基于模糊控制的纯电动汽车空调控制器的研究

陆兆钠　王俊龙　任俊楠

摘 要：纯电动汽车具有能耗少，无排放污染，噪音低等优点，受到人们的越来越多的关注。但其因电池容量受限导致其续航里程短，这是限制其发展的重要因素之一，而车身电气附件的使用进一步减小了纯电动汽车的续航里程。空调系统是汽车的第二大耗能设备，它的工作效率将影响整辆汽车的性能和续航里程。本文基于模糊语言变量和模糊逻辑推理的智能控制方法，对纯电动汽车车空调控制系统的压缩机、鼓风机，混合风门，模式风门和循环风门等进行进行控制研究，控制系统所需的反馈信号由传感器测量和转换，控制系统比较并判断每个传感器收集的数据，以实现对空调压缩机转速的高效控制，增加续航里程，保证电动汽车的动力性能。

关键词：纯电动汽车 空调系统 范围

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

隨着人们对资源和环境的日益关注，汽车工业正朝着低碳低排放的方向逐步发展。传统的燃油动力汽车消耗大量能源，对环境造成不可逆转的破坏，这与汽车工业的发展方向不符。作为技术相对成熟的新能源汽车：纯电动汽车，混合动力电动汽车和燃料电池汽车得到了很好的推广。 纯电动汽车的制动系统不同于传统汽车的制动系统。它的电动机既可以用作驱动汽车的电动机，也可以作为发电机进行控制，通过再生制动系统将纯电动汽车的动能转换为电能并将其存储在储能装置中，纯电动汽车的下一次启动和加速所需的能量。

纯电动汽车具有能耗低，无废气排放，噪音低的优点。然而，现有电池技术的局限性极大地限制了纯电动汽车的续航里程，并成为其推广的瓶颈[1]。纯电动汽车电池容量不足导致续航里程短，这是制约其发展的重要因素之一。车身电气附件的使用进一步减小了纯电动汽车的续航里程[2]。因此，纯电动汽车对车身附件的工作效率提出了更高的要求。

无论是传统的燃油汽车还是新的电动汽车，空调系统已成为必不可少的部分，空调是汽车中第二大耗能组件，其功耗不可低估[3]。与传统汽车空调相比，纯电动汽车空调的驱动形式和控制方法有所不同[4-6]。在满足制冷性能的同时，纯电动汽车空调必须考虑汽车节能和负荷的要求，以增加汽车的续航里程并确保汽车的动力[7]。如今，生活质量、节能、环境保护是汽车生活的重点，人们不再满足于具有基本功能（例如简单的冷却，加热和通风）的汽车空调系统。用户对现代汽车提出了更简单的操作，更舒适的操作，环境保护和低消耗的要求。

2 纯电动汽车空调系统的控制方案

汽车空调的基本功能是通过系统的工作来降低或升高汽车内部的温度，从而为人体提供舒适的温度环境。在集成的加热和冷却汽车空调中，鼓风机既是冷却蒸发器风扇又是加热加热器风扇。因此，鼓风机的速度直接影响空气供应的速度，从而直接影响空气调节和加热的速度。与传统的汽车空调系统不同，纯电动汽车的空调压缩机直接由电动机驱动。直流电动机由于电刷的使用寿命短而经常需要维护和修理，因此电动汽车空调压缩机驱动电机往往采用交流电机，这就要求空调控制系统具备变频功能，能调节压缩机速度降低能耗的同时，使空调的性能有更大的提高，使电动汽车空调更加经济高效。

当压缩机驱动电机作为不受控制负载接入的电动车辆电网时，它仅作为负载连接到电网。这可能导致电动车辆的负载需求此时与电网的负载一致，从而增加了电网的峰谷差。如果电动车的各组成部分彼此独立，则使用加法模型分解时间序列，如果各组成部分之间存在某种相关性，则使用乘法模型分解這些因素。图1为多相支持向量机预测模型的空调控制体系结构。

循环风门可以通过内部和外部循环电磁阀或循环风门电机进行控制。当汽车空调处于内部循环状态时，此时仅来自汽车的回风可以进入空调管道。相反，当空调处于外部循环状态时，不仅汽车内部的回风可以进入空调管道，而且汽车外部的空气也可以进入空调管道。为了防止在汽车行驶过程中由于过电流条件而损坏电机，应设计一个过电流保护电路。汽车空调控制系统可以通过控制执行器（例如鼓风机，混合风门，模式风门和循环风门）来改变车内空气温度和空气供应的参数，以满足乘客的舒适度要求。

电动汽车空调暖风系统往往采用热泵式空调，通过制冷/制热模式由四通换向阀转换，从原理上讲，该系统与普通的热泵空调并无区别，但是用于电动汽车上，专门开发了双工作腔滑片压缩机、直流无刷电动机和逆变器控制系统。在热泵工况下，系统从融霜模式转为制热模式时，风道内换热器上的冷凝水将迅速蒸发，在风窗玻璃上结霜，影响驾驶的安全性。PTC电加热器是电动汽车空调暖风系统的辅助装置。PTC电加热器是采用PTC热敏电阻元件为发热源的一种加热器。PTC热敏电阻通常是用半导体材料制成的，它的电阻随湿度变化而急剧变化，当外界温度降低，PTC电阻值随之减小，发热量反而会相应增加。按材质可以分为陶瓷PTC热敏电阻和有机高分子PTC热敏电阻。用于空调辅助电加热器的是陶瓷PTC热敏电阻。PTC热敏电阻元件因具有随环境温度高低的变化，其电阻值随之增加或减小的变化特性，所以PTC加热器具有节能、恒温、安全和使用寿命长等特点。

3 模糊控制算法的实现

汽车空调控制器通过控制压缩机驱动电机的速度和风门马达的速度来控制汽车中的温度。压缩机速度越高，制冷量越大，风扇速度越高，汽车中的温度响应越快。基于模糊语言变量和模糊逻辑推理的智能控制方法在测量不准确和部件特性动态变化的情况下具有很强的鲁棒性。车辆空调控制系统选择的控制设备具有两个输入变量和一个输出。输入是设定温度和室内温度之间的温度差及其温度差的百分比变化，输出是空气压缩机速度。空调系统设备在一定条件下，空气压缩机的转速将是一个恒定值，因此整个系统仅考虑对转速的控制。控制系统所需的反馈信号由传感器测量和转换，控制系统根据每个传感器收集的数据执行比较和判断计算，然后将控制指令发送到执行器。自动空调控制器通过人机交互来实现乘客对空调系统运行的掌握和控制。需要通过可视化设备输出诸如环境温度，室内温度，风模式和风速之类的信息。

随着域量化误差，误差变化和控制量的增加，调整因子的数量也相应增加，使得优化过程更加复杂。误差E，误差变化EC和控制量u的域选择为：

（1）

具有自调整因子的模糊控制规则可以表示为：

（2）

此处描述的定量控制规则根据误差的大小将误差的权重自动反映给控件。通过对自调整规则因子a和输出比例因子Ku的调整规律的分析，可以发现Ku（t）的变化趋势与a（t）的变化趋势基本相同。Ku（t）的定律可以选择为：

（3）

Ku是一个预设常数，因此a（t）和Ku（t）可以同时在线调整。尽管增加了参数Ku的在线调整，但这并没有增加系统设计的复杂性。

纯电动车辆的电池容量小，并且提供给空调系统的功率非常有限，因此有必要通过提高空调系统的效率来减轻车辆的功率负担。在仿真过程中，获得的温差和温差变化率均为准确值，因此需要对输入变量进行模糊处理，以满足模糊集理论的要求。当输入变量模糊时，需要将其分为几个等级，具体数量应根据输入量的细分程度来确定。在纯电动汽车的电动机制动器分配控制中，很难通过精确的数学表达式来计算其分配比例，但是模糊控制可以通过实验经验来表达难以准确定量地表达的规则，并且可以方便地反映出来。影响因素对制动能量回收的影响。如果车内温度比设定温度高出几度，则压缩机会高速旋转，便于快速制冷。当车内温度降至设定温度时，压缩机会以低速旋转以维持车内温度，尽管诸如电力之类的各种因素也可以满足压缩机的高速旋转。此时，功耗非常小，达到了节能的目的。

4 结语

汽车空调的基本功能是通过系统的运行来降低或升高室内温度，从而为人体提供舒适的温度环境。纯电动车辆的电池容量小，并且提供给空调系统的功率非常有限，因此有必要通过提高空调系统的效率来减轻车辆的功率负担。纯电动汽车的空调压缩机直接由电动机驱动。传统的直流电动机由于使用寿命短而需要维护和修理，这限制了其在汽车空调中的使用和发展。汽车空调控制系统可通过控制鼓风机，混合风门，模式风门和循环风门等执行器来改变汽车内的空气温度和供气量等参数，以满足乘客的舒适感需求。控制系统所需的反馈信号由传感器测量和转换，控制系统比较并判断每个传感器收集的数据，然后将控制指令发送给执行器。纯电动汽车空调应满足制冷性能，同时必须兼顾节能和负荷的要求，以增加续航里程，保证汽车的动力性能。

基金编号：ZQNGG205，南通理工学院中青年科研骨干;基金编号：CP122017003，南通市重点实验室“新能源汽车数字化开发与性能检测技术”;基金编号：JCZ18044，南通市科技局“新能源汽车电机—变速机构集成研究”。

参考文献：

[1]宋晓琳，任祥.电动汽车烟花算法自学习模糊控制策略[J].机械设计与制造，2018（4）：108-110.

[2]Marrasso E，Roselli C，Sasso M，et al. Comparison of centralized and decentralized air-conditioning systems for a multi-storey/multi users building[J]. Energy，2018，177（11）：319-333.

[3]Tsuda K，Tano S，Ichino J. Using Naturally Cold Air and Snow for Data Center Air-Conditioning and Humidity Control[J]. Electrical Engineering in Japan，2015，190（1）：45-58.

[4]Reyes J R M D，Parsons R V，Hoemsen R. Winter Happens：The Effect of Ambient Temperature on the Travel Range of Electric Vehicles[J]. IEEE Transactions on Vehicular Technology，2016，65（6）：4016-4022.

[5]Arroyo C，Lascorz D，O'Dowd L，et al. Effect of Pulsed Electric Field treatments at various stages during conditioning on quality attributes of beef longissimus thoracis et lumborum muscle[J]. Meat ence，2015，99（7）：52-59.

[6]雷艺.电动汽车空调压缩机不运行故障诊断浅析[J].汽车驾驶与维修（维修版），2019，485（03）：74-75.

[7]Pirouzi S，Aghaei J，Niknam T，et al. Exploring Prospective Benefits of Electric Vehicles for Optimal Energy Conditioning in Distribution Networks[J]. Energy，2018， 157（8）：679-689.