基于PI控制的電動(dòng)汽車(chē)低能耗電動(dòng)空調策略研究

電動(dòng)汽車(chē)空調是影響整車(chē)能耗的1個(gè)重要因素，降 低空調能耗有利于提高續航^[1]。通過(guò)對汽車(chē)空調制冷模 式下壓縮機轉速對汽車(chē)空調運行參數的影響進(jìn)行分析， 調整并優(yōu)化汽車(chē)空調壓縮機的轉速，有利于提高用戶(hù)的 使用感受^[2]。隨著(zhù)汽車(chē)空調技術(shù)的發(fā)展，自動(dòng)空調和電 動(dòng)熱泵式空調系統等均有較好的應用^[3]；前期投入市場(chǎng) 的電動(dòng)汽車(chē)已有較大的保有量，不能忽視其空調系統對 能源利用率的比重，通過(guò)對空調控制策略?xún)?yōu)化并以升級 軟件的方式，是1種切實(shí)有效的改善辦法^[4]。

以市場(chǎng)某電動(dòng)緊湊型SUV為例，其空調制冷系統 由車(chē)輛控制器（VCU）采集AC開(kāi)關(guān)、溫度值和壓力值 等，驅動(dòng)冷卻風(fēng)扇。VCU完成空調系統的主要控制內 容，通過(guò)CAN總線(xiàn)向空調壓縮機控制器（EAC）發(fā)送轉 速指令，后者響應VCU轉速命令并反饋給VCU實(shí)際工 作狀態(tài)。鑒于原電動(dòng)汽車(chē)空調控制策略相對粗糙，能耗 較大，且用戶(hù)感受也不適宜^[5]，在保持整車(chē)空調系統保 持原有結構上，提出一種PI控制的空調壓縮機轉速控制策略，以最小成本對電動(dòng)空調系統制冷功能進(jìn)行優(yōu)化。

1   整車(chē)結構和控制系統簡(jiǎn)介

電動(dòng)汽車(chē)采用前置前驅單電機和減速器布置方式，空調壓縮機由動(dòng)力電池供電，動(dòng)力部分工作原理如示意圖1所示。由動(dòng)力電池經(jīng)高壓分線(xiàn)盒給驅動(dòng)電機供電，電機通過(guò)減速器驅動(dòng)車(chē)輪，實(shí)行車(chē)輛行駛；由動(dòng)力電池經(jīng)高壓分線(xiàn)盒給空調壓縮機供電，同時(shí)動(dòng)力電池為DC-DC逆變器供電，轉換成低壓12v給蓄電池充電及整車(chē)低壓用電器供電。主要相關(guān)控制器包括車(chē)輛控制器(VCU)、電池管理系統(BMS)、電機控制器(MCU)、空調壓縮機控制器(EAC)和逆變器控制器(DCDC)，各控制器之間通過(guò)CAN信號通訊。車(chē)輛控制系統（VCU）通過(guò)硬線(xiàn)采集油門(mén)踏板、換擋機構、剎車(chē)踏板、車(chē)輛模式開(kāi)關(guān)等組件的狀態(tài)，然后根據各系統的狀態(tài)和駕駛員請求，再向各模塊控制單元下發(fā)相應的控制指令，各控制模塊協(xié)作完成車(chē)輛行駛。車(chē)輛控制系統（VCU）通過(guò)硬線(xiàn)連接溫度傳感器、壓力傳感器和空調面板AC開(kāi)關(guān)，采集車(chē)外環(huán)境溫度、蒸發(fā)器溫度、高低壓開(kāi)關(guān)狀態(tài)、中壓開(kāi)關(guān)狀態(tài)和AC開(kāi)關(guān)狀態(tài)。

圖1 整車(chē)結構和控制系統圖

2   空調系統組成

電動(dòng)汽車(chē)空調系統包括空調壓縮機及控制器（EAC）、冷凝器、外溫傳感器、管路及壓力開(kāi)關(guān)、膨脹閥、制冷劑、鼓風(fēng)機、冷凝風(fēng)扇和HVAC總成等，其中HVAC總成又包括蒸發(fā)器、蒸發(fā)器溫度傳感器和PTC等[6][7]?？照{系統示意圖如圖2所示。

圖2 空調系統示意圖

3   空調控制策略

原電動(dòng)汽車(chē)空調控制策略為以車(chē)速和環(huán)境溫度查表得到壓縮機轉速，這種控制策略相對粗糙，能耗較大，且用戶(hù)感受也適宜。鑒于已有電動(dòng)汽車(chē)空調結構的限制和成本控制，在盡量不改動(dòng)車(chē)輛硬件配置的前提下，僅通過(guò)軟件優(yōu)化來(lái)改善空調的使用效率，降低空調能耗，提升用戶(hù)的空調使用舒適度?？照{出風(fēng)口溫度主要取決于蒸發(fā)器溫度，通過(guò)不同的環(huán)境溫度段規劃空調制冷擋位和蒸發(fā)器溫度，通過(guò)PI控制壓縮機轉速實(shí)現蒸發(fā)器的實(shí)際溫度穩定在目標溫度。

3.1空調制冷擋位規劃

由于早期電動(dòng)汽車(chē)空調功能配置較低，根據空調的實(shí)際使用需求，以環(huán)境溫度為參考劃分出空調5個(gè)較為實(shí)用的擋位，并規劃五個(gè)擋位下蒸發(fā)器的目標溫度，這種由外溫決定制冷擋位的方法解決了空調面板配置低的限制，也為用戶(hù)相對智能的完了空調擋位控制，出風(fēng)口溫度接近于蒸發(fā)器溫度^{[8] [9]}。具體參數如表1所示。

表1 空調擋位規劃參數

3.2 PI控制壓縮機轉速

車(chē)輛控制器（VCU）連接環(huán)境溫度傳感器和蒸發(fā)器溫度傳感器，采集并解析其實(shí)際溫度值。根據上一節方案環(huán)境溫度選擇了蒸發(fā)器目標溫度，以其與蒸發(fā)器實(shí)際溫度的差值進(jìn)行PI控制計算得出空調壓縮機轉速，并經(jīng)過(guò)轉速上升和下降的梯度處理，防止加速過(guò)快引起的抖動(dòng)，輸出壓縮機控制轉速給EAC執行。蒸發(fā)器溫度經(jīng)過(guò)壓縮機工作后穩定在目標溫度值，使車(chē)內達到舒適的溫度。PI控制轉速原理圖如圖3所示。 PI控制轉速模型如圖4所示，空調制冷功能的模型集成于VCU模型，編譯成軟件刷寫(xiě)控制器中。

4   整車(chē)測試與結果分析

空調控制策略有5個(gè)蒸發(fā)器溫度擋位，通過(guò)實(shí)車(chē)測試，使用INCA7.1記錄車(chē)輛控制內部實(shí)時(shí)數據，并選擇1、3和5三個(gè)擋位運用其附屬工具箱Measure Data Analyzer V7.1對蒸發(fā)器實(shí)際溫度和壓縮機轉速數據分析，驗證策略的有效性[10]。

4.1 空調1擋

環(huán)境溫度27-30℃，前期車(chē)型的典型方案是以2500r/min持續運轉，蒸發(fā)器溫度沒(méi)有明確目標；現策略為空調在1擋工作，蒸發(fā)器目標溫度為12℃。如圖5所示，黑色曲線(xiàn)為壓縮機轉速，藍色曲線(xiàn)為蒸發(fā)器溫度，后面測試數據也是如此。環(huán)境溫度從高于30℃降低到30℃以下，空調由2擋切換到1擋，蒸發(fā)器溫度目標值也由10℃提高到12℃，壓縮機轉速先是從二擋的2300r/min迅速下降1000r/min附近，蒸發(fā)器溫度隨之升高；當蒸發(fā)器溫度明顯升高時(shí)，壓縮機轉速開(kāi)始增加以便降低蒸發(fā)器溫度上升速率，當蒸發(fā)器溫度穩定在12℃時(shí)，壓縮機轉速也隨之以1600r/min相對穩定的運轉。

圖3  PI控制轉速原理圖

圖4  PI控制轉速模型

4   整車(chē)測試與結果分析

空調控制策略有5個(gè)蒸發(fā)器溫度擋位，通過(guò)實(shí)車(chē)測試，使用INCA7.1記錄車(chē)輛控制內部實(shí)時(shí)數據，并選擇1、3和5三個(gè)擋位運用其附屬工具箱Measure Data Analyzer V7.1對蒸發(fā)器實(shí)際溫度和壓縮機轉速數據分析，驗證策略的有效性[10]。

4.1 空調1擋

環(huán)境溫度27-30℃，前期車(chē)型的典型方案是以2500r/min持續運轉，蒸發(fā)器溫度沒(méi)有明確目標；現策略為空調在1擋工作，蒸發(fā)器目標溫度為12℃。如圖5所示，黑色曲線(xiàn)為壓縮機轉速，藍色曲線(xiàn)為蒸發(fā)器溫度，后面測試數據也是如此。環(huán)境溫度從高于30℃降低到30℃以下，空調由2擋切換到1擋，蒸發(fā)器溫度目標值也由10℃提高到12℃，壓縮機轉速先是從二擋的2300r/min迅速下降1000r/min附近，蒸發(fā)器溫度隨之升高；當蒸發(fā)器溫度明顯升高時(shí)，壓縮機轉速開(kāi)始

圖5 空調1擋測試結果

增加以便降低蒸發(fā)器溫度上升速率，當蒸發(fā)器溫度穩定在12℃時(shí)，壓縮機轉速也隨之以1600r/min相對穩定的運轉。

4.2 空調3擋

環(huán)境溫度為34-36℃，前期車(chē)型的典型方案是以3800r/min持續運轉，蒸發(fā)器溫度沒(méi)有明確目標；現策略為空調在3擋工作，蒸發(fā)器目標溫度為8℃。從圖6可見(jiàn)，開(kāi)啟開(kāi)啟空調后，蒸發(fā)器溫度最高19℃附近，從VCU發(fā)出壓縮機轉速3800r/min，到壓縮機啟動(dòng)工作大約8s蒸發(fā)器溫度開(kāi)始迅速下降到7.5℃附近，壓縮機轉速也相應下降，最終以大約2000r/min運轉,蒸發(fā)器溫度也穩定在目標溫度8℃左右。

圖6 空調3擋測試結果

4.3 空調5擋

環(huán)境溫度為44-45℃，前期車(chē)型的典型方案是以5000r/min持續運轉，蒸發(fā)器溫度沒(méi)有明確目標；現策略為空調在5擋工作，蒸發(fā)器目標溫度為3℃。從圖7可見(jiàn)，蒸發(fā)器溫度在19.5℃附近，開(kāi)啟空調，從VCU發(fā)出壓縮機轉速5000r/min（設計的壓縮機轉速上限），到壓縮機啟動(dòng)工作5s后蒸發(fā)器溫度開(kāi)始下降，由于環(huán)境溫度較高，經(jīng)過(guò)300s左右蒸發(fā)器溫度降至3℃附近，壓縮機轉速也相應下降，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間調節最終以大約4300r/min運轉,蒸發(fā)器溫度也穩定在目標溫度3℃左右。

圖7 空調5擋測試結果

4.4 能耗對比

根據不同壓縮機轉速對應的功率，大致?lián)Q算出空調制冷功能新策略與原方案每小時(shí)能耗值，如表2所示。從表2也可以看出各擋位空調壓縮機轉速均有下降，空調能耗也隨之有一定程度下降。

使用溫度計對實(shí)車(chē)室內出風(fēng)口溫度進(jìn)行測試，待空調穩定運轉一段時(shí)間后，其各擋位溫度均接近蒸發(fā)器溫度值。經(jīng)過(guò)1擋、3擋和5擋數據分析可見(jiàn)，這種電動(dòng)空調策略通過(guò)了實(shí)車(chē)驗證。滿(mǎn)足蒸發(fā)器目標溫度需求下各擋位壓縮機轉速均有下降，從而降低了空調能耗。另外蒸發(fā)器溫度值穩定在目標值，也有利于提升用戶(hù)舒服感。

表2 空調擋位能耗對比

5   結束語(yǔ)

由環(huán)境溫度段較為智能的決定空調擋位，通過(guò)PI控制快速調節空調壓縮機轉速，使蒸發(fā)器溫度達到目標值，完成電動(dòng)空調出風(fēng)溫度控制。此空調策略通過(guò)了實(shí)車(chē)多種擋位驗證，蒸發(fā)器溫度穩定性好，控制策略實(shí)用可靠，以低成本的方案較好的降低了空調能耗，同時(shí)提高了空調舒適度，為電動(dòng)汽車(chē)空調制冷功能的改善提供了應用基礎。

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（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2020年10月期）