件下既能滿足汽車室內(nèi)環(huán)境舒適度的要求，又能保持較高的效率。因此本文將對純電動(dòng)汽車熱泵空調(diào)的控制研究進(jìn)行探討。

關(guān)鍵詞：純電動(dòng)汽車; 熱泵空調(diào); 制熱模式; 控制研究

中圖分類號：U469.72? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ?文章編號：1006-3315（2021）10-122-002

純電動(dòng)汽車目前是研究的熱點(diǎn)[1-3]，本文以熱泵空調(diào)系統(tǒng)為研究對象，基于Amesim建立了空調(diào)系統(tǒng)的仿真模型，并與純電動(dòng)汽車熱泵空調(diào)的真實(shí)試驗(yàn)作對比，驗(yàn)證了仿真模型的有效性。在此基礎(chǔ)上，通過仿真模型研究了內(nèi)外換熱器風(fēng)量對空調(diào)性能的影響。針對壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)計(jì)了開關(guān)控制策略、PID（Proportional Integral Derivative）控制策略以及模糊控制策略，并進(jìn)行了仿真對比分析。最后，在模糊控制策略的基礎(chǔ)上又引入了前饋控制環(huán)節(jié)，進(jìn)一步消除了車速對空調(diào)性能的影響。

1.熱泵空調(diào)系統(tǒng)的工作原理

電動(dòng)汽車熱泵空調(diào)系統(tǒng)主要由壓縮機(jī)、內(nèi)外換熱器、四通換向閥、儲液罐、節(jié)流機(jī)構(gòu)、散熱風(fēng)扇等部件組成。其中，壓縮機(jī)通常由電動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力，通過活塞結(jié)構(gòu)或螺旋結(jié)構(gòu)對工質(zhì)氣體壓縮做功;儲液罐有兩個(gè)作用，一是存儲多余的制冷液，二是吸收摻雜的水分，因?yàn)橥ǔ９べ|(zhì)里或多或少會混雜一些水分，為防止工質(zhì)、水分和潤滑油發(fā)生化學(xué)反應(yīng)腐蝕管路，儲液罐里還有干燥劑;節(jié)流機(jī)構(gòu)包括毛細(xì)管和膨脹閥，它通過控制從冷凝器流向蒸發(fā)器的制冷液的流量，使得節(jié)流機(jī)構(gòu)后面管路中的壓力驟然減小，蒸發(fā)吸熱;內(nèi)部換熱器在制冷模式下作為蒸發(fā)器使用，在制熱模式下作為冷凝器使用;外部換熱器則在制冷模式下作為冷凝器使用，在制熱模式下作為蒸發(fā)器使用[4]。

制冷模式下，低溫低壓的氣態(tài)制冷劑進(jìn)入壓縮機(jī)，壓縮機(jī)做功將其壓縮成高溫高壓的制冷劑，高溫高壓的氣態(tài)制冷劑經(jīng)過四通換向閥后進(jìn)入外部熱交換器。在外部換熱器中，制冷劑向外部環(huán)境散熱，等壓冷凝之后成為中溫高壓的液體。該液態(tài)制冷劑流經(jīng)節(jié)流機(jī)構(gòu)后壓力驟降，由液態(tài)轉(zhuǎn)化為氣液混合物，之后便流入內(nèi)部熱交換器。在這里，制冷劑從車室內(nèi)吸收大量熱量，蒸發(fā)成為低溫低壓的氣體，之后流入壓縮機(jī)繼續(xù)下一次的循環(huán)過程[5]。

制熱模式下，低溫低壓的氣態(tài)制冷劑進(jìn)入壓縮機(jī)，壓縮機(jī)做功將其壓縮成高溫高壓的制冷劑，高溫高壓的氣態(tài)制冷劑經(jīng)過四通換向閥后流進(jìn)內(nèi)部換熱器。在內(nèi)部換熱器中，制冷劑向車室內(nèi)散熱，等壓冷凝之后成為中溫高壓的液體，然后經(jīng)過節(jié)流機(jī)構(gòu)后壓力驟降，制冷劑由液態(tài)轉(zhuǎn)化為氣液混合物，之后制冷劑便流入外部熱交換器。在這里，制冷劑從外部環(huán)境中吸收熱量，蒸發(fā)成為低溫低壓氣體，之后流入壓縮機(jī)繼續(xù)下一次的循環(huán)過程[6]。

2.熱泵空調(diào)系統(tǒng)模擬仿真與工況驗(yàn)證

按照純電動(dòng)汽車熱泵空調(diào)臺架系統(tǒng)各結(jié)構(gòu)部件的尺寸參數(shù)和性能參數(shù)，基于Simcenter Amesim軟件平臺建立了各部件的仿真模型并進(jìn)行了參數(shù)設(shè)定，以用于純電動(dòng)汽車熱泵空調(diào)的模擬仿真。將三種環(huán)境溫度（5℃、-10℃、-15℃）下得到的仿真試驗(yàn)數(shù)據(jù)和相同工況條件下的實(shí)際熱泵空調(diào)臺架試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)仿真模型的結(jié)果和臺架試驗(yàn)的結(jié)果之間的相對誤差在誤差允許范圍內(nèi)。由此驗(yàn)證了基于Amesim建立的純電動(dòng)汽車熱泵空調(diào)的仿真模型的有效的[4]。后續(xù)將用此仿真模型進(jìn)行隨后的性能分析與控制研究。

3.內(nèi)外換熱器風(fēng)量對空調(diào)性能的影響分析

空調(diào)內(nèi)外換熱器是制冷劑與外界環(huán)境進(jìn)行熱交換的兩個(gè)場所，所以空調(diào)內(nèi)外換熱器的風(fēng)扇轉(zhuǎn)速會直接影響到汽車空調(diào)的換熱性能，進(jìn)而影響到熱泵空調(diào)系統(tǒng)的消耗功率、工作效率和工作性能。

3.1內(nèi)換熱器風(fēng)扇轉(zhuǎn)速對熱泵空調(diào)性能的影響

將空調(diào)內(nèi)換熱器風(fēng)扇轉(zhuǎn)速作為研究系統(tǒng)的自變量，讓熱泵空調(diào)系統(tǒng)在壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速保持不變的條件下運(yùn)行。將環(huán)境溫度分別設(shè)定為-5℃和-10℃，其他工作條件相同的情況下進(jìn)行仿真試驗(yàn)。在內(nèi)換熱器風(fēng)量逐漸增大的情況下（空調(diào)內(nèi)換熱器風(fēng)量試驗(yàn)范圍200m3/h-700m3/h），通過分析制冷劑循環(huán)質(zhì)量流量情況和熱泵空調(diào)系統(tǒng)的制熱量變化情況可以得出，隨著內(nèi)換熱器風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的增加，制冷劑的循環(huán)質(zhì)量流量逐漸減少，壓縮機(jī)消耗功率下降明顯。

3.2外換熱器風(fēng)扇轉(zhuǎn)速對熱泵空調(diào)性能的影響

設(shè)定環(huán)境溫度分別為-5℃和-10℃，空調(diào)壓縮機(jī)工作轉(zhuǎn)速維持在6500r/min左右，其他工作條件相同的情況下，通過分析熱泵空調(diào)外換熱器換熱性能變化、空調(diào)制熱性能變化、系統(tǒng)制冷劑的質(zhì)量流量變化以及壓縮機(jī)輸入功率的變化可以得出，隨外換熱器風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的增大，外換熱器的換熱量顯著增大。增長趨勢是先增長較快，之后隨車速達(dá)到一定后趨于一定值;熱泵空調(diào)制熱性能與外換熱器換熱性能的變化規(guī)律相同，均是先增長，之后保持不變。

3.3仿真測試分析

通過以上模擬試驗(yàn)，我們深入研究了內(nèi)外換熱器的風(fēng)量變化對純電動(dòng)車熱泵系統(tǒng)的制熱性能產(chǎn)生的影響，結(jié)論如下：（1）隨著換熱器輸出風(fēng)量的穩(wěn)定增加，系統(tǒng)循環(huán)制熱工質(zhì)的流量減少，系統(tǒng)循環(huán)制熱和室外換熱器輸入風(fēng)量的穩(wěn)定增大且趨向于穩(wěn)定值，空調(diào)壓縮機(jī)輸入功率顯著降低，空調(diào)的制熱能效比明顯增加。（2）車外換熱器風(fēng)速逐漸增大，熱泵空調(diào)的制熱量變化較慢，壓縮機(jī)輸入的功率消耗增大，制冷劑的質(zhì)量流量數(shù)值明顯增加，熱泵空調(diào)系統(tǒng)的制熱能效比明顯下降。

4.熱泵空調(diào)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速的控制策略研究

壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速的控制直接關(guān)系到熱泵控制系統(tǒng)的性能[7]。為此，本文研究了開關(guān)控制、PID控制以及模糊控制，并通過仿真進(jìn)行對比以找出最佳的控制策略。

4.1壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速的開關(guān)控制策略

開關(guān)控制完成溫度控制的工作方式一般是：用電動(dòng)恒溫器的熱敏開關(guān)控制電磁離合器的開關(guān)來控制壓縮機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)或停止以實(shí)現(xiàn)對車內(nèi)平均溫度的控制。開關(guān)控制策略邏輯簡單，但是汽車在行駛過程中環(huán)境隨時(shí)會發(fā)生變化，因此采用傳統(tǒng)的開關(guān)控制策略的控制效果較差，不適合大規(guī)模使用。

當(dāng)空調(diào)系統(tǒng)處于制冷模式時(shí)，如果實(shí)際溫度高于目標(biāo)溫度，則啟動(dòng)壓縮機(jī)，壓縮機(jī)以最高轉(zhuǎn)速6500rpm運(yùn)行，反之，停止壓縮機(jī);當(dāng)空調(diào)系統(tǒng)處于制熱模式時(shí)，如果實(shí)際溫度低于目標(biāo)溫度，則啟動(dòng)壓縮機(jī)以最高轉(zhuǎn)速6500rpm運(yùn)行，反之停止壓縮機(jī)。實(shí)際應(yīng)用時(shí)，為防止實(shí)際溫度在目標(biāo)溫度附近小范圍波動(dòng)和壓縮機(jī)反復(fù)啟停，通常會取±0.5℃的滯回區(qū)間。

滯回比較器和普通比較器的區(qū)別在于：普通比較器只有一個(gè)閾值。當(dāng)輸入信號大于閾值時(shí)輸出一個(gè)信號（如“0”），而當(dāng)輸入信號小于閾值時(shí)，輸出另一個(gè)信號（如“1”）。而滯回比較器對于輸入信號在上升和下降階段分別有不同的閾值。以目標(biāo)溫度為25℃，滯回區(qū)間為±0.5℃舉例，則在輸入信號上升階段，直到25.5℃才會輸出0，而在輸入信號下降階段，直到24.5℃才會輸出1。這樣，當(dāng)車內(nèi)實(shí)際溫度在24.5℃和25.5℃范圍內(nèi)抖動(dòng)時(shí)，就不會引起輸出信號的頻繁跳動(dòng)，從而避免了壓縮機(jī)的頻繁啟停。但是，仿真結(jié)果表明，溫度總在一個(gè)小的范圍內(nèi)波動(dòng)，精準(zhǔn)度欠佳。

4.2壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速的PID控制策略

PID控制是最早開發(fā)且發(fā)展迅速的幾種控制中的一個(gè)，因其控制算法較簡潔容易、魯棒性好、可靠性也比較高，所以被廣泛地研究并運(yùn)用于各種工業(yè)控制系統(tǒng)中，尤其適用于各種可建立精確的數(shù)學(xué)機(jī)械控制模型的確定性工業(yè)機(jī)械控制系統(tǒng)中。PID控制系統(tǒng)是一種線性控制器，是采用比例、積分和微分三種控制方法及其規(guī)律相互組合而成的一種控制器。

根據(jù)設(shè)定的車內(nèi)溫度與室內(nèi)測量的車內(nèi)溫度之間的溫差，再利用PID控制器控制，可得出壓縮機(jī)與電機(jī)的PWM（Pulse Width Modulation）之間的占空比，調(diào)整電動(dòng)壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而實(shí)現(xiàn)車內(nèi)制熱（冷）量的連續(xù)自動(dòng)調(diào)整，使車內(nèi)的溫度保持在設(shè)定值附近。采用PID控制器控制空調(diào)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)而調(diào)節(jié)車室溫度的方式，在車室溫度達(dá)到設(shè)定溫度后會做出反應(yīng)，調(diào)整空調(diào)系統(tǒng)制熱量，使車室溫度基本控制在設(shè)定溫度附近，滿足空調(diào)溫度控制要求。仿真結(jié)果表明，控溫效果好于開關(guān)控制，但仍有提升的空間。

4.3壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速的模糊控制策略

模糊控制器是一種語言型控制器，其使用的模糊控制規(guī)則是通過模糊集合中的模糊條件語句來體現(xiàn)的。通常模糊控制器有知識庫、模糊化、模糊推理和清晰化四個(gè)組成部分。

將外界參考輸入、系統(tǒng)輸出、系統(tǒng)內(nèi)部狀態(tài)等變量的精確數(shù)值轉(zhuǎn)化為模糊量的過程稱之為模糊化。論域是模糊化過程中一個(gè)重要的概念，論域表示一個(gè)變量的取值范圍，其又被分為若干個(gè)模糊子集，每個(gè)模糊子集都有各自的取值區(qū)間和隸屬度函數(shù)，從而可以描述一個(gè)精確值屬于這個(gè)模糊子集的程度。模糊化的過程就是將變量的精確值映射到各個(gè)模糊子集的過程。

模糊推理過程是根據(jù)模糊化后的輸入變量和預(yù)先定義好的模糊推理規(guī)則，得到輸出的模糊控制量的過程。模糊推理是模擬人類的推理行為，因此需要預(yù)先根據(jù)專家或一線操作人員的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)設(shè)置模糊推理規(guī)則。本文設(shè)計(jì)的熱泵空調(diào)系統(tǒng)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速模糊控制器將測量得到的車室內(nèi)溫度信號與設(shè)定的目標(biāo)溫度進(jìn)行比較、模糊化、模糊推理和精確化，得出壓縮機(jī)目標(biāo)轉(zhuǎn)速，從而控制壓縮機(jī)的制熱量，最終達(dá)到控制車室內(nèi)溫度的目的。

4.4前饋環(huán)節(jié)的引入

外部換熱器風(fēng)量的變化會對車室溫度有明顯擾動(dòng)，且系統(tǒng)重新恢復(fù)穩(wěn)態(tài)的時(shí)間較長。這是因?yàn)闊o論P(yáng)ID控制還是模糊控制都屬于反饋控制。只有當(dāng)被控對象的實(shí)際值與目標(biāo)值產(chǎn)生了偏差后，才會嘗試改變控制量使被控對象的實(shí)際值重新達(dá)到目標(biāo)值。而溫控系統(tǒng)是一個(gè)長時(shí)滯、大慣量的系統(tǒng)，無論是外部環(huán)境變化導(dǎo)致的溫度變化還是控制系統(tǒng)通過改變壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速嘗試修正溫度，都需要較長的時(shí)間，這就導(dǎo)致了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度較慢[6]。

前饋控制是一種基于補(bǔ)償原理的控制算法，其輸出的控制量不依賴于實(shí)際反饋?zhàn)兞?，只要檢測到了擾動(dòng)，就會根據(jù)擾動(dòng)的大小調(diào)整控制量，用以抵消擾動(dòng)對系統(tǒng)輸出的影響。與傳統(tǒng)的反饋控制相比，前饋控制響應(yīng)更快，如果運(yùn)用恰當(dāng)，能夠?qū)⑾到y(tǒng)輸出的擾動(dòng)消除在萌芽之中。根據(jù)前饋控制的原理，可以得出前饋控制具有以下特點(diǎn)：（1）前饋控制環(huán)節(jié)不依賴系統(tǒng)輸出反饋，直接針對干擾信號產(chǎn)生控制量，因此它比反饋控制更及時(shí)、快速。（2）如果干擾信號測量精確，且前饋控制器傳遞函數(shù)建模精確，理論上可以完全消除干擾信號對系統(tǒng)輸出的影響。（3）前饋控制是開環(huán)控制，不能對控制效果加以檢測，因此在實(shí)際應(yīng)用中，很難僅使用前饋控制作為系統(tǒng)的控制策略，通常會在反饋控制的基礎(chǔ)上，針對對系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)影響較大的變量，建立前饋控制環(huán)節(jié)，作為補(bǔ)償加入控制系統(tǒng)中，用于提高系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)。

在本熱泵空調(diào)系統(tǒng)中對車速建立前饋控制環(huán)節(jié)，作為模糊控制器的補(bǔ)償，設(shè)定溫度與車室實(shí)際溫度的溫差作為模糊控制器的輸入，車速作為前饋控制環(huán)節(jié)的輸入，模糊控制器和前饋控制環(huán)節(jié)的輸出累加得到轉(zhuǎn)速控制信號以控制壓縮機(jī)。由于難以得到被控系統(tǒng)的精確數(shù)學(xué)模型，其中前饋比例系數(shù)根據(jù)仿真試驗(yàn)調(diào)參得出。

5.熱泵空調(diào)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速的仿真分析

在Simulink中將AMESim中導(dǎo)出的熱泵空調(diào)仿真模型作為研究對象，分別搭建了開關(guān)控制器、PID控制器和模糊控制器。對這三種控制策略進(jìn)行了仿真試驗(yàn)的對比研究，結(jié)果表明在系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和制熱能效比方面，模糊控制策略的控制效果均優(yōu)于開關(guān)控制和PID控制。在模糊控制的基礎(chǔ)上加入了前饋控制環(huán)節(jié)后，車速的變化對控制問題的影響降到了最低?？梢姡瑢冸妱?dòng)汽車熱泵空調(diào)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速的控制研究是行之有效的。

基金項(xiàng)目：南京林業(yè)大學(xué)2021年大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（2021NFUSPITP0725）

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