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摘要: 为了保持纯电动汽车座舱环境的热舒适性并提高能源效率，本文研究了纯电动汽车热泵空调系统的控制策略。利用纯电动汽车热泵空调系统座舱仿真平台，设计了开关控制策略、PID控制策略和模糊控制策略。分别使用/ 来模拟三种控制策略。在模糊控制策略的基础上，添加前馈控制环节并进行仿真。结果表明，开关控制策略、PID控制策略和模糊控制策略下的COP值分别约为1.50、1.80和1.85；引入前馈控制环节前温度波动约为0.5℃，引入后无明显变化。从系统的动态响应和能效比来看，模糊控制策略的控制性能优于开关控制和PID控制；加入前馈控制环节后的模糊控制策略有效提高了系统在外部环境变化时的动态响应，降低了系统的成本。机舱温度波动。

热泵空调系统的工作原理

纯电动汽车热泵空调系统主要由电动压缩机、内外热交换器、四通换向阀、节流机构、冷却风扇和储液罐等组成（如图1所示） ）。其中，压缩机通常由电动机驱动，通过活塞或螺旋结构对工质气体进行压缩做功；储液罐内有干燥剂，可以储存多余的制冷剂，同时吸收其中混入的水分；节流机构包括毛细管和膨胀管。阀门，通过控制从冷凝器到蒸发器的制冷剂流动，使节流机构后面的管道内压力急剧下降，蒸发吸热；内部热交换器在制冷时用作蒸发器，在制热时用作冷凝器；外部热交换器用于制冷，在制冷模式下用作冷凝器，在制热模式下用作蒸发器。

图1 纯电动汽车热泵空调系统工作原理图

热泵空调制热时，低温低压的气态制冷剂进入压缩机，压缩机工作将其压缩成高温高压的制冷剂；然后，高温高压制冷剂通过四通换向阀流入内部换热器。此时，制冷剂将热量散发到车室内并在等压下冷凝。然后变成中温高压液体；经过节流机构后，压力急剧下降，制冷剂由液体转变为气液混合物流到外部换热器，吸收外部环境的热量，蒸发成低温低压-压力气体；最后，制冷剂流入压缩机，进入下一个循环。利用四通换向阀改变工作流体的流动方向，即可完成制热模式到制冷模式的切换。

仿真模型的建立与验证

根据热泵空调系统的工作原理，在软件环境中建立仿真模型并设置仿真参数。最终得到如图2所示的纯电动汽车热泵空调仿真模型。所使用的传感器采集管道内工质的压力、温度、流量、熵和焓等数据信息，以及车内外热交换器的传热热量以及压缩机的转速、扭矩和功率等信息。根据以上数据信息可以计算出系统的COP值。

图2 热泵空调系统仿真模型示意图

为了检验所建立的热泵空调仿真模型的有效性，设置压缩机转速为4 798 r/min，室外温度为-5 ℃，运行时间为1 200 s，对模型进行仿真。热泵空调仿真模型和台架试验所得结果如表1所示。

表1 仿真与测试结果

从表1可以看出，该工况下的测试结果与仿真结果基本一致。最大相对误差为3.7%，在允许误差范围内。可见，建立的仿真模型是有效的，可以基于该仿真模型开展后续的控制策略研究。

压缩机转速控制策略研究

在纯电动汽车热泵空调系统中，影响系统制热（制冷）能力的因素主要是内外热交换器冷却风扇的转速和压缩机的转速。由于车内温度可以通过调节系统中工作液的流量来控制，而压缩机的转速直接影响热泵系统中工作液循环的流量，因此本节首先研究开关控制、PID压缩机速度的控制和模糊控制。战略。此外，外部热交换器风量的变化也会显着扰乱车内温度。因此，设计了基于车速的前馈控制环节作为对模糊控制器的补偿。

3.1 开关控制策略

开关控制策略逻辑比较简单，控制框图如图3所示。当空调系统处于制冷模式时，如果实际温度高于目标温度，压缩机将启动运行在最高转速，否则压缩机将停止；当空调系统处于制热模式时，如果实际温度低于目标温度，压缩机就会启动。压缩机以最大速度运行，否则停止压缩机。

图3 开关控制框图

实际应用中，为防止实际温度在目标温度附近小范围波动时压缩机反复启停，通常采用±0.5℃的滞后区间。迟滞比较器的输入输出信号如图4所示。迟滞比较器与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”），当输入信号小于阈值时，输出另一个信号（如“1”）。迟滞比较器有不同的特性。分别为输入信号上升阶段和下降阶段的阈值 假设目标温度为 25 ℃，迟滞间隔为 ±0.5 ℃ 例如：如果输入信号处于上升阶段，则为 0。当达到25.5℃时输出1，而在信号下降阶段，直到24.5℃才输出1，这样当车内实际温度在24.5℃至25.5℃范围内波动时，就不会引起。输出信号频繁跳变，从而避免压缩机频繁启停。

图4 迟滞比较器信号图

3.2 PID控制策略

PID控制器由比例、积分和微分环节组成。 PID控制器以目标给定值与被控对象实际反馈值的差值作为输入，对其进行比例、积分、微分运算，将结果乘以各自的比例系数，然后输出给被控对象。积累。其数学公式如式(1)所示。

(1) 式中：e(t)为控制器输入函数，一般取目标值r(t)与实际值y(t)之差； u(t)为PID控制器的输出，即控制量； KP为PID控制器比例环节的系数； KI为PID控制器积分环节的系数； KD为PID控制器微分环节的系数。

电动汽车热泵空调系统PID控制框图如图5所示。汽车热泵空调系统以车室温度作为反馈值，将目标温度与车室温度的差值输入到PID控制器。输出是控制压缩机的转速，从而调节压缩机的制热（制冷）能力，使车室内的温度维持在设定的目标温度附近。在实际应用中，PID控制器需要根据实际情况设定输出限制值。本文选用的压缩机最高转速为6 500 r/min，因此需要将PID控制器的最大输出限制在6 500 r/min。

图5 电动汽车热泵空调系统PID控制框图

3.3 模糊控制策略

模糊控制器是一种基于语言的控制器，模糊控制规则通过模糊集中的模糊条件语句来体现。通常模糊控制器有四个组成部分：知识库、模糊化、模糊推理和清晰度。其基本结构如图6所示。

图6 通用模糊控制器的基本结构框图

本文设计的热泵空调系统压缩机转速模糊控制器采用如图7所示的二维模糊控制器结构。经过模糊化处理后，对座舱温度信号与设定目标的差值进行模糊推理和精度分析。根据温度和温差的变化率，得到压缩机的目标转速，从而控制压缩机的制热量，最终控制车厢温度。温度目的。

图7 模糊控制器结构图

3.3.1 精确量模糊模糊控制策略

1）温差和温差变化率的模糊化。

将目标温度减去实际车厢温度之间的差值定义为温差。根据经验，如果输入温差大于6℃，为了使车厢温度快速升高到目标值，应控制压缩机以最高转速工作；如果输入温差低于-6℃，为了使舱内温度迅速降低到目标值，应控制压缩机以最小转速运行；如果输入温差在±6℃范围内，模糊控制器将计算压缩机转速的控制量。

讨论温差的基本域[-6, 6]分为7个等级：{负大(NB)、负中(NM)、负小(NS)、零(O)、正小(PS)、正中（PM）、正大（PB）}。温差变化率ec用来表示每秒温差的变化量。根据模拟测试，其基本讨论域的值为[-1.5,1.5]，也分为7个级别：{负大（NB）、负中（NM）、负小（NS）、零(O)、正小(PS)、正中(PM)、正大(PB)}。

NB区间的温度误差和温差变化率隶属函数采用下降梯形分布，PB区间的隶属函数采用上升梯形分布，其余区间的隶属函数采用三角形。图8和图9分别给出了温差和温差变化率的隶属函数曲线。

图8 温差隶属函数曲线

图9 温差变化率隶属函数曲线

2）压缩机速度的模糊化。

压缩机转速的实际变化范围为n=[0,6 500]，分为7个等级：{零（Z）、低（L）、中低（ML）、中（M）、中高（ MH) )、高 (H)、非常高 (VH)}。压缩机转速n的隶属函数均采用三角隶属函数（见图10）。

图10 压缩机转速隶属函数曲线

3.3.2 模糊推理规则设计

模糊控制器中的推理规则通常是参考专业技术人员或一线操作人员长期积累的经验来设计的。模糊推理规则是模拟人类直觉思维的语言形式的表达。它们通常通过代表逻辑的关键字连接。常用的关键字有if、else、then、and、or等。本文设计的模糊控制器具有双输入单输出结构，其基本推理规则的格式为：If E and EC then P根据经验，得到如表2所示的模糊控制规则。

表2 模糊控制规则表

3.3.3 模糊量的澄清

模糊控制器最终需要输出精确的控制量来控制被控系统，因此需要明确对输入变量进行推理后得到的模糊集。对于热泵空调系统的模糊控制器来说，需要将其转换成精确量的电机转速n。本文设计的模糊控制器采用重心法来澄清模拟量。模糊控制表如表3所示。

表3 模糊控制表

3.4 前馈环节介绍

模糊控制属于反馈控制。在反馈控制中，当被控对象的实际值偏离目标值时，控制器将改变控制量，使被控对象的实际值再次达到目标值。由于外部换热器风量的变化对车厢温度有显着的扰动，且系统恢复稳定状态需要较长的时间，因此本文建立了基于车速的前馈控制环节，作为对车厢温度的补偿。模糊控制器。控制流程如图11所示。

从图11可以看出，车室设定温度与实际温度之间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被累加以获得压缩机速度控制信号。

图11 前馈控制热泵空调控制流程图

仿真结果分析

为了进一步探究纯电动汽车热泵空调系统在开关控制、PID控制和模糊控制三种控制策略下的性能表现，将内置的热泵空调仿真模型导出为模块，首先在环境中模拟了三种控制策略。分析。

4.1 开关控制

开关控制策略仿真模型如图12所示。目标温度设置为25°C。目标温度与车室实际温度的温差经过迟滞区间为±0.5的迟滞比较器后，输出压缩机的控制信号。压缩机开机时，转速为6 500 r/min；压缩机关闭时，以0转/分的速度运行。开关控制策略模拟的舱室温度、压缩机转速和COP曲线分别如图13-15所示。

图12 开关控制仿真模型

图13 开关控制策略温度曲线

图14 开关控制策略压缩机转速曲线

图15 开关控制策略COP曲线

从图13可以看出，在开关控制策略下，车厢温度在100 s内达到25 ℃的目标温度。稳态阶段，室内温度在24～25.5℃之间周期性波动，波动周期约为55 s。结合图13的温度曲线，从图14不难发现，在稳态阶段，当舱内温度升至25.5℃时，压缩机停止工作；当车厢温度降至24.5℃时，压缩机以6 500 r/min的转速运行。从图15可以看出，开关控制的COP值也很不稳定。这是因为压缩机在开关控制策略下间歇工作。稳定状态下的平均 COP 为 1.5。

4.2 PID控制

下面建立纯电动汽车热泵空调的PID控制仿真模型。目标温度设置为 25°C。将目标温度与车室实际温度之间的温差作为PID控制器的输入，将PID控制器的输出作为转速信号来控制压缩机。 PID控制策略下模拟的舱室温度、压缩机转速和COP曲线分别如图16-18所示。由于汽车空调系统的非线性特性和大的时滞性，以及汽车运行过程中工况变化大、情况复杂，PID控制器的效果并不理想。

从图16可以看出，在PID控制策略下，室内温度在180 s左右达到目标温度25℃。在稳态阶段，舱内温度几乎没有波动。图17中，PID控制策略下的压缩机转速首先工作在最高转速。当车厢温度接近目标温度时，转速继续降低至3 500 r/min左右。稳态阶段压缩机运行转速约为3 450 r/min。以 r/min 速度运行。在图 18 中，稳定状态下的平均 COP 为 1.8。

图16 PID控制策略温度曲线

图17 PID控制策略压缩机转速曲线

图18 PID控制策略COP曲线

4.3 模糊控制

首先，创建模糊控制器，并将输入输出信号的隶属函数和模糊推理规则输入到控制器模块中。模糊推理和输出表面通过规则查看器和表面查看器可见。本文设计的模糊控制器的模糊推理规则和输出曲面分别如图19和图20所示。

图19 模糊控制器的模糊推理规则示意图

图20 模糊推理输出面

将设计的模糊控制器导入计算机中，建立电动汽车热泵空调仿真模型。目标温度设置为 25°C。将车室目标温度与实际温度之间的温差作为模糊控制器的输入，模糊控制器的输出作为速度信号来控制压缩机。模糊控制策略下的舱室温度、压缩机转速和COP曲线分别如图21-23所示。

图21 模糊控制策略温度曲线

图22 模糊控制策略压缩机转速曲线

图23 模糊控制策略COP曲线

从图21可以看出，在模糊控制策略下，室内温度在140 s左右达到目标温度25℃，并且在稳态阶段，室内温度几乎没有波动。从图22和图23可以看出，稳态阶段压缩机运行转速约为3 400 r/min，平均COP为1.85。

4.4 对比分析

对比三种控制策略的座舱温度曲线，不难发现：开关控制策略的温度波动最大，而模糊控制和PID控制均能在稳态时将座舱温度稳定地控制在目标温度。 。在动态响应方面，模糊控制策略在这方面表现明显优于PID控制策略，并且能够更快地达到目标温度。从COP曲线来看，由于开关控制策略会导致压缩机频繁启停，导致COP值波动较大。模糊控制和PID控制的COP曲线相对稳定。模糊控制稳态阶段的COP值略高于PID控制。

4.5 带前馈环节的模糊控制

汽车正常行驶过程中，车速或外界环境风速的变化会引起外部热交换器风量的变化，引起车内温度的波动。系统动态响应的好坏直接影响温度波动的大小，最终影响轿厢环境。热舒适度。环境温度为0℃，模拟10 s内车速从40 km/h加速到100 km/h，以及车速从100 km/h减速到40 km/h。热泵空调系统采用模糊控制策略控制车厢温度波动。车速从 40 km/h 加速到 100 km/h 的仿真实验结果如图 24 所示。车速从 100 km/h 减速到 40 km/h 的仿真实验结果如图 25 所示。

图24 汽车加速时车厢温度曲线

图25 汽车减速时车厢温度曲线

从图24可以看出，当车速在10 s内从40 km/h增加到100 km/h时，车厢温度首先上升约0.5℃。约200秒后，系统将车厢温度重新调节至25℃。从图 25 可以看出，当车速在 10 s 内从 100 km/h 降至 40 km/h 时，车厢温度首先下降约 0.5℃。约200秒后，系统将车厢温度重新调节至25℃。这是因为车辆加减速时外部换热器的风量随着车速的变化而变化，传热的变化导致热泵空调系统的制热能力发生变化。可以看出，室外换热器风量的变化对车厢温度有明显的扰动，系统需要较长时间才能恢复到稳态。原因是PID控制和模糊控制都属于反馈控制。只有当被控对象的实际值偏离目标值时，才会改变控制量，使被控对象的实际值再次达到目标值。 。温度控制系统是一个长滞后、大惯性的系统。无论是外部环境变化引起的温度变化，还是控制系统试图通过改变压缩机转速来修正温度，都需要很长的时间，这就导致了系统的动态性。反应慢。因此，有必要在模糊控制的基础上增加前馈环节，以减少车速变化对室内温度的影响。

环境温度设置为0℃，模拟车速在10 s内从40 km/h加速到100 km/h，从100 km/h减速到40 km/h。添加前馈链接。基于模糊控制策略的热泵空调系统座舱温度波动仿真实验结果如图26和图27所示。

图26 汽车加速时车厢温度曲线

图27 汽车减速时车厢温度曲线

从图中可以看出，在模糊控制器控制策略中加入前馈环节后，对加减速过程中产生的温度变化有明显的抑制作用。舱内温度几乎没有波动，达到了提高系统动态响应的目的。

综上所述

本文旨在保持电动汽车座舱环境的热舒适性并提高能源效率。基于电动汽车热泵空调系统座舱仿真模型的构建，仿真模型得到的仿真结果与台架试验得到的实验结果在误差范围内基本一致，验证了仿真模型的有效性。

设计了开关控制器、PID控制器和模糊控制器，并对三种控制策略进行了环境仿真。基于仿真结果，从系统温控动态响应和能效比等方面对三种控制策略进行了比较。模糊控制策略优于开关控制策略和PID控制策略。

针对车辆加减速时外部传热量的变化，引起热泵空调系统制热量的变化，影响系统的稳定性，在模糊控制策略中加入前馈环节。机舱温度。仿真结果表明，加入前馈环节后的模糊控制策略能够有效提高动态响应，抑制舱内温度的波动。