電動汽車自動空調控制策略研究

劉文慶，耿勝民，馮志堅，任浩鵬

（揚州華光新材料股份有限公司，江蘇 揚州）

前言

與傳統汽車不同的是，新能源汽車空調系統采用電動壓縮機和電加熱PTC，因此空調系統的能耗對整車續航里程有較大影響[1]，為了降低空調使用過程中對新能源汽車續航的影響，國內外學者從材料、工藝、控制等各個角度開展了大量研究。S.Bellocchi 等[2]研究表明，不同的環境溫度下用熱泵替代PTC 可節約17%～46%的能耗。丁鵬[3]等提出基于多種制暖并存，分階段聯合控制式純電動客車暖風空調控制，有效平衡了車內各點溫度差值，簡化了管道連接，減少了傳熱損失，從而提高能源利用效率。內蒙第一機械集團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模型預測控制算法，提升了空調系統的溫度性能和能量效率。華東交通大學張海[5]等提出了一種通過回收電機余熱為乘客艙制熱來減少制熱功耗的空調系統，有效提高純電動汽車的能源利用率，改善空調系統的制熱性能。

但是對應用電動壓縮機和電加熱PTC 的新能源汽車來說，降低空調能耗，一般通過以下幾個方面實現:一是提高冷凝器的換熱效率;二是通過優化空調系統零部件選型；三是通過優化自動空調的控制策略?？傊胶夂眯阅芎湍芎牡年P系，在保證性能的前提下能耗越低越好。本文從優化控制策略的方面出發，提出了一種擬合目標出風溫度的控制策略，通過車內溫度與設定溫度、環境溫度和設定溫度補償等擬合出目標出風口溫度，再根據出風模式及風量大小擬合出目標蒸發器溫度或目標PTC 溫度，通過PID 調節控制壓縮機轉速或PTC 功率，可實現空調系統的智能高效控制。

1 系統架構

自動空調控制系統主要有三部分組成：傳感器、控制器、執行器。典型的自動空調控制系統框圖如圖1所示，其中傳感器主要用于檢測車內溫度、環境溫度、蒸發器溫度、壓力和當前PTC 溫度?？刂破魍ㄟ^監測傳感器數據，基于擬合因子結合自動空調控制算法輸出控制信號來控制壓縮機的轉速、PTC 功率、鼓風機風量，進、出風模式等實現快速響應。與傳統汽車空調不同的是，新能源車的壓縮機轉速和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 典型的自動空調控制系統框圖

2 控制參數擬合

擬合因子就是將傳感器采集到的信號值結合系統控制目標值擬合出一個目標控制參數表，作為系統的控制依據。本系統主要采集環境溫度、車內溫度及用戶設定溫度擬合目標出風口溫度作為系統的控制依據。

2.1 目標出風溫度定義

汽車空調運行工況復雜，是一個多參數強耦合的控制系統，其主要影響因素為車內外溫差導致的熱傳導，以及陽光強度引起的熱輻射，公式（1）進行目標出風溫度擬合。

式中:

TrgTboTemp：目標出風溫度；

TBO_OatSetTempDiff：外溫與設定溫度差值計算的出風溫度；

IctDiffOffset：車內溫度與設定溫度差值計算的溫度補償；

DefOffset：除霜出風溫度補償。

2.1.1 TBO_OatSetTempDiff 擬合

環境溫度與設定溫度差值計算的出風溫度TBO_OatSetTempDiff 由公式（2）和不同風量模式擬合得出，式（2）中，Temp Diff(Temperature Difference)為車外環境溫度OAT（Outdoor Air Temperature）與當前設定溫度CST(Current Set temperature)的差值。不同風量模式下擬合的出風溫度，用于計算不同環境溫度理想工況下，維持車內溫度平穩的基礎出風溫度。根據環境溫度與設定溫度差值擬合出的目標出風溫度如圖2 所示，在實際工況應用中需對擬合數據進行標定。

圖2 環境溫度與設定溫度擬合目標出風口溫度

2.1.2 IctDiffOffset 擬合

車內溫度與設定溫度差值計算的溫度補償IctDiffOffset 由公式（3）計算得出，式中CST (Current Set temperature)為當前設定溫度，ICT（InCarTemp）為車內溫度，Gain 為根據溫度差值擬合得出的增益參數，如圖3 所示。當車內溫度處于快速趨近段或者慢速趨近段時，為了讓車內溫度趨近目標設定溫度，根據目標設定溫度與車內修正溫度的差值進行比例放大，形成閉環控制。

圖3 車內溫度與設定溫度擬合目標出風口溫度

2.1.3 DefOffset 擬合

打開除霜功能時，為了加快冬季除霜效果，需要提高出風溫度。當環境溫度小于等于-5 ℃，除霜狀態開啟，除霜出風溫度補償DefOffset=8 ℃。

2.2 制冷工況控制

2.2.1 目標值蒸發器溫度計算

制冷工況下，需要以蒸發器溫度為控制目標，由于存在管路損耗，需要通過實車標定來擬合目標出風溫度和蒸發溫度的對應關系。通過標定30 ℃環境溫度，風量4 檔，吹面模式，外循環，混合風門最冷的情況下蒸發器溫度與吹面模式出風口平均溫度的對應關系來彌補出風管道的能量消耗。

2.2.2 壓縮機控制

壓縮機目標轉速采用PID 閉環控制，如圖4 所示，目標蒸發器溫度TrgEvapTemp 作為輸入量，實際蒸發器溫度EvapTempFb 作為反饋量，使用PID 自控算法實現閉環控制。式（4）為PID 控制簡化公式，式中:AcTrgSpd_FbCtrl 為壓縮機目標轉速；Kp 為比例項運算參數；Ki 為積分項運算參數；Kd 為微分項運算參數；y0為初始轉速。假設采樣間隔為T，則第K 個采樣的時間為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。為了應對復雜的車輛工況，PID 參數需要根據不同的工況環境進行選定和調整，需要對壓縮機轉速輸出加入濾波處理和相應轉速限制。

圖4 壓縮機控制

2.3 制熱工況控制

2.3.1 目標PTC 溫度計算

目標PTC 溫度為目標出風溫度（最大值）與出風模式的補償值之和。出風模式的補償值標定方法為環境溫度設置-15 ℃；PTC 水溫穩定在60 ℃；出風模式分別為吹面/吹腳、吹腳、吹腳/除霜；混合風門最熱端；外循環；壓縮機關閉；風量3 檔。測量對應出風模式下出風口平均溫度和PTC 水溫的差值得到補償值，如表1 所示，補償值根據實車標定更新。

表1 出風模式溫度補償

2.3.2 PTC 功率計算

將目標PTC 溫度作為輸入量，實際PTC 溫度作為反饋量，使用PID 控制算法實現閉環控制。PTC 目標功率比例使用前饋控制加反饋控制來計算，同時功率輸出必須滿足功率限制需求，如圖5 所示。

圖5 PTC 功率計算

3 試驗標定

試驗標定在國內某新能源SUV 上進行，分別進行了夏季、冬季、春秋季標定。采用熱電偶對各溫度點的數據進行采集，數據采集系統硬件部分和車內各布點處熱電偶連接如圖6 所示。

圖6 溫度采集

3.1 夏季標定

試驗工況：環境溫度36 ℃，光照強烈，設定溫度25 ℃、22 ℃、28 ℃。

試驗目標：

“快”：車輛暴曬至呼吸點溫度達到55 ℃以上啟動試驗，達到設定溫度響應時間不超過15 min。

“穩”：同一設定溫度下，運行1 h，設定溫度與車內平均溫度（頭部呼吸點平均溫度）不超過1 ℃。在設定溫度值下，繼續運行1 h，設定溫度與車內平均溫度（頭部呼吸點平均溫度）不超過2 ℃。

“準”：設定溫度穩定后，切換目標溫度后，溫度有明顯變化，且5 min 內達到目標要求。

試驗結果如圖7 所示，圖中試驗設定溫度25 ℃，車內呼吸點平均溫度55 ℃左右，呼吸點溫度迅速下降，12 min 后呼吸點溫度降到25 ℃，小于15 min，符合試驗目標“快”的要求。

圖7 夏季標定結果

呼吸點溫度穩定在25 ℃，持續運行1 h，呼吸點溫度保持在25 ℃～26 ℃之間，誤差在1 ℃之內，符合系統“穩”的要求。

設定溫度25 ℃，待機運行30 min，呼吸點溫度在23 ℃～25 ℃之間，符合系統“穩”的要求。

試驗開始1.5 h 后將設定溫度調整到22 ℃，3.5 min 后呼吸點溫度到達22 ℃，小于5 min，符合系統“準”的要求。

試驗開始2 h 后將設定溫度調到28 ℃，3 min 后呼吸點溫度到達28 ℃，符合系統“準”的要求。

3.2 春季標定

試驗工況：環境溫度26 ℃～27 ℃，光照強烈，設定溫度25 ℃、22 ℃、28 ℃、24 ℃。

試驗目標：

“快”：車輛與外溫保持一致，達到設定溫度時間不超過5 min。

“穩”：同一設定溫度下，運行1 h，設定溫度與車內平均溫度（頭部呼吸點平均溫度）不超過1 ℃；在此設定值下繼續運行1 h，設定溫度與車內平均溫度（頭部呼吸點平均溫度）不超過2 ℃。

“準”：設定溫度穩定后，切換目標溫度后，溫度有明顯變化，且5 min 內達到目標要求。

試驗結果如圖8 所示，圖中第一階段：試驗設定溫度25 ℃，車內呼吸點平均溫度35 ℃左右，呼吸點溫度迅速下降，4 min 后呼吸點溫度降到25 ℃，車輛與外溫保持一致，達到設定溫度時間不超過5 min，符合試驗目標“快”的要求。

圖8 春季標定結果

第二階段：將設定溫度調到22 ℃，3 min 后呼吸點平均溫度降到23 ℃，設定溫度穩定后，切換目標溫度后，溫度有明顯變化，且5 min 內達到目標要求符合試驗目標“準”的要求。

第三階段：將設定調節到28 ℃，系統開啟通風模式使溫度上升，2 min 后呼吸點溫度上升至28 ℃，設定溫度穩定后，切換目標溫度后，溫度有明顯變化，且5 min 內達到目標要求，符合試驗目標“準”的要求。

第四階段：將設定溫度調節到24 ℃，呼吸點溫度迅速下降，3 min 后呼吸點溫度降至24 ℃，設定溫度穩定后，切換目標溫度后，溫度有明顯變化，且5 min內達到目標要求，符合試驗目標“準”的要求。

3.3 冬季標定

實驗工況：環境溫度-10 ℃，光照強烈，設定溫度28 ℃、25 ℃。

試驗目標：

前排腳部溫度達到-8 ℃以下

“快”：車輛冷卻至腳部溫度在-8 ℃啟動試驗，達到設定溫度不超過15 min。

“穩”：同一設定溫度下，運行1 h，設定溫度與車內平均溫度（前排腳部與頭部平均溫度）不超過1 ℃；在此設定值下繼續運行1 h，設定溫度與車內平均溫度（前排腳部與頭部平均溫度）不超過2 ℃。

“準”：設定溫度穩定后，切換目標溫度后，溫度有明顯變化，且5 min 內達到目標要求。

實驗驗證：試驗結果如圖9 所示。

圖9 冬季標定結果

第一階段：

冷車啟動，設定溫度28 ℃，呼吸點溫度2 ℃，20 min 后呼吸點溫度到達26 ℃、運行1 h，呼吸點溫度穩定在27 ℃～29 ℃之間，吹腳出風口溫度穩定在60℃～64 ℃之間。

第二階段：

將設定溫度調到25 ℃，10 min 后呼吸點平均溫度降到25 ℃，持續工作1 h，呼吸點溫度穩定在24℃～26 ℃之間，吹腳出風口溫度穩定在52 ℃～56 ℃之間。

通過以上數據可以看出:調節設定溫度從28 ℃調到25 ℃，系統對設定溫度調節響應迅速，穩定后溫度誤差在允許范圍之內，駕乘人員感覺舒適性較好。

結束語

本文介紹了一種基于擬合目標出風溫度的自動空調控制策略，詳細介紹了目標參數的擬合方法，壓縮機和PTC 的控制策略。并在某量產車型上進行了春、夏、冬三季標定驗證，結果表明，該控制策略穩定可靠，舒適性高，符合客戶快、穩、準的設計要求，具有很強的通性，值得推廣。