基于PI控制的電動汽車低能耗電動空調(diào)策略研究

電動汽車空調(diào)是影響整車能耗的1個重要因素，降 低空調(diào)能耗有利于提高續(xù)航^[1]。通過對汽車空調(diào)制冷模 式下壓縮機轉(zhuǎn)速對汽車空調(diào)運行參數(shù)的影響進行分析， 調(diào)整并優(yōu)化汽車空調(diào)壓縮機的轉(zhuǎn)速，有利于提高用戶的 使用感受^[2]。隨著汽車空調(diào)技術(shù)的發(fā)展，自動空調(diào)和電 動熱泵式空調(diào)系統(tǒng)等均有較好的應(yīng)用^[3]；前期投入市場 的電動汽車已有較大的保有量，不能忽視其空調(diào)系統(tǒng)對 能源利用率的比重，通過對空調(diào)控制策略優(yōu)化并以升級 軟件的方式，是1種切實有效的改善辦法^[4]。

以市場某電動緊湊型SUV為例，其空調(diào)制冷系統(tǒng) 由車輛控制器（VCU）采集AC開關(guān)、溫度值和壓力值 等，驅(qū)動冷卻風(fēng)扇。VCU完成空調(diào)系統(tǒng)的主要控制內(nèi) 容，通過CAN總線向空調(diào)壓縮機控制器（EAC）發(fā)送轉(zhuǎn) 速指令，后者響應(yīng)VCU轉(zhuǎn)速命令并反饋給VCU實際工 作狀態(tài)。鑒于原電動汽車空調(diào)控制策略相對粗糙，能耗 較大，且用戶感受也不適宜^[5]，在保持整車空調(diào)系統(tǒng)保 持原有結(jié)構(gòu)上，提出一種PI控制的空調(diào)壓縮機轉(zhuǎn)速控制策略，以最小成本對電動空調(diào)系統(tǒng)制冷功能進行優(yōu)化。

1   整車結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)簡介

電動汽車采用前置前驅(qū)單電機和減速器布置方式，空調(diào)壓縮機由動力電池供電，動力部分工作原理如示意圖1所示。由動力電池經(jīng)高壓分線盒給驅(qū)動電機供電，電機通過減速器驅(qū)動車輪，實行車輛行駛；由動力電池經(jīng)高壓分線盒給空調(diào)壓縮機供電，同時動力電池為DC-DC逆變器供電，轉(zhuǎn)換成低壓12v給蓄電池充電及整車低壓用電器供電。主要相關(guān)控制器包括車輛控制器(VCU)、電池管理系統(tǒng)(BMS)、電機控制器(MCU)、空調(diào)壓縮機控制器(EAC)和逆變器控制器(DCDC)，各控制器之間通過CAN信號通訊。車輛控制系統(tǒng)（VCU）通過硬線采集油門踏板、換擋機構(gòu)、剎車踏板、車輛模式開關(guān)等組件的狀態(tài)，然后根據(jù)各系統(tǒng)的狀態(tài)和駕駛員請求，再向各模塊控制單元下發(fā)相應(yīng)的控制指令，各控制模塊協(xié)作完成車輛行駛。車輛控制系統(tǒng)（VCU）通過硬線連接溫度傳感器、壓力傳感器和空調(diào)面板AC開關(guān)，采集車外環(huán)境溫度、蒸發(fā)器溫度、高低壓開關(guān)狀態(tài)、中壓開關(guān)狀態(tài)和AC開關(guān)狀態(tài)。

圖1 整車結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)圖

2   空調(diào)系統(tǒng)組成

電動汽車空調(diào)系統(tǒng)包括空調(diào)壓縮機及控制器（EAC）、冷凝器、外溫傳感器、管路及壓力開關(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]。空調(diào)系統(tǒng)示意圖如圖2所示。

圖2 空調(diào)系統(tǒng)示意圖

3   空調(diào)控制策略

原電動汽車空調(diào)控制策略為以車速和環(huán)境溫度查表得到壓縮機轉(zhuǎn)速，這種控制策略相對粗糙，能耗較大，且用戶感受也適宜。鑒于已有電動汽車空調(diào)結(jié)構(gòu)的限制和成本控制，在盡量不改動車輛硬件配置的前提下，僅通過軟件優(yōu)化來改善空調(diào)的使用效率，降低空調(diào)能耗，提升用戶的空調(diào)使用舒適度?？照{(diào)出風(fēng)口溫度主要取決于蒸發(fā)器溫度，通過不同的環(huán)境溫度段規(guī)劃空調(diào)制冷擋位和蒸發(fā)器溫度，通過PI控制壓縮機轉(zhuǎn)速實現(xiàn)蒸發(fā)器的實際溫度穩(wěn)定在目標(biāo)溫度。

3.1空調(diào)制冷擋位規(guī)劃

由于早期電動汽車空調(diào)功能配置較低，根據(jù)空調(diào)的實際使用需求，以環(huán)境溫度為參考劃分出空調(diào)5個較為實用的擋位，并規(guī)劃五個擋位下蒸發(fā)器的目標(biāo)溫度，這種由外溫決定制冷擋位的方法解決了空調(diào)面板配置低的限制，也為用戶相對智能的完了空調(diào)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(shù)如表1所示。

表1 空調(diào)擋位規(guī)劃參數(shù)

3.2 PI控制壓縮機轉(zhuǎn)速

車輛控制器（VCU）連接環(huán)境溫度傳感器和蒸發(fā)器溫度傳感器，采集并解析其實際溫度值。根據(jù)上一節(jié)方案環(huán)境溫度選擇了蒸發(fā)器目標(biāo)溫度，以其與蒸發(fā)器實際溫度的差值進行PI控制計算得出空調(diào)壓縮機轉(zhuǎn)速，并經(jīng)過轉(zhuǎn)速上升和下降的梯度處理，防止加速過快引起的抖動，輸出壓縮機控制轉(zhuǎn)速給EAC執(zhí)行。蒸發(fā)器溫度經(jīng)過壓縮機工作后穩(wěn)定在目標(biāo)溫度值，使車內(nèi)達到舒適的溫度。PI控制轉(zhuǎn)速原理圖如圖3所示。 PI控制轉(zhuǎn)速模型如圖4所示，空調(diào)制冷功能的模型集成于VCU模型，編譯成軟件刷寫控制器中。

4   整車測試與結(jié)果分析

空調(diào)控制策略有5個蒸發(fā)器溫度擋位，通過實車測試，使用INCA7.1記錄車輛控制內(nèi)部實時數(shù)據(jù)，并選擇1、3和5三個擋位運用其附屬工具箱Measure Data Analyzer V7.1對蒸發(fā)器實際溫度和壓縮機轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)分析，驗證策略的有效性[10]。

4.1 空調(diào)1擋

環(huán)境溫度27-30℃，前期車型的典型方案是以2500r/min持續(xù)運轉(zhuǎn)，蒸發(fā)器溫度沒有明確目標(biāo)；現(xiàn)策略為空調(diào)在1擋工作，蒸發(fā)器目標(biāo)溫度為12℃。如圖5所示，黑色曲線為壓縮機轉(zhuǎn)速，藍色曲線為蒸發(fā)器溫度，后面測試數(shù)據(jù)也是如此。環(huán)境溫度從高于30℃降低到30℃以下，空調(diào)由2擋切換到1擋，蒸發(fā)器溫度目標(biāo)值也由10℃提高到12℃，壓縮機轉(zhuǎn)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(dāng)蒸發(fā)器溫度明顯升高時，壓縮機轉(zhuǎn)速開始增加以便降低蒸發(fā)器溫度上升速率，當(dāng)蒸發(fā)器溫度穩(wěn)定在12℃時，壓縮機轉(zhuǎn)速也隨之以1600r/min相對穩(wěn)定的運轉(zhuǎn)。

圖3  PI控制轉(zhuǎn)速原理圖

圖4  PI控制轉(zhuǎn)速模型

4   整車測試與結(jié)果分析

空調(diào)控制策略有5個蒸發(fā)器溫度擋位，通過實車測試，使用INCA7.1記錄車輛控制內(nèi)部實時數(shù)據(jù)，并選擇1、3和5三個擋位運用其附屬工具箱Measure Data Analyzer V7.1對蒸發(fā)器實際溫度和壓縮機轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)分析，驗證策略的有效性[10]。

4.1 空調(diào)1擋

環(huán)境溫度27-30℃，前期車型的典型方案是以2500r/min持續(xù)運轉(zhuǎn)，蒸發(fā)器溫度沒有明確目標(biāo)；現(xiàn)策略為空調(diào)在1擋工作，蒸發(fā)器目標(biāo)溫度為12℃。如圖5所示，黑色曲線為壓縮機轉(zhuǎn)速，藍色曲線為蒸發(fā)器溫度，后面測試數(shù)據(jù)也是如此。環(huán)境溫度從高于30℃降低到30℃以下，空調(diào)由2擋切換到1擋，蒸發(fā)器溫度目標(biāo)值也由10℃提高到12℃，壓縮機轉(zhuǎn)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(dāng)蒸發(fā)器溫度明顯升高時，壓縮機轉(zhuǎn)速開始

圖5 空調(diào)1擋測試結(jié)果

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

4.2 空調(diào)3擋

環(huán)境溫度為34-36℃，前期車型的典型方案是以3800r/min持續(xù)運轉(zhuǎn)，蒸發(fā)器溫度沒有明確目標(biāo)；現(xiàn)策略為空調(diào)在3擋工作，蒸發(fā)器目標(biāo)溫度為8℃。從圖6可見，開啟開啟空調(diào)后，蒸發(fā)器溫度最高19℃附近，從VCU發(fā)出壓縮機轉(zhuǎn)速3800r/min，到壓縮機啟動工作大約8s蒸發(fā)器溫度開始迅速下降到7.5℃附近，壓縮機轉(zhuǎn)速也相應(yīng)下降，最終以大約2000r/min運轉(zhuǎn),蒸發(fā)器溫度也穩(wěn)定在目標(biāo)溫度8℃左右。

圖6 空調(diào)3擋測試結(jié)果

4.3 空調(diào)5擋

環(huán)境溫度為44-45℃，前期車型的典型方案是以5000r/min持續(xù)運轉(zhuǎn)，蒸發(fā)器溫度沒有明確目標(biāo)；現(xiàn)策略為空調(diào)在5擋工作，蒸發(fā)器目標(biāo)溫度為3℃。從圖7可見，蒸發(fā)器溫度在19.5℃附近，開啟空調(diào)，從VCU發(fā)出壓縮機轉(zhuǎn)速5000r/min（設(shè)計的壓縮機轉(zhuǎn)速上限），到壓縮機啟動工作5s后蒸發(fā)器溫度開始下降，由于環(huán)境溫度較高，經(jīng)過300s左右蒸發(fā)器溫度降至3℃附近，壓縮機轉(zhuǎn)速也相應(yīng)下降，經(jīng)過一段時間調(diào)節(jié)最終以大約4300r/min運轉(zhuǎn),蒸發(fā)器溫度也穩(wěn)定在目標(biāo)溫度3℃左右。

圖7 空調(diào)5擋測試結(jié)果

4.4 能耗對比

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

使用溫度計對實車室內(nèi)出風(fēng)口溫度進行測試，待空調(diào)穩(wěn)定運轉(zhuǎn)一段時間后，其各擋位溫度均接近蒸發(fā)器溫度值。經(jīng)過1擋、3擋和5擋數(shù)據(jù)分析可見，這種電動空調(diào)策略通過了實車驗證。滿足蒸發(fā)器目標(biāo)溫度需求下各擋位壓縮機轉(zhuǎn)速均有下降，從而降低了空調(diào)能耗。另外蒸發(fā)器溫度值穩(wěn)定在目標(biāo)值，也有利于提升用戶舒服感。

表2 空調(diào)擋位能耗對比

5   結(jié)束語

由環(huán)境溫度段較為智能的決定空調(diào)擋位，通過PI控制快速調(diào)節(jié)空調(diào)壓縮機轉(zhuǎn)速，使蒸發(fā)器溫度達到目標(biāo)值，完成電動空調(diào)出風(fēng)溫度控制。此空調(diào)策略通過了實車多種擋位驗證，蒸發(fā)器溫度穩(wěn)定性好，控制策略實用可靠，以低成本的方案較好的降低了空調(diào)能耗，同時提高了空調(diào)舒適度，為電動汽車空調(diào)制冷功能的改善提供了應(yīng)用基礎(chǔ)。

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（本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2020年10月期）