汽車空調控制策略與算法綜述

程建松 劉姝琦 伊虎城 張藝倫

【摘? 要】文章對汽車熱管理系統中空調的控制算法進行概述，對PID、模糊PID、帶前饋反饋的控制算法以及模型預測控制算法（MPC）等控制理論在汽車空調中的應用進行介紹，并對不同控制算法在汽車空調中的優點和缺點進行分析，也對控制算法在應用層面上還存在的問題進行總結。與傳統的機械式元器件相比，電子化的元器件在結合智能的控制算法后，能大大提高系統的節能水平和控制的準確性。最后，結合當前新能源汽車的發展方向，得出汽車空調系統中控制算法和電子元器件協同發展對節能和智能化的重要意義。

【關鍵詞】汽車空調;控制策略;智能算法;熱管理

中圖分類號：U463.851? ? 文獻標識碼：A? ? 文章編號：1003-8639（ 2024 ）05-0041-03

Overview of Control Strategies and Algorithms for Automotive Air Conditioning

CHENG Jiansong1，LIU Shuqi2，YI Hucheng2，ZHANG Yilun2

（1. Chery Automobile Co.，Ltd.，Wuhu 241006;2. China Automotive Engineering Research Institute（Tianjin）

Co.，Ltd.，Tianjin 300300，China）

【Abstract】This paper provides an overview of control algorithms for air conditioning in automotive thermal management systems and introduces the application of control theories such as PID，fuzzy PID，control algorithms with feed-forward feedback，and model predictive control. The different control algorithms in automotive air conditioning were analyzed. The advantages and disadvantages of control algorithms in automotive air conditioning were analyzed. Summarized the remaining problems of control strategy on application. Compared with traditional mechanical components，electronic components with intelligent control strategies promote the level of energy-saving and accuracy. Finally，the importance of control algorithms and electronic components in automotive air conditioning is concluded on the development trend of vehicles.

【Key words】automotive air conditioning;control strategy;intelligent algorithms;thermal management

作者簡介

程建松，男，工程師;劉姝琦，女，助理工程師，;伊虎城，男;張藝倫，男（通訊作者）;均從事汽車熱管理相關研究工作。

隨著汽車行業不斷朝著智能化的方向發展，人們對乘員艙舒適性和汽車的節能性有了更高的要求，熱管理技術成為電動汽車發展的核心技術之一[1]。熱管理系統功能的效率不僅受制于結構和組成，還取決于控制策略和控制器的設計，二者結合對實現智能的熱管理功能發揮著至關重要的作用。智能的熱管理系統不僅要實現單個部件的優化，還需要協調所有的可執行性控制器，以實現整體最優的控制效果和最佳的效率，因此控制策略和算法直接影響熱管理系統的可靠性和效率。本文以熱管理系統中的汽車空調為基礎，介紹常見和智能的控制算法，并分析這些算法的優缺點，為汽車空調的控制性能提升和匹配提供相應的建議。

1? 汽車空調的控制算法介紹

1.1? 查表法

在最初的汽車開發過程中，汽車熱管理系統部件以機械元器件為主，汽車電氣自動化程度不高，因此汽車內各種元器件的控制策略以MAP表為主，硬件的執行命令也通過查表實現。雖然該方法受制于經驗因素，且因溫度誤差導致控制準確度不夠，但查表法也具有可靠的特性，因此一直沿用至今。

1.2? PID控制算法

從控制算法層面來說，比例-積分-微分（PID）控制器由于算法簡單、可靠，在工業上已被廣泛應用，這種算法不依賴于系統的誤差，不依靠整個系統的模型，極大地便利了在實際中的應用。Mohamed[2]將PID算法應用到電子節溫器上，發現通過采用PID控制算法后縮短了溫度調節的時間，提高了熱管理的效率。Chastain[3]等人分析研究了應用智能算法后的熱管理系統的能耗和響應速度，都有了明顯的提升。然而，汽車熱系統通常是多種器件之間相互耦合的，其間復雜的控制關系通過PID算法實現并不是最優解。因此，除常見的PID控制算法外，還有模糊PID、基于模型預測和非線性控制算法等，這些控制器各有特點，可根據實際應用中的不同情況選擇不同的控制器。

1.3? 模糊PID控制算法

對于控制汽車空調這一類復雜的系統來說，整定PID參數是一件較為困難的事情，特別是當被控的系統發生了變化，PID參數總是需要重新整定的，這大大增加了工作量。模糊PID控制算法由于是通過條件邏輯語句查表實現的，所以當系統的參數發生變化時，模糊PID參數整定過程就變得更靈活簡便。同時模糊PID控制算法可以在一定程度上解決PID控制算法對非線性系統控制的不足，提高汽車空調系統的舒適性和精準性[4]。但是模糊PID控制算法的規則通常根據經驗常數來確定，所以在實際的控制過程中可能存在一定的偏差和時滯性。楊萍萍和馬亮[5]針對汽車空調中的熱負荷，采用MATLAB建模的方式建立汽車熱力學模型，并對比分析了這兩種控制器，結果表明，模糊PID控制器會使得汽車空調模型具有更好的控制效果和舒適性。圖1是基于冷卻系統模糊PID控制的示意框圖。

1.4? 帶有前饋的控制算法

相比于PID控制器，通常通過引入一個前饋控制器，將傳遞函數的純滯后部分與其他部分分離，這樣可以有效消除誤差，使執行器可以提前做出相應的動作。與純PID相比，帶有前饋控制器的PID控制算法具有較小的振蕩，加速了實際的調節過程。

Zhou等人[6]提出了一種控制策略，應用于燃油車冷卻系統，使用冷卻劑流量、油流量和風速作為前饋反饋量，前饋信號由發動機直接提供。該策略根據溫度偏差來增強對冷卻液溫度的跟蹤能力，結合前饋和反饋控制，可以有效提高冷卻液溫度控制的快速性和穩定性，縮短調節時間，避免超調，降低熱管理系統執行器的能耗。譚文林等人[7]根據熱負荷相關的參數，制定了前饋的擾動參數，設計了帶前饋的PID控制器，并在軟件中進行了仿真研究，提高了控制的精確程度。帶Smith前饋控制的PID控制流程如圖2所示。

然而，對于空調這一類多輸入多輸出的非線性系統，該方法仍然避免不了在整個系統中串聯多個PID控制器，控制效果也會受到相應的影響。

1.5? MPC控制算法

基于模型預測的控制器（Model Prediction Controller，MPC）是近些年來逐漸引入汽車領域的一種控制算法，其控制算法的實現過程被劃分為模型預測、滾動優化和校正反饋3個階段。與PID控制算法基于誤差而非基于模型的實現控制算法的方法不同，MPC控制算法總是基于當前時刻系統的真實狀態，求解下一時刻的目標函數的最優解，這樣不僅實現了系統的實時預測，還使得系統與其他控制算法相比，在節能方面展現出更大的優勢?；谀Ｐ皖A測的控制器可以實現基于模型當前狀態對未來進行預測，使汽車空調系統在未來的汽車上有更多的智能化應用場景。舒適性作為汽車空調最重要的指標之一，舒適性指標PMV、車速預測等因素都可以做到與MPC控制算法結合，提高汽車空調的舒適性，實現汽車熱管理系統的智能化管理。

基于模型預測的控制算法具體實現的過程可以總結為以下3個步驟，如圖3所示。

1）空調系統對于當前乘員艙的溫濕度、機艙狀態、外界環境溫度和陽光輻射強度進行相應的判斷和計算，得到空調系統當前的目標溫度，從而判斷當前存在制冷還是制熱的需求，進一步發出關于壓縮機、鼓風機和風扇等元件的動作命令。

2）基于MPC控制算法的控制邏輯，根據輸入前的算法并結合當前存在的車速、陽光輻射強度等修正變量，計算出各個執行器件的實際輸出，并傳遞給實行執行的硬件模塊，完成相應的動作。

3）MPC控制算法最突出的特點是可以實現滾動優化，根據MPC的算法和當前的環境一直對模型中的內容進行滾動優化和計算，實現對未來時刻的預測，保證下一步輸出的結果能實現對系統更好的控制效果，最終達到乘員艙中人體舒適的最終目標。

通過MPC實現方式可知，MPC模型預測最大的難點在于建模和計算，例如如何將空調系統簡化并確定相應的狀態變量，實現準確輸出計算結果。對于電池包這類相對較簡單的熱管理系統，MPC控制算法有望簡化成為在熱管理領域應用的第一步?；谀Ｐ偷目刂扑惴?，會根據系統當前的狀態預測接下來的變化，這也就意味著復雜的計算是無法避免的。當前新能源汽車對熱管理提出了更高的要求，熱管理所涉及到的空調和電池分別影響著乘坐舒適性和續航里程的問題，但這一類智能算法對控制器的開發也存在著巨大的挑戰。

方祥建和王建平[9]對組合智能算法應用在汽車空調系統中做出相應的計算，將模糊PID算法和基于模型預測的算法相結合，通過MATLAB建立熱負荷模型，研究了汽車空調的能耗問題，結果發現模糊PID模型預測控制算法能顯著降低汽車空調的能耗問題，有利于電動汽車提高續航。

2? 汽車空調各個元器件的控制策略

目前汽車空調的控制策略主要通過簡單的計算公式和大量標定數據通過查表的方式實現對元器件的控制策略輸出，但是隨著汽車智能化程度的不斷提高，汽車空調對智能化的控制和汽車空調系統的實時性要求也越來越高。汽車空調中的不同部件的結構尺寸、控制方式、工作模式等都會影響到整個熱管理系統的工作效率和效果，因此對不同的汽車空調部件也要考慮零部件和系統特性設計不同的控制策略。

與燃油車中汽車空調的壓縮機不同，電動汽車中壓縮機作為汽車空調的“心臟”已經實現了電動化，目前電動壓縮機的控制是通過LIN通信并結合PID等控制算法實現的[10]。在電動壓縮機的控制算法中，其核心是調節壓縮機轉速使蒸發器的實際溫度與目標蒸發溫度逐漸靠近，最終通過LIN通信將目標轉速的信號傳遞給壓縮機，實現對壓縮機轉速的實時控制。

熱力膨脹閥因為其不可控的缺點，在汽車空調系統中逐漸被電子膨脹閥所取代。電子膨脹閥是控制冷媒流量和蒸發器過熱度與過冷度的重要零部件。雖然主流的電子膨脹閥是通過控制過熱度來實現對冷媒流量的控制，但是電子膨脹閥的開度這一因素與電動壓縮機的轉速等其他熱系統的變量息息相關。因此，應用模糊PID控制算法和前饋PID算法可以更有效地實現對電子膨脹閥的控制。模糊PID控制算法能在電子膨脹閥的策略中綜合多種因素將其簡化為邏輯語言，前饋PID則可以將壓縮機轉速、蒸發器和冷凝器的負荷、風量等其他因素作為前饋輸入控制算法中控制誤差。

風扇、鼓風機等熱系統執行器件往往會受到系統中多重因素的影響，對于這種多個因素影響的非線性系統，目前往往采用經驗公式或者模糊控制的算法應用在這些執行器上會有更好的控制效果，實現整體性能的良好匹配。

3? 結束語

隨著未來電動汽車向著智能化方向發展，對汽車空調也提出了智能、舒適和節能的要求。從過去到現在，汽車的熱管理系統經歷了自然冷卻、強制冷卻、半主動冷卻和電子控制的幾個階段，智能控制將會是汽車空調包括熱管理系統的必然趨勢和最終目標。其中，空調的系統結構和各個元器件的控制策略是未來熱管理系統發展的主要方向，通過結構系統的設計提高余熱的利用效率，實現多種模式的變通轉換;采用智能化的控制策略減少各個元器件的能量消耗，提高續航里程?？刂扑惴ㄒ呀洀暮唵蔚幕跍囟日`差的算法逐漸轉變為覆蓋整個空調系統，并且考慮了電池包、電機等元器件工作狀態和環境影響的智能算法。未來的智能算法不僅可以根據各個元器件的特點和工作要求增強各部件之間的協調性和能量分配，還將實現對整車節能性和舒適性的最終目標。

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（編輯? 凌? 波）

收稿日期：2024-02-22