純電動(dòng)汽車(chē)空調(diào)控制系統(tǒng)性能仿真分析

唐金祥

（長(zhǎng)安大學(xué) 能電學(xué)院，陜西 西安 710064）

21世紀(jì)能源問(wèn)題日益突出，全世界范圍大量開(kāi)采一次能源石油，使人類面臨前所未有的能源危機(jī)。在汽車(chē)領(lǐng)域，隨著人們對(duì)環(huán)境和能源問(wèn)題的重視，許多高經(jīng)濟(jì)性、低排放、低噪音的汽車(chē)應(yīng)運(yùn)而生，其中就有國(guó)家大力支持的純電動(dòng)汽車(chē)。但由于純電動(dòng)汽車(chē)的各機(jī)構(gòu)和系統(tǒng)的能量只能取自蓄電池，因此，需要汽車(chē)上的各個(gè)系統(tǒng)和機(jī)構(gòu)都比較節(jié)能。熱泵空調(diào)系統(tǒng)和傳統(tǒng)燃油汽車(chē)空調(diào)系統(tǒng)的區(qū)別是它在原有裝置的基礎(chǔ)上加裝了換向四通閥[1]。從而使制冷劑R134a實(shí)現(xiàn)正向制冷而反向制熱，不需要像傳統(tǒng)燃油汽車(chē)那樣靠發(fā)動(dòng)機(jī)余熱來(lái)制熱。空調(diào)系統(tǒng)作為汽車(chē)上能耗較高的耗能設(shè)備，其能耗比的大小會(huì)對(duì)整車(chē)性能以及續(xù)航里程有著影響，所以為了提高純電動(dòng)汽車(chē)空調(diào)系統(tǒng)的能效比（Coefficient Of Performance, COP），對(duì)純電動(dòng)汽車(chē)的空調(diào)控制系統(tǒng)的合理設(shè)計(jì)具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 研究方法

本文以某純電動(dòng)轎車(chē)為研究對(duì)象，汽車(chē)空調(diào)系統(tǒng)采用熱泵空調(diào)系統(tǒng)，首先對(duì)夏季車(chē)室熱負(fù)荷進(jìn)行計(jì)算，對(duì)汽車(chē)車(chē)室熱力學(xué)進(jìn)行分析，接下來(lái)在Matlab軟件下的Simulink中建立了系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。因?yàn)榧冸妱?dòng)汽車(chē)空調(diào)系統(tǒng)屬于非線性、時(shí)變系統(tǒng)，不易求得其系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，所以本文采用模糊控制策略對(duì)車(chē)內(nèi)室溫進(jìn)行控制。在Simulink中的Fuzzy Logic Controller模塊中設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的模糊控制器其中最重要的就是對(duì)輸入量與輸出量的模糊化過(guò)程[2]。之后對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行了仿真，結(jié)果表明，以模糊控制策略控制的純電動(dòng)汽車(chē)空調(diào)系統(tǒng)能控制車(chē)內(nèi)溫度在較短時(shí)間內(nèi)達(dá)到設(shè)定溫度且波動(dòng)幅度不大，這符合純電動(dòng)汽車(chē)的空調(diào)性能要求。

2 純電動(dòng)汽車(chē)空調(diào)控制性能測(cè)試

2.1 空調(diào)系統(tǒng)性能和控制性能相關(guān)概念

空調(diào)系統(tǒng)控制性能的好壞影響著汽車(chē)空調(diào)系統(tǒng)的性能指標(biāo)例如制冷量（或制熱量）、能效比以及噪音，從而對(duì)車(chē)室內(nèi)乘客的舒適性有著很大的影響[3]。

一般來(lái)說(shuō)，評(píng)價(jià)汽車(chē)空調(diào)控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)有波動(dòng)時(shí)間（也稱響應(yīng)時(shí)間）、超調(diào)量以及變負(fù)荷的能力[4]。如果一輛汽車(chē)的空調(diào)控制系統(tǒng)的波動(dòng)時(shí)間較長(zhǎng)，即意味著當(dāng)車(chē)室內(nèi)人員設(shè)定了車(chē)室內(nèi)溫度后，空調(diào)控制系統(tǒng)需要較長(zhǎng)的時(shí)間來(lái)反映并實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。同理，如果一輛汽車(chē)的空調(diào)控制系統(tǒng)超調(diào)量過(guò)大，即當(dāng)車(chē)室內(nèi)人員設(shè)定空調(diào)工作溫度后，空調(diào)控制系統(tǒng)不能達(dá)到設(shè)定溫度，也會(huì)超過(guò)乘員艙內(nèi)人員設(shè)定的溫度。變負(fù)荷能力是指汽車(chē)的空調(diào)控制系統(tǒng)對(duì)于外界負(fù)荷改變的情況下的適應(yīng)控制能力，例如當(dāng)汽車(chē)車(chē)速由30 km/h變?yōu)?0 km/h時(shí)，汽車(chē)空調(diào)控制系統(tǒng)對(duì)與此變化做出的調(diào)整和改變。以上三種汽車(chē)空調(diào)控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)都會(huì)在很大程度上影響車(chē)室內(nèi)乘員的乘車(chē)舒適性。

2.2 空調(diào)系統(tǒng)性能和控制性能的相關(guān)指標(biāo)

2.2.1 空調(diào)系統(tǒng)性能指標(biāo)

1）制冷量（制熱量）：空調(diào)系統(tǒng)在進(jìn)行制冷（制熱）運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)單位時(shí)間內(nèi)從密閉空間內(nèi)除去的熱量，單位為W[5]。

2）能效比（COP）：又稱性能系數(shù)，是指空調(diào)系統(tǒng)在制冷（制熱）運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，制冷量（制熱量）與制冷功率（制熱功率）之比。

3）噪聲：空調(diào)系統(tǒng)在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的雜音，主要是由蒸發(fā)機(jī)和外部的冷凝器產(chǎn)生的。

2.2.2 空調(diào)控制系統(tǒng)性能指標(biāo)

1）響應(yīng)時(shí)間：當(dāng)車(chē)室內(nèi)乘員對(duì)空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行了溫度設(shè)定以后，空調(diào)控制系統(tǒng)開(kāi)始運(yùn)行處理最終達(dá)到車(chē)室內(nèi)設(shè)定溫度的時(shí)間間隔大小。

2）超調(diào)量：當(dāng)車(chē)室內(nèi)乘員對(duì)空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行溫度設(shè)定以后，空調(diào)控制系統(tǒng)開(kāi)始運(yùn)行處理最終達(dá)到溫度超過(guò)了車(chē)室內(nèi)人員設(shè)定溫度的增量與原設(shè)定溫度的百分比。

3）變負(fù)荷能力：汽車(chē)的空調(diào)控制系統(tǒng)對(duì)于外界負(fù)荷改變的情況下的適應(yīng)控制能力。

3 仿真過(guò)程

3.1 純電動(dòng)汽車(chē)空調(diào)控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

運(yùn)用前文所述研究方法對(duì)純電動(dòng)汽車(chē)空調(diào)控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行搭建。汽車(chē)空調(diào)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，它由三部分組成：車(chē)身的熱量計(jì)算模塊、車(chē)室內(nèi)溫度計(jì)算模塊以及模糊控制模塊。車(chē)身的熱量模塊計(jì)算外界傳給車(chē)身各部分的熱量。車(chē)室內(nèi)溫度計(jì)算模塊是車(chē)室內(nèi)溫度受車(chē)身得熱量與空調(diào)制冷量影響。

1.車(chē)室內(nèi)熱力學(xué)分析

通過(guò)工程熱力學(xué)中穩(wěn)態(tài)傳熱知識(shí)對(duì)車(chē)室內(nèi)熱負(fù)荷進(jìn)行了計(jì)算，最終可得空調(diào)系統(tǒng)制冷量為 4.7 kW。計(jì)算過(guò)程本文不再贅述。

2.溫度誤差的模糊化

模糊化的過(guò)程由選擇模糊語(yǔ)言變量、選擇隸屬度函數(shù)、建立模糊控制規(guī)則。本文輸入變量選取7個(gè)模糊子集的語(yǔ)言值，輸出變量選取7個(gè)模糊子集的語(yǔ)言值。隸屬度函數(shù)類型有三角型、梯型、鐘型、高斯型。

溫差e為車(chē)室內(nèi)溫度ti與設(shè)定溫度ts之差。將溫差基本論域設(shè)定為e=[-5,5]，超出此范圍視為邊界溫差值。量化因子k1取1。則取溫差的模糊離散論域?yàn)镋=[-5,5][6]。將其劃分為7個(gè)區(qū)間，每個(gè)區(qū)間對(duì)應(yīng)一個(gè)模糊子集。

3.溫差變化率的模糊化

取每20 s車(chē)室內(nèi)溫度誤差的變化值為溫差變化率。將溫差變化率基本論域設(shè)定為△e=[-4,4]，超出此范圍視為邊界溫差變化率值[7]。量化因子k2取1[8]。則取溫差變化率的模糊離散論域?yàn)镋= [-4,4]。

4.空調(diào)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速模糊化

本文選取的空調(diào)壓縮機(jī)，其正常轉(zhuǎn)速范圍為0～6000 r/min。將壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速的基本論域設(shè)定為n=[0,6000]。量化因子k3取1。則取空調(diào)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速的模糊離散論域?yàn)镹=[0,6000][9]。

3.2 仿真結(jié)果

模糊控制模塊即將設(shè)計(jì)的模糊控制器嵌入到Fuzzy Logic Controller中，模糊控制模塊的輸入量為溫差和溫差變化率，輸出量為壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速[10]。

為了驗(yàn)證模糊控制策略在變工況下的性能情況，在此分別在車(chē)室外溫度和車(chē)室內(nèi)設(shè)定溫度不變前提下，在下列四種情況模擬變工況情況：1）圖1表示當(dāng)車(chē)速不變，車(chē)內(nèi)人數(shù)由4人變?yōu)?人時(shí)的車(chē)內(nèi)溫度變化曲線圖；2）圖2表示的是當(dāng)車(chē)內(nèi)人數(shù)不變，車(chē)速由40 km/h變?yōu)?0 km/h時(shí)的車(chē)內(nèi)溫度變化曲線圖；3）圖3表示的是當(dāng)車(chē)內(nèi)設(shè)定溫度不變，人數(shù)和車(chē)速不變，而車(chē)外溫度由35 ℃變?yōu)?7 ℃時(shí)的車(chē)室內(nèi)溫度變化曲線圖；4）圖4表示的是當(dāng)車(chē)外溫度、人數(shù)和車(chē)速不變，車(chē)內(nèi)設(shè)定溫度由25 ℃變?yōu)?8 ℃時(shí)的車(chē)內(nèi)溫度變化曲線圖。

圖1 當(dāng)人數(shù)為6人時(shí)的車(chē)內(nèi)溫度變化曲線

圖2 當(dāng)車(chē)速為50 km/h時(shí)的車(chē)內(nèi)溫度變化曲線

圖3 車(chē)外溫度為37 ℃時(shí)的車(chē)內(nèi)溫度變化曲線

圖4 車(chē)內(nèi)設(shè)定溫度為28 ℃時(shí)的車(chē)內(nèi)溫度變化曲線

當(dāng)汽車(chē)處于變工況工作時(shí)，在模糊控制策略下乘員艙內(nèi)溫度仍能在較短時(shí)間使車(chē)內(nèi)溫度達(dá)到設(shè)定溫度附近，并且溫度波動(dòng)幅度不大，可以滿足汽車(chē)空調(diào)的性能要求。

4 結(jié)論

1）本文研究當(dāng)乘員艙人數(shù)由4人變?yōu)?人時(shí)、車(chē)外溫度由35 ℃變?yōu)?7 ℃時(shí)、車(chē)內(nèi)溫度由25 ℃變?yōu)?8 ℃時(shí)，這三種變負(fù)荷狀況下，車(chē)室內(nèi)溫度在40 s內(nèi)穩(wěn)定到設(shè)定溫度，表明空調(diào)控制系統(tǒng)的變負(fù)荷能力較好。

2）本文研究的以上三種情況下，室內(nèi)溫度都在將近40 s內(nèi)穩(wěn)定到設(shè)定溫度，表明基于模糊控制策略的純電動(dòng)汽車(chē)空調(diào)控制系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間較短。

3）本文研究的在以上三種情況下，室內(nèi)溫度在40 s內(nèi)穩(wěn)定到設(shè)定溫度且沒(méi)有出現(xiàn)大的超調(diào)量，表明基于模糊控制策略的純電動(dòng)汽車(chē)空調(diào)控制系統(tǒng)的超調(diào)量較小。