純電動汽車熱泵空調制熱模式的控制研究

韋永恒 謝韻請 田杰

摘 要：隨著國家經濟的不斷發展，純電動汽車走進了大眾視野。相較于傳統燃油汽車，電動汽車具有噪聲小、零排放以及能源利用率高等優勢。但是，目前還沒有一種純電動車熱泵空調系統能在各種環境條件下既能滿足汽車室內環境舒適度的要求，又能保持較高的效率。因此本文將對純電動汽車熱泵空調的控制研究進行探討。

關鍵詞：純電動汽車; 熱泵空調; 制熱模式; 控制研究

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

純電動汽車目前是研究的熱點[1-3]，本文以熱泵空調系統為研究對象，基于Amesim建立了空調系統的仿真模型，并與純電動汽車熱泵空調的真實試驗作對比，驗證了仿真模型的有效性。在此基礎上，通過仿真模型研究了內外換熱器風量對空調性能的影響。針對壓縮機轉速設計了開關控制策略、PID（Proportional Integral Derivative）控制策略以及模糊控制策略，并進行了仿真對比分析。最后，在模糊控制策略的基礎上又引入了前饋控制環節，進一步消除了車速對空調性能的影響。

1.熱泵空調系統的工作原理

電動汽車熱泵空調系統主要由壓縮機、內外換熱器、四通換向閥、儲液罐、節流機構、散熱風扇等部件組成。其中，壓縮機通常由電動機提供動力，通過活塞結構或螺旋結構對工質氣體壓縮做功;儲液罐有兩個作用，一是存儲多余的制冷液，二是吸收摻雜的水分，因為通常工質里或多或少會混雜一些水分，為防止工質、水分和潤滑油發生化學反應腐蝕管路，儲液罐里還有干燥劑;節流機構包括毛細管和膨脹閥，它通過控制從冷凝器流向蒸發器的制冷液的流量，使得節流機構后面管路中的壓力驟然減小，蒸發吸熱;內部換熱器在制冷模式下作為蒸發器使用，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器使用[4]。

制冷模式下，低溫低壓的氣態制冷劑進入壓縮機，壓縮機做功將其壓縮成高溫高壓的制冷劑，高溫高壓的氣態制冷劑經過四通換向閥后進入外部熱交換器。在外部換熱器中，制冷劑向外部環境散熱，等壓冷凝之后成為中溫高壓的液體。該液態制冷劑流經節流機構后壓力驟降，由液態轉化為氣液混合物，之后便流入內部熱交換器。在這里，制冷劑從車室內吸收大量熱量，蒸發成為低溫低壓的氣體，之后流入壓縮機繼續下一次的循環過程[5]。

制熱模式下，低溫低壓的氣態制冷劑進入壓縮機，壓縮機做功將其壓縮成高溫高壓的制冷劑，高溫高壓的氣態制冷劑經過四通換向閥后流進內部換熱器。在內部換熱器中，制冷劑向車室內散熱，等壓冷凝之后成為中溫高壓的液體，然后經過節流機構后壓力驟降，制冷劑由液態轉化為氣液混合物，之后制冷劑便流入外部熱交換器。在這里，制冷劑從外部環境中吸收熱量，蒸發成為低溫低壓氣體，之后流入壓縮機繼續下一次的循環過程[6]。

2.熱泵空調系統模擬仿真與工況驗證

按照純電動汽車熱泵空調臺架系統各結構部件的尺寸參數和性能參數，基于Simcenter Amesim軟件平臺建立了各部件的仿真模型并進行了參數設定，以用于純電動汽車熱泵空調的模擬仿真。將三種環境溫度（5℃、-10℃、-15℃）下得到的仿真試驗數據和相同工況條件下的實際熱泵空調臺架試驗結果進行對比分析，結果發現仿真模型的結果和臺架試驗的結果之間的相對誤差在誤差允許范圍內。由此驗證了基于Amesim建立的純電動汽車熱泵空調的仿真模型的有效的[4]。后續將用此仿真模型進行隨后的性能分析與控制研究。

3.內外換熱器風量對空調性能的影響分析

空調內外換熱器是制冷劑與外界環境進行熱交換的兩個場所，所以空調內外換熱器的風扇轉速會直接影響到汽車空調的換熱性能，進而影響到熱泵空調系統的消耗功率、工作效率和工作性能。

3.1內換熱器風扇轉速對熱泵空調性能的影響

將空調內換熱器風扇轉速作為研究系統的自變量，讓熱泵空調系統在壓縮機的轉速保持不變的條件下運行。將環境溫度分別設定為-5℃和-10℃，其他工作條件相同的情況下進行仿真試驗。在內換熱器風量逐漸增大的情況下（空調內換熱器風量試驗范圍200m3/h-700m3/h），通過分析制冷劑循環質量流量情況和熱泵空調系統的制熱量變化情況可以得出，隨著內換熱器風扇轉速的增加，制冷劑的循環質量流量逐漸減少，壓縮機消耗功率下降明顯。

3.2外換熱器風扇轉速對熱泵空調性能的影響

設定環境溫度分別為-5℃和-10℃，空調壓縮機工作轉速維持在6500r/min左右，其他工作條件相同的情況下，通過分析熱泵空調外換熱器換熱性能變化、空調制熱性能變化、系統制冷劑的質量流量變化以及壓縮機輸入功率的變化可以得出，隨外換熱器風扇轉速的增大，外換熱器的換熱量顯著增大。增長趨勢是先增長較快，之后隨車速達到一定后趨于一定值;熱泵空調制熱性能與外換熱器換熱性能的變化規律相同，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，我們深入研究了內外換熱器的風量變化對純電動車熱泵系統的制熱性能產生的影響，結論如下：（1）隨著換熱器輸出風量的穩定增加，系統循環制熱工質的流量減少，系統循環制熱和室外換熱器輸入風量的穩定增大且趨向于穩定值，空調壓縮機輸入功率顯著降低，空調的制熱能效比明顯增加。（2）車外換熱器風速逐漸增大，熱泵空調的制熱量變化較慢，壓縮機輸入的功率消耗增大，制冷劑的質量流量數值明顯增加，熱泵空調系統的制熱能效比明顯下降。

4.熱泵空調壓縮機轉速的控制策略研究

壓縮機轉速的控制直接關系到熱泵控制系統的性能[7]。為此，本文研究了開關控制、PID控制以及模糊控制，并通過仿真進行對比以找出最佳的控制策略。

4.1壓縮機轉速的開關控制策略

開關控制完成溫度控制的工作方式一般是：用電動恒溫器的熱敏開關控制電磁離合器的開關來控制壓縮機的運轉或停止以實現對車內平均溫度的控制。開關控制策略邏輯簡單，但是汽車在行駛過程中環境隨時會發生變化，因此采用傳統的開關控制策略的控制效果較差，不適合大規模使用。

當空調系統處于制冷模式時，如果實際溫度高于目標溫度，則啟動壓縮機，壓縮機以最高轉速6500rpm運行，反之，停止壓縮機;當空調系統處于制熱模式時，如果實際溫度低于目標溫度，則啟動壓縮機以最高轉速6500rpm運行，反之停止壓縮機。實際應用時，為防止實際溫度在目標溫度附近小范圍波動和壓縮機反復啟停，通常會取±0.5℃的滯回區間。

滯回比較器和普通比較器的區別在于：普通比較器只有一個閾值。當輸入信號大于閾值時輸出一個信號（如“0”），而當輸入信號小于閾值時，輸出另一個信號（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。以目標溫度為25℃，滯回區間為±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，當車內實際溫度在24.5℃和25.5℃范圍內抖動時，就不會引起輸出信號的頻繁跳動，從而避免了壓縮機的頻繁啟停。但是，仿真結果表明，溫度總在一個小的范圍內波動，精準度欠佳。

4.2壓縮機轉速的PID控制策略

PID控制是最早開發且發展迅速的幾種控制中的一個，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用于各種工業控制系統中，尤其適用于各種可建立精確的數學機械控制模型的確定性工業機械控制系統中。PID控制系統是一種線性控制器，是采用比例、積分和微分三種控制方法及其規律相互組合而成的一種控制器。

根據設定的車內溫度與室內測量的車內溫度之間的溫差，再利用PID控制器控制，可得出壓縮機與電機的PWM（Pulse Width Modulation）之間的占空比，調整電動壓縮機的轉速，從而實現車內制熱（冷）量的連續自動調整，使車內的溫度保持在設定值附近。采用PID控制器控制空調壓縮機轉速進而調節車室溫度的方式，在車室溫度達到設定溫度后會做出反應，調整空調系統制熱量，使車室溫度基本控制在設定溫度附近，滿足空調溫度控制要求。仿真結果表明，控溫效果好于開關控制，但仍有提升的空間。

4.3壓縮機轉速的模糊控制策略

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

將外界參考輸入、系統輸出、系統內部狀態等變量的精確數值轉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重要的概念，論域表示一個變量的取值范圍，其又被分為若干個模糊子集，每個模糊子集都有各自的取值區間和隸屬度函數，從而可以描述一個精確值屬于這個模糊子集的程度。模糊化的過程就是將變量的精確值映射到各個模糊子集的過程。

模糊推理過程是根據模糊化后的輸入變量和預先定義好的模糊推理規則，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，因此需要預先根據專家或一線操作人員的實際經驗設置模糊推理規則。本文設計的熱泵空調系統壓縮機轉速模糊控制器將測量得到的車室內溫度信號與設定的目標溫度進行比較、模糊化、模糊推理和精確化，得出壓縮機目標轉速，從而控制壓縮機的制熱量，最終達到控制車室內溫度的目的。

4.4前饋環節的引入

外部換熱器風量的變化會對車室溫度有明顯擾動，且系統重新恢復穩態的時間較長。這是因為無論PID控制還是模糊控制都屬于反饋控制。只有當被控對象的實際值與目標值產生了偏差后，才會嘗試改變控制量使被控對象的實際值重新達到目標值。而溫控系統是一個長時滯、大慣量的系統，無論是外部環境變化導致的溫度變化還是控制系統通過改變壓縮機轉速嘗試修正溫度，都需要較長的時間，這就導致了系統的動態響應速度較慢[6]。

前饋控制是一種基于補償原理的控制算法，其輸出的控制量不依賴于實際反饋變量，只要檢測到了擾動，就會根據擾動的大小調整控制量，用以抵消擾動對系統輸出的影響。與傳統的反饋控制相比，前饋控制響應更快，如果運用恰當，能夠將系統輸出的擾動消除在萌芽之中。根據前饋控制的原理，可以得出前饋控制具有以下特點：（1）前饋控制環節不依賴系統輸出反饋，直接針對干擾信號產生控制量，因此它比反饋控制更及時、快速。（2）如果干擾信號測量精確，且前饋控制器傳遞函數建模精確，理論上可以完全消除干擾信號對系統輸出的影響。（3）前饋控制是開環控制，不能對控制效果加以檢測，因此在實際應用中，很難僅使用前饋控制作為系統的控制策略，通常會在反饋控制的基礎上，針對對系統動態響應影響較大的變量，建立前饋控制環節，作為補償加入控制系統中，用于提高系統動態響應。

在本熱泵空調系統中對車速建立前饋控制環節，作為模糊控制器的補償，設定溫度與車室實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節的輸入，模糊控制器和前饋控制環節的輸出累加得到轉速控制信號以控制壓縮機。由于難以得到被控系統的精確數學模型，其中前饋比例系數根據仿真試驗調參得出。

5.熱泵空調壓縮機轉速的仿真分析

在Simulink中將AMESim中導出的熱泵空調仿真模型作為研究對象，分別搭建了開關控制器、PID控制器和模糊控制器。對這三種控制策略進行了仿真試驗的對比研究，結果表明在系統的動態響應和制熱能效比方面，模糊控制策略的控制效果均優于開關控制和PID控制。在模糊控制的基礎上加入了前饋控制環節后，車速的變化對控制問題的影響降到了最低。可見，對純電動汽車熱泵空調壓縮機轉速的控制研究是行之有效的。

基金項目：南京林業大學2021年大學生創新訓練計劃項目（2021NFUSPITP0725）

參考文獻：

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