基于模糊控制的純電動汽車空調控制器的研究

陸兆鈉　王俊龍　任俊楠

摘 要：純電動汽車具有能耗少，無排放污染，噪音低等優點，受到人們的越來越多的關注。但其因電池容量受限導致其續航里程短，這是限制其發展的重要因素之一，而車身電氣附件的使用進一步減小了純電動汽車的續航里程。空調系統是汽車的第二大耗能設備，它的工作效率將影響整輛汽車的性能和續航里程。本文基于模糊語言變量和模糊邏輯推理的智能控制方法，對純電動汽車車空調控制系統的壓縮機、鼓風機，混合風門，模式風門和循環風門等進行進行控制研究，控制系統所需的反饋信號由傳感器測量和轉換，控制系統比較并判斷每個傳感器收集的數據，以實現對空調壓縮機轉速的高效控制，增加續航里程，保證電動汽車的動力性能。

關鍵詞：純電動汽車 空調系統 范圍

Research on Air Conditioning Controller of Pure Electric Vehicle Based on Fuzzy Control

Lu Zhaona，Wang Junlong，Ren Junnan

Abstract：Pure electric vehicles have the advantages of low energy consumption， no emission pollution， low noise， etc.， which have attracted more and more attention. However， due to the limited battery capacity， its cruising range is short， which is one of the important factors limiting its development. The use of body electrical accessories further reduces the cruising range of pure electric vehicles. The air-conditioning system is the second most energy-consuming equipment in cars， and its work efficiency will affect the performance and cruising range of the entire car. Based on the intelligent control method of fuzzy linguistic variables and fuzzy logic inference， this paper conducts control research on the compressor， blower， hybrid damper， mode damper and circulation damper of the air conditioning control system of pure electric vehicles. The feedback signal required by the control system is determined by sensor measurement and conversion， and the control system compares and judges the data collected by each sensor to achieve efficient control of the air-conditioning compressor speed， increase the cruising range， and ensure the power performance of electric vehicles.

Key words：pure electric vehicle， air conditioning system， range

1 引言

隨著人們對資源和環境的日益關注，汽車工業正朝著低碳低排放的方向逐步發展。傳統的燃油動力汽車消耗大量能源，對環境造成不可逆轉的破壞，這與汽車工業的發展方向不符。作為技術相對成熟的新能源汽車：純電動汽車，混合動力電動汽車和燃料電池汽車得到了很好的推廣。 純電動汽車的制動系統不同于傳統汽車的制動系統。它的電動機既可以用作驅動汽車的電動機，也可以作為發電機進行控制，通過再生制動系統將純電動汽車的動能轉換為電能并將其存儲在儲能裝置中，純電動汽車的下一次啟動和加速所需的能量。

純電動汽車具有能耗低，無廢氣排放，噪音低的優點。然而，現有電池技術的局限性極大地限制了純電動汽車的續航里程，并成為其推廣的瓶頸[1]。純電動汽車電池容量不足導致續航里程短，這是制約其發展的重要因素之一。車身電氣附件的使用進一步減小了純電動汽車的續航里程[2]。因此，純電動汽車對車身附件的工作效率提出了更高的要求。

無論是傳統的燃油汽車還是新的電動汽車，空調系統已成為必不可少的部分，空調是汽車中第二大耗能組件，其功耗不可低估[3]。與傳統汽車空調相比，純電動汽車空調的驅動形式和控制方法有所不同[4-6]。在滿足制冷性能的同時，純電動汽車空調必須考慮汽車節能和負荷的要求，以增加汽車的續航里程并確保汽車的動力[7]。如今，生活質量、節能、環境保護是汽車生活的重點，人們不再滿足于具有基本功能（例如簡單的冷卻，加熱和通風）的汽車空調系統。用戶對現代汽車提出了更簡單的操作，更舒適的操作，環境保護和低消耗的要求。

2 純電動汽車空調系統的控制方案

汽車空調的基本功能是通過系統的工作來降低或升高汽車內部的溫度，從而為人體提供舒適的溫度環境。在集成的加熱和冷卻汽車空調中，鼓風機既是冷卻蒸發器風扇又是加熱加熱器風扇。因此，鼓風機的速度直接影響空氣供應的速度，從而直接影響空氣調節和加熱的速度。與傳統的汽車空調系統不同，純電動汽車的空調壓縮機直接由電動機驅動。直流電動機由于電刷的使用壽命短而經常需要維護和修理，因此電動汽車空調壓縮機驅動電機往往采用交流電機，這就要求空調控制系統具備變頻功能，能調節壓縮機速度降低能耗的同時，使空調的性能有更大的提高，使電動汽車空調更加經濟高效。

當壓縮機驅動電機作為不受控制負載接入的電動車輛電網時，它僅作為負載連接到電網。這可能導致電動車輛的負載需求此時與電網的負載一致，從而增加了電網的峰谷差。如果電動車的各組成部分彼此獨立，則使用加法模型分解時間序列，如果各組成部分之間存在某種相關性，則使用乘法模型分解這些因素。圖1為多相支持向量機預測模型的空調控制體系結構。

循環風門可以通過內部和外部循環電磁閥或循環風門電機進行控制。當汽車空調處于內部循環狀態時，此時僅來自汽車的回風可以進入空調管道。相反，當空調處于外部循環狀態時，不僅汽車內部的回風可以進入空調管道，而且汽車外部的空氣也可以進入空調管道。為了防止在汽車行駛過程中由于過電流條件而損壞電機，應設計一個過電流保護電路。汽車空調控制系統可以通過控制執行器（例如鼓風機，混合風門，模式風門和循環風門）來改變車內空氣溫度和空氣供應的參數，以滿足乘客的舒適度要求。

電動汽車空調暖風系統往往采用熱泵式空調，通過制冷/制熱模式由四通換向閥轉換，從原理上講，該系統與普通的熱泵空調并無區別，但是用于電動汽車上，專門開發了雙工作腔滑片壓縮機、直流無刷電動機和逆變器控制系統。在熱泵工況下，系統從融霜模式轉為制熱模式時，風道內換熱器上的冷凝水將迅速蒸發，在風窗玻璃上結霜，影響駕駛的安全性。PTC電加熱器是電動汽車空調暖風系統的輔助裝置。PTC電加熱器是采用PTC熱敏電阻元件為發熱源的一種加熱器。PTC熱敏電阻通常是用半導體材料制成的，它的電阻隨濕度變化而急劇變化，當外界溫度降低，PTC電阻值隨之減小，發熱量反而會相應增加。按材質可以分為陶瓷PTC熱敏電阻和有機高分子PTC熱敏電阻。用于空調輔助電加熱器的是陶瓷PTC熱敏電阻。PTC熱敏電阻元件因具有隨環境溫度高低的變化，其電阻值隨之增加或減小的變化特性，所以PTC加熱器具有節能、恒溫、安全和使用壽命長等特點。

3 模糊控制算法的實現

汽車空調控制器通過控制壓縮機驅動電機的速度和風門馬達的速度來控制汽車中的溫度。壓縮機速度越高，制冷量越大，風扇速度越高，汽車中的溫度響應越快。基于模糊語言變量和模糊邏輯推理的智能控制方法在測量不準確和部件特性動態變化的情況下具有很強的魯棒性。車輛空調控制系統選擇的控制設備具有兩個輸入變量和一個輸出。輸入是設定溫度和室內溫度之間的溫度差及其溫度差的百分比變化，輸出是空氣壓縮機速度。空調系統設備在一定條件下，空氣壓縮機的轉速將是一個恒定值，因此整個系統僅考慮對轉速的控制。控制系統所需的反饋信號由傳感器測量和轉換，控制系統根據每個傳感器收集的數據執行比較和判斷計算，然后將控制指令發送到執行器。自動空調控制器通過人機交互來實現乘客對空調系統運行的掌握和控制。需要通過可視化設備輸出諸如環境溫度，室內溫度，風模式和風速之類的信息。

隨著域量化誤差，誤差變化和控制量的增加，調整因子的數量也相應增加，使得優化過程更加復雜。誤差E，誤差變化EC和控制量u的域選擇為：

（1）

具有自調整因子的模糊控制規則可以表示為：

（2）

此處描述的定量控制規則根據誤差的大小將誤差的權重自動反映給控件。通過對自調整規則因子a和輸出比例因子Ku的調整規律的分析，可以發現Ku（t）的變化趨勢與a（t）的變化趨勢基本相同。Ku（t）的定律可以選擇為：

（3）

Ku是一個預設常數，因此a（t）和Ku（t）可以同時在線調整。盡管增加了參數Ku的在線調整，但這并沒有增加系統設計的復雜性。

純電動車輛的電池容量小，并且提供給空調系統的功率非常有限，因此有必要通過提高空調系統的效率來減輕車輛的功率負擔。在仿真過程中，獲得的溫差和溫差變化率均為準確值，因此需要對輸入變量進行模糊處理，以滿足模糊集理論的要求。當輸入變量模糊時，需要將其分為幾個等級，具體數量應根據輸入量的細分程度來確定。在純電動汽車的電動機制動器分配控制中，很難通過精確的數學表達式來計算其分配比例，但是模糊控制可以通過實驗經驗來表達難以準確定量地表達的規則，并且可以方便地反映出來。影響因素對制動能量回收的影響。如果車內溫度比設定溫度高出幾度，則壓縮機會高速旋轉，便于快速制冷。當車內溫度降至設定溫度時，壓縮機會以低速旋轉以維持車內溫度，盡管諸如電力之類的各種因素也可以滿足壓縮機的高速旋轉。此時，功耗非常小，達到了節能的目的。

4 結語

汽車空調的基本功能是通過系統的運行來降低或升高室內溫度，從而為人體提供舒適的溫度環境。純電動車輛的電池容量小，并且提供給空調系統的功率非常有限，因此有必要通過提高空調系統的效率來減輕車輛的功率負擔。純電動汽車的空調壓縮機直接由電動機驅動。傳統的直流電動機由于使用壽命短而需要維護和修理，這限制了其在汽車空調中的使用和發展。汽車空調控制系統可通過控制鼓風機，混合風門，模式風門和循環風門等執行器來改變汽車內的空氣溫度和供氣量等參數，以滿足乘客的舒適感需求。控制系統所需的反饋信號由傳感器測量和轉換，控制系統比較并判斷每個傳感器收集的數據，然后將控制指令發送給執行器。純電動汽車空調應滿足制冷性能，同時必須兼顧節能和負荷的要求，以增加續航里程，保證汽車的動力性能。

基金編號：ZQNGG205，南通理工學院中青年科研骨干;基金編號：CP122017003，南通市重點實驗室“新能源汽車數字化開發與性能檢測技術”;基金編號：JCZ18044，南通市科技局“新能源汽車電機—變速機構集成研究”。

參考文獻：

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