纯电动汽车热泵空调制热模式的控制研究

韦永恒 谢韵请 田杰

摘 要：随着国家经济的不断发展，纯电动汽车走进了大众视野。相较于传统燃油汽车，电动汽车具有噪声小、零排放以及能源利用率高等优势。但是，目前还没有一种纯电动车热泵空调系统能在各种环境条件下既能满足汽车室内环境舒适度的要求，又能保持较高的效率。因此本文将对纯电动汽车热泵空调的控制研究进行探讨。

关键词：纯电动汽车; 热泵空调; 制热模式; 控制研究

中图分类号：U469.72      文献标识码：A         文章编号：1006-3315（2021）10-122-002

纯电动汽车目前是研究的热点[1-3]，本文以热泵空调系统为研究对象，基于Amesim建立了空调系统的仿真模型，并与纯电动汽车热泵空调的真实试验作对比，验证了仿真模型的有效性。在此基础上，通过仿真模型研究了内外换热器风量对空调性能的影响。针对压缩机转速设计了开关控制策略、PID（Proportional Integral Derivative）控制策略以及模糊控制策略，并进行了仿真对比分析。最后，在模糊控制策略的基础上又引入了前馈控制环节，进一步消除了车速对空调性能的影响。

1.热泵空调系统的工作原理

电动汽车热泵空调系统主要由压缩机、内外换热器、四通换向阀、储液罐、节流机构、散热风扇等部件组成。其中，压缩机通常由电动机提供动力，通过活塞结构或螺旋结构对工质气体压缩做功;储液罐有两个作用，一是存储多余的制冷液，二是吸收掺杂的水分，因为通常工质里或多或少会混杂一些水分，为防止工质、水分和润滑油发生化学反应腐蚀管路，储液罐里还有干燥剂;节流机构包括毛细管和膨胀阀，它通过控制从冷凝器流向蒸发器的制冷液的流量，使得节流机构后面管路中的压力骤然减小，蒸发吸热;内部换热器在制冷模式下作为蒸发器使用，在制热模式下作为冷凝器使用;外部换热器则在制冷模式下作为冷凝器使用，在制热模式下作为蒸发器使用[4]。

制冷模式下，低温低压的气态制冷剂进入压缩机，压缩机做功将其压缩成高温高压的制冷剂，高温高压的气态制冷剂经过四通换向阀后进入外部热交换器。在外部换热器中，制冷剂向外部环境散热，等压冷凝之后成为中温高压的液体。该液态制冷剂流经节流机构后压力骤降，由液态转化为气液混合物，之后便流入内部热交换器。在这里，制冷剂从车室内吸收大量热量，蒸发成为低温低压的气体，之后流入压缩机继续下一次的循环过程[5]。

制热模式下，低温低压的气态制冷剂进入压缩机，压缩机做功将其压缩成高温高压的制冷剂，高温高压的气态制冷剂经过四通换向阀后流进内部换热器。在内部换热器中，制冷剂向车室内散热，等压冷凝之后成为中温高压的液体，然后经过节流机构后压力骤降，制冷剂由液态转化为气液混合物，之后制冷剂便流入外部热交换器。在这里，制冷剂从外部环境中吸收热量，蒸发成为低温低压气体，之后流入压缩机继续下一次的循环过程[6]。

2.热泵空调系统模拟仿真与工况验证

按照纯电动汽车热泵空调台架系统各结构部件的尺寸参数和性能参数，基于Simcenter Amesim软件平台建立了各部件的仿真模型并进行了参数设定，以用于纯电动汽车热泵空调的模拟仿真。将三种环境温度（5℃、-10℃、-15℃）下得到的仿真试验数据和相同工况条件下的实际热泵空调台架试验结果进行对比分析，结果发现仿真模型的结果和台架试验的结果之间的相对误差在误差允许范围内。由此验证了基于Amesim建立的纯电动汽车热泵空调的仿真模型的有效的[4]。后续将用此仿真模型进行随后的性能分析与控制研究。

3.内外换热器风量对空调性能的影响分析

空调内外换热器是制冷剂与外界环境进行热交换的两个场所，所以空调内外换热器的风扇转速会直接影响到汽车空调的换热性能，进而影响到热泵空调系统的消耗功率、工作效率和工作性能。

3.1内换热器风扇转速对热泵空调性能的影响

将空调内换热器风扇转速作为研究系统的自变量，让热泵空调系统在压缩机的转速保持不变的条件下运行。将环境温度分别设定为-5℃和-10℃，其他工作条件相同的情况下进行仿真试验。在内换热器风量逐渐增大的情况下（空调内换热器风量试验范围200m3/h-700m3/h），通过分析制冷剂循环质量流量情况和热泵空调系统的制热量变化情况可以得出，随着内换热器风扇转速的增加，制冷剂的循环质量流量逐渐减少，压缩机消耗功率下降明显。

3.2外换热器风扇转速对热泵空调性能的影响

设定环境温度分别为-5℃和-10℃，空调压缩机工作转速维持在6500r/min左右，其他工作条件相同的情况下，通过分析热泵空调外换热器换热性能变化、空调制热性能变化、系统制冷剂的质量流量变化以及压缩机输入功率的变化可以得出，随外换热器风扇转速的增大，外换热器的换热量显著增大。增长趋势是先增长较快，之后随车速达到一定后趋于一定值;热泵空调制热性能与外换热器换热性能的变化规律相同，均是先增长，之后保持不变。

3.3仿真测试分析

通过以上模拟试验，我们深入研究了内外换热器的风量变化对纯电动车热泵系统的制热性能产生的影响，结论如下：（1）随着换热器输出风量的穩定增加，系统循环制热工质的流量减少，系统循环制热和室外换热器输入风量的稳定增大且趋向于稳定值，空调压缩机输入功率显著降低，空调的制热能效比明显增加。（2）车外换热器风速逐渐增大，热泵空调的制热量变化较慢，压缩机输入的功率消耗增大，制冷剂的质量流量数值明显增加，热泵空调系统的制热能效比明显下降。

4.热泵空调压缩机转速的控制策略研究

压缩机转速的控制直接关系到热泵控制系统的性能[7]。为此，本文研究了开关控制、PID控制以及模糊控制，并通过仿真进行对比以找出最佳的控制策略。

4.1压缩机转速的开关控制策略

开关控制完成温度控制的工作方式一般是：用电动恒温器的热敏开关控制电磁离合器的开关来控制压缩机的运转或停止以实现对车内平均温度的控制。开关控制策略逻辑简单，但是汽车在行驶过程中环境随时会发生变化，因此采用传统的开关控制策略的控制效果较差，不适合大规模使用。

当空调系统处于制冷模式时，如果实际温度高于目标温度，则启动压缩机，压缩机以最高转速6500rpm运行，反之，停止压缩机;当空调系统处于制热模式时，如果实际温度低于目标温度，则启动压缩机以最高转速6500rpm运行，反之停止压缩机。实际应用时，为防止实际温度在目标温度附近小范围波动和压缩机反复启停，通常会取±0.5℃的滞回区间。

滞回比较器和普通比较器的区别在于：普通比较器只有一个阈值。当输入信号大于阈值时输出一个信号（如“0”），而当输入信号小于阈值时，输出另一个信号（如“1”）。而滞回比较器对于输入信号在上升和下降阶段分别有不同的阈值。以目标温度为25℃，滞回区间为±0.5℃举例，则在输入信号上升阶段，直到25.5℃才会输出0，而在输入信号下降阶段，直到24.5℃才会输出1。这样，当车内实际温度在24.5℃和25.5℃范围内抖动时，就不会引起输出信号的频繁跳动，从而避免了压缩机的频繁启停。但是，仿真结果表明，温度总在一个小的范围内波动，精准度欠佳。

4.2压缩机转速的PID控制策略

PID控制是最早开发且发展迅速的几种控制中的一个，因其控制算法较简洁容易、鲁棒性好、可靠性也比较高，所以被广泛地研究并运用于各种工业控制系统中，尤其适用于各种可建立精确的数学机械控制模型的确定性工业机械控制系统中。PID控制系统是一种线性控制器，是采用比例、积分和微分三种控制方法及其规律相互组合而成的一种控制器。

根据设定的车内温度与室内测量的车内温度之间的温差，再利用PID控制器控制，可得出压缩机与电机的PWM（Pulse Width Modulation）之间的占空比，调整电动压缩机的转速，从而实现车内制热（冷）量的连续自动调整，使车内的温度保持在设定值附近。采用PID控制器控制空调压缩机转速进而调节车室温度的方式，在车室温度达到设定温度后会做出反应，调整空调系统制热量，使车室温度基本控制在设定温度附近，满足空调温度控制要求。仿真结果表明，控温效果好于开关控制，但仍有提升的空间。

4.3压缩机转速的模糊控制策略

模糊控制器是一种语言型控制器，其使用的模糊控制规则是通过模糊集合中的模糊条件语句来体现的。通常模糊控制器有知识库、模糊化、模糊推理和清晰化四个组成部分。

将外界参考输入、系统输出、系统内部状态等变量的精确数值转化为模糊量的过程称之为模糊化。论域是模糊化过程中一个重要的概念，论域表示一个变量的取值范围，其又被分为若干个模糊子集，每个模糊子集都有各自的取值区间和隶属度函数，从而可以描述一个精确值属于这个模糊子集的程度。模糊化的过程就是将变量的精确值映射到各个模糊子集的过程。

模糊推理过程是根据模糊化后的输入变量和预先定义好的模糊推理规则，得到输出的模糊控制量的过程。模糊推理是模拟人类的推理行为，因此需要预先根据专家或一线操作人员的实际经验设置模糊推理规则。本文设计的热泵空调系统压缩机转速模糊控制器将测量得到的车室内温度信号与设定的目标温度进行比较、模糊化、模糊推理和精确化，得出压缩机目标转速，从而控制压缩机的制热量，最终达到控制车室内温度的目的。

4.4前馈环节的引入

外部换热器风量的变化会对车室温度有明显扰动，且系统重新恢复稳态的时间较长。这是因为无论PID控制还是模糊控制都属于反馈控制。只有当被控对象的实际值与目标值产生了偏差后，才会尝试改变控制量使被控对象的实际值重新达到目标值。而温控系统是一个长时滞、大惯量的系统，无论是外部环境变化导致的温度变化还是控制系统通过改变压缩机转速尝试修正温度，都需要较长的时间，这就导致了系统的动态响应速度较慢[6]。

前馈控制是一种基于补偿原理的控制算法，其输出的控制量不依赖于实际反馈变量，只要检测到了扰动，就会根据扰动的大小调整控制量，用以抵消扰动对系统输出的影响。与传统的反馈控制相比，前馈控制响应更快，如果运用恰当，能够将系统输出的扰动消除在萌芽之中。根据前馈控制的原理，可以得出前馈控制具有以下特点：（1）前馈控制环节不依赖系统输出反馈，直接针对干扰信号产生控制量，因此它比反馈控制更及时、快速。（2）如果干扰信号测量精确，且前馈控制器传递函数建模精确，理论上可以完全消除干扰信号对系统输出的影响。（3）前馈控制是开环控制，不能对控制效果加以检测，因此在实际应用中，很难仅使用前馈控制作为系统的控制策略，通常会在反馈控制的基础上，针对对系统动态响应影响较大的变量，建立前馈控制环节，作为补偿加入控制系统中，用于提高系统动态响应。

在本热泵空调系统中对车速建立前馈控制环节，作为模糊控制器的补偿，设定温度与车室实际温度的温差作为模糊控制器的输入，车速作为前馈控制环节的输入，模糊控制器和前馈控制环节的输出累加得到转速控制信号以控制压缩机。由于难以得到被控系统的精确数学模型，其中前馈比例系数根据仿真试验调参得出。

5.热泵空调压缩机转速的仿真分析

在Simulink中将AMESim中导出的热泵空调仿真模型作为研究对象，分别搭建了开关控制器、PID控制器和模糊控制器。对这三种控制策略进行了仿真试验的对比研究，结果表明在系统的动态响应和制热能效比方面，模糊控制策略的控制效果均优于开关控制和PID控制。在模糊控制的基础上加入了前馈控制环节后，车速的变化对控制问题的影响降到了最低。可见，对纯电动汽车热泵空调压缩机转速的控制研究是行之有效的。

基金项目：南京林业大学2021年大学生创新训练计划项目（2021NFUSPITP0725）

参考文献：

[1]陆强，郑燕萍.基于正交试验法的纯电动赛车动力参数优化[J]森林工程，2021，37（03）：88-94+102

[2]王浩，郑燕萍，虞杨.基于动态优选遗忘因子最小二乘在线辨识的磷酸铁锂电池SOC估算[J/OL]汽车技术：1-7[2021-08-12].https：//doi.org/10.19620/j.cnki.1000-3703.20210289

[3]昌诚程，郑燕萍，王昕灿，马哲树.纯电动汽车再生制动控制策略的研究[J]汽车技术，2019（05）：33-37[1] 李冬青，張永学.电动汽车空调的发展现状与趋势[J]电子测试，2013（6）：199-200

[4]张炳力，窦聪，李霞等.基于Amesim的某轻型客车采暖性能提升研究[J]合肥工业大学学报：自然科学版，2013（10）：1174～1178

[5]丁玮，孙强，徐庆春. Amesim仿真技术在汽车空调制冷系统中的应用[J]汽车实用技术，2015（8）：74～77

[6]王坤，张余民，付众等.基于AMESim 汽车空调制冷系统仿真研究[C]中国用户大会，2013

[7]李丽，魏名山，彭发展.电动汽车热泵空调系统设计与试验[J]制冷学报，2013，34（3）：60～63