纯电动汽车空调控制系统性能仿真分析

唐金祥.纯电动汽车空调控制系统性能仿真分析[J].汽车实用技术, 2023, 48(4):1-4.

摘要：

纯电动汽车空调系统属于非线性、时变系统，不易求得其系统数学模型，常规的比例积分-微分（PID）控制策略效果不佳，所以论文对采用模糊控制策略的纯电动汽车空调系统进行仿真研究。首先对夏季车室热负荷进行计算，在 Matlab 软件下的 Simulink 中建立了系统的数学模型。然后在 Simulink 中的 Fuzzy Logic Controller 模块中设计系统的模糊控制器。最后对整个系统进行变参数仿真，通过改变乘员舱人数、车速、车室外温度、车室内温度进行仿真研究。结果表明，采用模糊控制策略的纯电动汽车空调系统车内温度在较短时间内达到设定温度且波动幅度不大，符合纯电动汽车空调对响应时间、超调量、变负荷能力的性能要求，与传统的 PID 策略相比控制效果更好。

21 世纪能源问题日益突出，全世界范围大量开采一次能源石油，使人类面临前所未有的能源危机。在汽车领域，随着人们对环境和能源问题的重视，许多高经济性、低排放、低噪音的汽车应运而生，其中就有国家大力支持的纯电动汽车。但由于纯电动汽车的各机构和系统的能量只能取自蓄电池，因此，需要汽车上的各个系统和机构都比较节能。热泵空调系统和传统燃油汽车空调系统的区别是它在原有装置的基础上加装了换向四通阀[1]。从而使制冷剂 R134a 实现正向制冷而反向制热，不需要像传统燃油汽车那样靠发动机余热来制热。空调系统作为汽车上能耗较高的耗能设备，其能耗比的大小会对整车性能以及续航里程有着影响，所以为了提高纯电动汽车空调系统的能效比（Coefficient Of Performance, COP），对纯电动汽车的空调控制系统的合理设计具有十分重要的现实意义。

1 研究方法 

本文以某纯电动轿车为研究对象，汽车空调系统采用热泵空调系统，首先对夏季车室热负荷进行计算，对汽车车室热力学进行分析，接下来在 Matlab 软件下的 Simulink 中建立了系统的数学模型。因为纯电动汽车空调系统属于非线性、时变系统，不易求得其系统数学模型，所以本文采用模糊控制策略对车内室温进行控制。在 Simulink中的 Fuzzy Logic Controller 模块中设计了系统的模糊控制器其中最重要的就是对输入量与输出量的模糊化过程[2]。之后对整个系统进行了仿真，结果表明，以模糊控制策略控制的纯电动汽车空调系统能控制车内温度在较短时间内达到设定温度且波动幅度不大，这符合纯电动汽车的空调性能要求。

2 纯电动汽车空调控制性能测试 

2.1 空调系统性能和控制性能相关概念 

空调系统控制性能的好坏影响着汽车空调系统的性能指标例如制冷量（或制热量）、能效比以及噪音，从而对车室内乘客的舒适性有着很大的影响[3]。

一般来说，评价汽车空调控制系统的性能指标有波动时间（也称响应时间）、超调量以及变负荷的能力[4]。如果一辆汽车的空调控制系统的波动时间较长，即意味着当车室内人员设定了车室内温度后，空调控制系统需要较长的时间来反映并实现自动控制。同理，如果一辆汽车的空调控制系统超调量过大，即当车室内人员设定空调工作温度后，空调控制系统不能达到设定温度，也会超过乘员舱内人员设定的温度。变负荷能力是指汽车的空调控制系统对于外界负荷改变的情况下的适应控制能力，例如当汽车车速由 30 km/h 变为60 km/h 时，汽车空调控制系统对与此变化做出的调整和改变。以上三种汽车空调控制系统的性能指标都会在很大程度上影响车室内乘员的乘车舒适性。

2.2 空调系统性能和控制性能的相关指标 

2.2.1 空调系统性能指标

1）制冷量（制热量）：空调系统在进行制冷（制热）运转时单位时间内从密闭空间内除去的热量，单位为 W[5]。

2）能效比（COP）：又称性能系数，是指空调系统在制冷（制热）运转时，制冷量（制热量）与制冷功率（制热功率）之比。 

3）噪声：空调系统在运转时产生的杂音，主要是由蒸发机和外部的冷凝器产生的。

2.2.2 空调控制系统性能指标 

1）响应时间：当车室内乘员对空调系统进行了温度设定以后，空调控制系统开始运行处理最终达到车室内设定温度的时间间隔大小。 

2）超调量：当车室内乘员对空调系统进行温度设定以后，空调控制系统开始运行处理最终达到温度超过了车室内人员设定温度的增量与原设定温度的百分比。

3）变负荷能力：汽车的空调控制系统对于外界负荷改变的情况下的适应控制能力。

3 仿真过程

3.1 纯电动汽车空调控制系统数学模型

运用前文所述研究方法对纯电动汽车空调控制系统数学模型进行搭建。汽车空调系统数学模型，它由三部分组成：车身的热量计算模块、车室内温度计算模块以及模糊控制模块。车身的热量模块计算外界传给车身各部分的热量。车室内温度计算模块是车室内温度受车身得热量与空调制冷量影响。 

1）车室内热力学分析 

通过工程热力学中稳态传热知识对车室内热负荷进行了计算，最终可得空调系统制冷量为 4.7 kW。计算过程本文不再赘述。

2）温度误差的模糊化 

模糊化的过程由选择模糊语言变量、选择隶属度函数、建立模糊控制规则。本文输入变量选取 7 个模糊子集的语言值，输出变量选取 7 个模糊子集的语言值。隶属度函数类型有三角型、梯型、钟型、高斯型。

温差 e 为车室内温度 ti 与设定温度 ts 之差。将温差基本论域设定为 e=[-5,5]，超出此范围视为边界温差值。量化因子 k1 取 1。则取温差的模糊离散论域为 E=[-5,5]。将其划分为 7 个区间，每个区间对应一个模糊子集。

3）温差变化率的模糊化 

取每 20 s 车室内温度误差的变化值为温差变化率。将温差变化率基本论域设定为△e=[-4,4]，超出此范围视为边界温差变化率值[7]。量化因子k2 取 1[8]。则取温差变化率的模糊离散论域为 E= [-4,4]。

4）空调压缩机转速模糊化 

本文选取的空调压缩机，其正常转速范围为0～6 000 r/min。将压缩机转速的基本论域设定为n=[0,6 000]。量化因子 k3 取 1。则取空调压缩机转速的模糊离散论域为 N=[0,6 000]。

3.2 仿真结果 

模糊控制模块即将设计的模糊控制器嵌入到Fuzzy Logic Controller 中，模糊控制模块的输入量为温差和温差变化率，输出量为压缩机转速[10]。

为了验证模糊控制策略在变工况下的性能情况，在此分别在车室外温度和车室内设定温度不变前提下，在下列四种情况模拟变工况情况：1）图 1 表示当车速不变，车内人数由 4 人变为 6 人时的车内温度变化曲线图；2）图 2 表示的是当车内人数不变，车速由 40 km/h 变为 50 km/h 时的车内温度变化曲线图；3）图 3 表示的是当车内设定温度不变，人数和车速不变，而车外温度由 35 ℃变为 37 ℃时的车室内温度变化曲线图；4）图 4表示的是当车外温度、人数和车速不变，车内设定温度由 25 ℃变为 28 ℃时的车内温度变化曲线图。

当汽车处于变工况工作时，在模糊控制策略下乘员舱内温度仍能在较短时间使车内温度达到设定温度附近，并且温度波动幅度不大，可以满足汽车空调的性能要求。

4  结论 

1）本文研究当乘员舱人数由 4 人变为 6 人时、车外温度由 35 ℃变为 37 ℃时、车内温度由 25 ℃变为 28 ℃时，这三种变负荷状况下，车室内温度在 40 s 内稳定到设定温度，表明空调控制系统的变负荷能力较好。

2）本文研究的以上三种情况下，室内温度都在将近 40 s 内稳定到设定温度，表明基于模糊控制策略的纯电动汽车空调控制系统的响应时间较短。

3）本文研究的在以上三种情况下，室内温度在 40 s 内稳定到设定温度且没有出现大的超调量，表明基于模糊控制策略的纯电动汽车空调控制系统的超调量较小。