汽車自動空調控制方法

吳峰，張印，李洪雷

?

汽車自動空調控制方法

吳峰1，張印2，李洪雷1

（1.華晨汽車工程研究院，遼寧 沈陽 110000；2.法雷奧汽車空調湖北有限公司，湖北 荊州 434007）

通過對目前汽車市場單區自動空調舒適性差、油耗高的問題進行分析，提出了采用PID外控式變排量壓縮機控制方法，并取消出風口溫度傳感器的配置方案，采用低成本的技術方案和高級的控制策略設計一套單區自動空調，保證低成本的同時又滿足整車空調舒適性，并且滿足平臺化要求，可以對類似的汽車自動空調設計提供參考，應用于以后的新車型。

單區自動空調；PID；溫度傳感器；壓縮機

前言

汽車空調作為影響汽車舒適性的主要因素之一，為汽車提供制冷、取暖、除霜、除霧、空氣過濾和濕度控制等功能，汽車空調已成為汽車市場競爭的主要手段之一。汽車空調一般要消耗8％~12％的汽車發動機動力，其中壓縮機占到其中的80％～85％，風機占其中的15%~20％。雖然我國的汽車保有量持續上升汽車空調市場需求量也日趨增長，但是國內國外競爭激烈，行業利潤空間被壓縮，控制成本成為汽車行業能夠得以生存的關鍵，控制成本的同時保證產品性能的穩定可靠，成為汽車企業制勝的關鍵。本文通過對目前汽車市場自動空調成本高的問題進行分析，提出取消出風口溫度傳感器配置，優化自動空調控制算法，保證低成本的同時又解決了整車空調舒適性問題。

1 目前自動空調采用的方案

1.1 自動空調架構

自動空調由空調系統硬件、控制器硬件、控制器軟件和舒適性標定四部分組成，如圖1所示。

圖1 空調控制系統

1.1.1空調系統硬件

系統硬件包括制冷和制熱2大系統，含各類傳感器、執行器、壓縮機、PTC、電池閥、水閥、管路、風道、出風口等零部件。

1.1.2控制器硬件

控制器硬件包括控制器面板和控制模塊2大類，控制面板實時的響應用戶操作，反饋當前空調信息，更好的實現人機結合；控制模塊包括電源電路設計、硬件電路設計、外圍接口電路設計等，實現數據采集、傳輸、驅動、舒適性算法分析、輸出控制等功能。

1.1.3控制器軟件

控制系統軟件的設計嚴格按照整車V型開發流程實現，如下圖2：

圖2 軟件V型開發流程

1.1.4空調控制系統標定

智能空調可利用傳感器隨時檢測溫度、壓力、車速等變化，把檢測到的信號送給空調控制單元，并按預先編好的程序對信號進行處理，通過執行器對空調工作狀況、出風溫度、壓縮機等進行調節，從而使車內溫度、空氣濕度等始終保持在車內乘員感覺舒適的水平上。

2 問題分析與解決方案

2.1 問題分析

為了更好地反映汽車空調運行特性，多輸入多輸出方法被應用到空調系統中來[1,2]，但是這樣的控制模型往往使得控制系統復雜而不穩定。在室內和人體舒適性方面，較多的研究都是基于數學模型。他們一般都是通過建立不同的人體模型、車體模型來研究環境對人體溫度、心理波動等方面的動態和靜態仿真[3,4]。在國內，很多學者都是基于變排量壓縮機的控制來研究汽車空調系統．他們在變排量壓縮機的控制閥件[5,6]，膨脹閥特性影響[7]及變排量壓縮機的特性對系統的影響上作了較多的研究[8,9]。研究人員主要注重于部件的研究，對系統的整體和控制方法上的研究比較缺乏。

2.2 解決方案

整車自動空調系統成本高，運行工況復雜，在實際運行過程中，環境溫度、出風口溫度、蒸發器表面溫度、太陽輻射等因素對車室內環境的影響尤為明顯，自動空調控制系統根據以上輸入參數，計算與設定溫度差值，向執行器輸出信號控制出風模式、風量和混合風門，并接受其反饋信號進行閉環控制。對壓縮機的控制是實現空調舒適性和整車節能的主要方面，將各種對系統的影響因素轉化為對外控式變排量壓縮機的控制。定義車廂內溫度與空調系統初始設置溫度的差值為輸入變量，輸出是經過計算得出的壓縮機排量，制冷系統根據壓縮機排量計算出可產生的制冷量，制冷量與車內熱負荷的差值為車內溫度。其原理如下圖3所示：

圖3 閉環空調控制原理圖

在本文設計的控制方法中，利用環模實驗獲得空調出風口基礎靜態和動態溫度數據，取消2個出風口溫度傳感器，通過實驗獲得模型數據，從而節省硬件成本，再結合車內/車外環境溫度和蒸發器表面溫度，設定蒸發器表面溫度來達到節能的效果，為了提高對空調的控制精度，在控制階段加入了PID算法，對溫度差的控制準確程度大大加強，PID的輸出是比例、積分和微分3個分量的線性組合，在制冷/加熱過程中不管各分量如何變化并起作用，最終到達穩態。開始時比例為主，積分為次，微分適時制動，隨著距離設定溫度越來越近，比例分量逐漸減弱，積分分量逐漸累加，當到達設定溫度時，比例分量為0，積分分量正好等于所需控制量，使整車空調動態平衡，達到節能舒適的效果，如圖4所示：

圖4 PID控制算法閉環控制原理圖

公式如下：

其中為比例系數，為積分時間常量，為微分時間常量。

將PID算法離散化，以方便標定控制參數，公式如下：

假設采樣時間間隔為，則在時刻：

偏差為；

積分為；

微分為；

從而公式離散化后如下：

比例系數：

積分系數：，可以用表示；

微分系數：可以用表示；

則公式可以寫成如下形式：

其中參數在性能實驗中進行標定，選擇最佳控制參數。在控制過程中，來自車內的溫度信號和蒸發器表面的溫度信號傳入空調控制器，經過控制單元計算之后輸出壓縮機控制信號，控制壓縮機排量，以獲得最佳車內舒適溫度。

3 測試結果

3.1 測試結果

3.1.1壓縮機控制曲線

壓縮機在35%~100%變排量工況下，采用PID控制，蒸發器溫度響應曲線，如圖5所示：

圖5 壓縮機在35%~100%排量下對應蒸發器溫度響應曲線

表1 信號名稱

壓縮機工作穩態實驗，車速85~100km/h，通過PID調節，壓縮機排量在35%~45%區間工況下，空調系統壓力及蒸發器溫度可以保持在穩定區間，壓縮機始終在比較小的排量下工作，不會產生震蕩現象，從而保證車內溫度舒適及降低整車油耗，如圖6所示。

表2 信號名稱

3.1.2單區空調設置溫度變化響應

夏季路試單區自動空調實驗，不同設置溫度下，對應的整車空調舒適性響應曲線如圖7、圖8和圖9所示，空調不同設置溫度下，頭部溫度都可以很好的滿足舒適性，并且外控式變排量壓縮機持續工作沒有中斷過，針對取消出門口溫度傳感器進行出風口溫度驗證，也可以很好的響應設置溫度變化。

圖7 整車單區自動空調工況

表3 信號名稱

表4 單區自動空調頭部溫度數據

表5 信號名稱

實驗結果表明，該方法根據不同工況，能夠迅速，穩定及可靠的使車內溫度達到舒適溫度。

4 結論

該控制方法能夠在各種工況下保持車內溫度的舒適性，提高了系統和控制方法的可靠性，并且取消2個出風口溫度傳感器，將成本降低，同時可以滿足平臺化要求，適用于各種車型，滿足用戶需求的同時，能夠保證品牌的市場銷售能力，具有推廣應用的價值。

[1] HE Xiang Dong, Liu. S, Asada H. Multivariable Feedback Design For Regulating Vapor Compression Cycles[C].Proceedings of the American Control Conference. Seattle: AACC, 1995:4331-4335.

[2] HE Xiang Dong, Liu. S, Asada H. Modeling Of Vapor Compression Cycles For Multivariable Feedback Control Of HVAC Systems[J]. Journal Of Dynamic Systems, Measurement and Control,1997,119: 183-191.

[3] Kaynakli O, Pulat E, Kilic M. Thermal Comfort During Heating And Cooling Periods In An Automobile [J].Heat and Mass Transfer, 2005, 41:449-458.

[4] Ueda Matsuei, Taniguchi Yousuke, Asano Akihiko. Prediction of Automobile Passenger’s Skin Temperature Using A Neural network [J].JSME International Journal, Series B,1997,40:328-336.

[5] Yuan Xiao Mei,Chen Zhi Jiu.Displacement Control And Kinetic Analysis Of A Novel Variable Displacement Compressor For Auto -motive Air Conditioner [J].Chinese Journal Of Mechanical Enginee -ring.2001,14:325-329.

[6] 陳芝久,袁曉梅.汽車空調壓縮機變排量控制閥的研究現狀[J].上海交通大學學報.2001,35:1264-12.

[7] 白梓運,陳芝久.電子膨脹閥及其在蒸發器過熱度自適應控制中的應用[J].暖通空調,1996,26:21-24.

[8] Tian Chang Qing, Li Xian Ting. Numerical Simulation On Perfor -mance Band Of Automotive Air Conditioning System With A Varia -ble Displacement Compressor [J]. Energy Conversion And Manage -ment, 2005, 46:2718-2738.

[9] Tian Chang Qing, LI Xian Ting. Transient Behavior Revaluation Of An Automotive Air Conditioning System With A Variable Displace -ment Compressor [J]. Applied Thermal Engineering, 2005, 25:1922 -1948.

Automotive Auto Air Climate Control Method

Wu Feng1, Zhang Yin2, Li Hong Lei2

（1. Brilliance Auto R&D Center, Liaoning Shenyang 110000; 2.Fireo Automobile Air Conditioning Hubei Co., Ltd., Hubei Jingzhou 434007）

Through the analysis of the problems of poor comfort and high cost of automatic air climate control in automobile market, the PID external controlled variable displacement compressor control method is put forward, and the configuration scheme of the air outlet temperature sensor is cancelled. A set of automatic air climate control is designed with low cost technical scheme and advanced control strategy in which can ensure low cost and satisfy the comfort of vehicle air climate. The scheme has been successfully applied to the existing models of our company and meets the requirements of the platform. It can provide reference for the design of similar auto air climate and apply to the new models in the future.

Auto Air Climate Control; PID; Temperature Sensor; Compressor

U463.8

A

1671-7988(2018)24-211-04

U463.8

A

1671-7988(2018)24-211-04

吳峰，就職于華晨汽車工程研究院。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.24.076