电动汽车自动空调控制策略研究

刘文庆，耿胜民，冯志坚，任浩鹏

（扬州华光新材料股份有限公司，江苏 扬州）

前言

与传统汽车不同的是，新能源汽车空调系统采用电动压缩机和电加热PTC，因此空调系统的能耗对整车续航里程有较大影响[1]，为了降低空调使用过程中对新能源汽车续航的影响，国内外学者从材料、工艺、控制等各个角度开展了大量研究。S.Bellocchi 等[2]研究表明，不同的环境温度下用热泵替代PTC 可节约17%～46%的能耗。丁鹏[3]等提出基于多种制暖并存，分阶段联合控制式纯电动客车暖风空调控制，有效平衡了车内各点温度差值，简化了管道连接，减少了传热损失，从而提高能源利用效率。内蒙第一机械集团股份有限公司的曹立[4]等提出一种基于马尔可夫链的随机模型预测控制算法，提升了空调系统的温度性能和能量效率。华东交通大学张海[5]等提出了一种通过回收电机余热为乘客舱制热来减少制热功耗的空调系统，有效提高纯电动汽车的能源利用率，改善空调系统的制热性能。

但是对应用电动压缩机和电加热PTC 的新能源汽车来说，降低空调能耗，一般通过以下几个方面实现:一是提高冷凝器的换热效率;二是通过优化空调系统零部件选型；三是通过优化自动空调的控制策略。总之要平衡好性能和能耗的关系，在保证性能的前提下能耗越低越好。本文从优化控制策略的方面出发，提出了一种拟合目标出风温度的控制策略，通过车内温度与设定温度、环境温度和设定温度补偿等拟合出目标出风口温度，再根据出风模式及风量大小拟合出目标蒸发器温度或目标PTC 温度，通过PID 调节控制压缩机转速或PTC 功率，可实现空调系统的智能高效控制。

1 系统架构

自动空调控制系统主要有三部分组成：传感器、控制器、执行器。典型的自动空调控制系统框图如图1所示，其中传感器主要用于检测车内温度、环境温度、蒸发器温度、压力和当前PTC 温度。控制器通过监测传感器数据，基于拟合因子结合自动空调控制算法输出控制信号来控制压缩机的转速、PTC 功率、鼓风机风量，进、出风模式等实现快速响应。与传统汽车空调不同的是，新能源车的压缩机转速和PTC 功率都采用无极控制，有助于更好的引入智能控制算法。

图1 典型的自动空调控制系统框图

2 控制参数拟合

拟合因子就是将传感器采集到的信号值结合系统控制目标值拟合出一个目标控制参数表，作为系统的控制依据。本系统主要采集环境温度、车内温度及用户设定温度拟合目标出风口温度作为系统的控制依据。

2.1 目标出风温度定义

汽车空调运行工况复杂，是一个多参数强耦合的控制系统，其主要影响因素为车内外温差导致的热传导，以及阳光强度引起的热辐射，公式（1）进行目标出风温度拟合。

式中:

TrgTboTemp：目标出风温度；

TBO_OatSetTempDiff：外温与设定温度差值计算的出风温度；

IctDiffOffset：车内温度与设定温度差值计算的温度补偿；

DefOffset：除霜出风温度补偿。

2.1.1 TBO_OatSetTempDiff 拟合

环境温度与设定温度差值计算的出风温度TBO_OatSetTempDiff 由公式（2）和不同风量模式拟合得出，式（2）中，Temp Diff(Temperature Difference)为车外环境温度OAT（Outdoor Air Temperature）与当前设定温度CST(Current Set temperature)的差值。不同风量模式下拟合的出风温度，用于计算不同环境温度理想工况下，维持车内温度平稳的基础出风温度。根据环境温度与设定温度差值拟合出的目标出风温度如图2 所示，在实际工况应用中需对拟合数据进行标定。

图2 环境温度与设定温度拟合目标出风口温度

2.1.2 IctDiffOffset 拟合

车内温度与设定温度差值计算的温度补偿IctDiffOffset 由公式（3）计算得出，式中CST (Current Set temperature)为当前设定温度，ICT（InCarTemp）为车内温度，Gain 为根据温度差值拟合得出的增益参数，如图3 所示。当车内温度处于快速趋近段或者慢速趋近段时，为了让车内温度趋近目标设定温度，根据目标设定温度与车内修正温度的差值进行比例放大，形成闭环控制。

图3 车内温度与设定温度拟合目标出风口温度

2.1.3 DefOffset 拟合

打开除霜功能时，为了加快冬季除霜效果，需要提高出风温度。当环境温度小于等于-5 ℃，除霜状态开启，除霜出风温度补偿DefOffset=8 ℃。

2.2 制冷工况控制

2.2.1 目标值蒸发器温度计算

制冷工况下，需要以蒸发器温度为控制目标，由于存在管路损耗，需要通过实车标定来拟合目标出风温度和蒸发温度的对应关系。通过标定30 ℃环境温度，风量4 档，吹面模式，外循环，混合风门最冷的情况下蒸发器温度与吹面模式出风口平均温度的对应关系来弥补出风管道的能量消耗。

2.2.2 压缩机控制

压缩机目标转速采用PID 闭环控制，如图4 所示，目标蒸发器温度TrgEvapTemp 作为输入量，实际蒸发器温度EvapTempFb 作为反馈量，使用PID 自控算法实现闭环控制。式（4）为PID 控制简化公式，式中:AcTrgSpd_FbCtrl 为压缩机目标转速；Kp 为比例项运算参数；Ki 为积分项运算参数；Kd 为微分项运算参数；y0为初始转速。假设采样间隔为T，则第K 个采样的时间为KT，偏差err（k）用公式（5）表示；积分err（j）用公式（6）表示；微分err（d）用公式（7）表示。为了应对复杂的车辆工况，PID 参数需要根据不同的工况环境进行选定和调整，需要对压缩机转速输出加入滤波处理和相应转速限制。

图4 压缩机控制

2.3 制热工况控制

2.3.1 目标PTC 温度计算

目标PTC 温度为目标出风温度（最大值）与出风模式的补偿值之和。出风模式的补偿值标定方法为环境温度设置-15 ℃；PTC 水温稳定在60 ℃；出风模式分别为吹面/吹脚、吹脚、吹脚/除霜；混合风门最热端；外循环；压缩机关闭；风量3 档。测量对应出风模式下出风口平均温度和PTC 水温的差值得到补偿值，如表1 所示，补偿值根据实车标定更新。

表1 出风模式温度补偿

2.3.2 PTC 功率计算

将目标PTC 温度作为输入量，实际PTC 温度作为反馈量，使用PID 控制算法实现闭环控制。PTC 目标功率比例使用前馈控制加反馈控制来计算，同时功率输出必须满足功率限制需求，如图5 所示。

图5 PTC 功率计算

3 试验标定

试验标定在国内某新能源SUV 上进行，分别进行了夏季、冬季、春秋季标定。采用热电偶对各温度点的数据进行采集，数据采集系统硬件部分和车内各布点处热电偶连接如图6 所示。

图6 温度采集

3.1 夏季标定

试验工况：环境温度36 ℃，光照强烈，设定温度25 ℃、22 ℃、28 ℃。

试验目标：

“快”：车辆暴晒至呼吸点温度达到55 ℃以上启动试验，达到设定温度响应时间不超过15 min。

“稳”：同一设定温度下，运行1 h，设定温度与车内平均温度（头部呼吸点平均温度）不超过1 ℃。在设定温度值下，继续运行1 h，设定温度与车内平均温度（头部呼吸点平均温度）不超过2 ℃。

“准”：设定温度稳定后，切换目标温度后，温度有明显变化，且5 min 内达到目标要求。

试验结果如图7 所示，图中试验设定温度25 ℃，车内呼吸点平均温度55 ℃左右，呼吸点温度迅速下降，12 min 后呼吸点温度降到25 ℃，小于15 min，符合试验目标“快”的要求。

图7 夏季标定结果

呼吸点温度稳定在25 ℃，持续运行1 h，呼吸点温度保持在25 ℃～26 ℃之间，误差在1 ℃之内，符合系统“稳”的要求。

设定温度25 ℃，待机运行30 min，呼吸点温度在23 ℃～25 ℃之间，符合系统“稳”的要求。

试验开始1.5 h 后将设定温度调整到22 ℃，3.5 min 后呼吸点温度到达22 ℃，小于5 min，符合系统“准”的要求。

试验开始2 h 后将设定温度调到28 ℃，3 min 后呼吸点温度到达28 ℃，符合系统“准”的要求。

3.2 春季标定

试验工况：环境温度26 ℃～27 ℃，光照强烈，设定温度25 ℃、22 ℃、28 ℃、24 ℃。

试验目标：

“快”：车辆与外温保持一致，达到设定温度时间不超过5 min。

“稳”：同一设定温度下，运行1 h，设定温度与车内平均温度（头部呼吸点平均温度）不超过1 ℃；在此设定值下继续运行1 h，设定温度与车内平均温度（头部呼吸点平均温度）不超过2 ℃。

“准”：设定温度稳定后，切换目标温度后，温度有明显变化，且5 min 内达到目标要求。

试验结果如图8 所示，图中第一阶段：试验设定温度25 ℃，车内呼吸点平均温度35 ℃左右，呼吸点温度迅速下降，4 min 后呼吸点温度降到25 ℃，车辆与外温保持一致，达到设定温度时间不超过5 min，符合试验目标“快”的要求。

图8 春季标定结果

第二阶段：将设定温度调到22 ℃，3 min 后呼吸点平均温度降到23 ℃，设定温度稳定后，切换目标温度后，温度有明显变化，且5 min 内达到目标要求符合试验目标“准”的要求。

第三阶段：将设定调节到28 ℃，系统开启通风模式使温度上升，2 min 后呼吸点温度上升至28 ℃，设定温度稳定后，切换目标温度后，温度有明显变化，且5 min 内达到目标要求，符合试验目标“准”的要求。

第四阶段：将设定温度调节到24 ℃，呼吸点温度迅速下降，3 min 后呼吸点温度降至24 ℃，设定温度稳定后，切换目标温度后，温度有明显变化，且5 min内达到目标要求，符合试验目标“准”的要求。

3.3 冬季标定

实验工况：环境温度-10 ℃，光照强烈，设定温度28 ℃、25 ℃。

试验目标：

前排脚部温度达到-8 ℃以下

“快”：车辆冷却至脚部温度在-8 ℃启动试验，达到设定温度不超过15 min。

“稳”：同一设定温度下，运行1 h，设定温度与车内平均温度（前排脚部与头部平均温度）不超过1 ℃；在此设定值下继续运行1 h，设定温度与车内平均温度（前排脚部与头部平均温度）不超过2 ℃。

“准”：设定温度稳定后，切换目标温度后，温度有明显变化，且5 min 内达到目标要求。

实验验证：试验结果如图9 所示。

图9 冬季标定结果

第一阶段：

冷车启动，设定温度28 ℃，呼吸点温度2 ℃，20 min 后呼吸点温度到达26 ℃、运行1 h，呼吸点温度稳定在27 ℃～29 ℃之间，吹脚出风口温度稳定在60℃～64 ℃之间。

第二阶段：

将设定温度调到25 ℃，10 min 后呼吸点平均温度降到25 ℃，持续工作1 h，呼吸点温度稳定在24℃～26 ℃之间，吹脚出风口温度稳定在52 ℃～56 ℃之间。

通过以上数据可以看出:调节设定温度从28 ℃调到25 ℃，系统对设定温度调节响应迅速，稳定后温度误差在允许范围之内，驾乘人员感觉舒适性较好。

结束语

本文介绍了一种基于拟合目标出风温度的自动空调控制策略，详细介绍了目标参数的拟合方法，压缩机和PTC 的控制策略。并在某量产车型上进行了春、夏、冬三季标定验证，结果表明，该控制策略稳定可靠，舒适性高，符合客户快、稳、准的设计要求，具有很强的通性，值得推广。