丁 鵬, 王 忠, 王 瑩, 馮 淵, 李慶蓮

(1.無(wú)錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 無(wú)錫 214121；2.江蘇大學(xué) 汽車(chē)與交通工程學(xué)院 ，江蘇 鎮(zhèn)江 212013；3.無(wú)錫市普歐電子有限公司，江蘇 無(wú)錫214100)

0 引 言

汽車(chē)空調(diào)的使用降低了新能源汽車(chē)的續(xù)航里程和動(dòng)力性。為了降低空調(diào)在純電動(dòng)汽車(chē)中的功耗，文獻(xiàn)[1，2]采用微通道熱交換器的方法提高了空調(diào)的效率。文獻(xiàn)[3～5]通過(guò)對(duì)壓縮機(jī)的改進(jìn)和模擬降低了空調(diào)的能耗。文獻(xiàn)[6～8]改進(jìn)了汽車(chē)空調(diào)控制系統(tǒng)的軟硬件，降低空調(diào)的能耗。文獻(xiàn)[9～11]分別使用了熱泵空調(diào)、太陽(yáng)能輔助空調(diào)及二氧化碳汽車(chē)空調(diào)等新型空調(diào)，提高了能源利用率，但由于受安裝體積、汽車(chē)工況等因素的制約，距離實(shí)車(chē)應(yīng)用還存在一定差距?，F(xiàn)行純電動(dòng)汽車(chē)空調(diào)制系統(tǒng)制冷方式存在如下缺點(diǎn):當(dāng)車(chē)廂內(nèi)乘客很少人時(shí)，空調(diào)仍會(huì)滿(mǎn)負(fù)荷工作，直到整個(gè)車(chē)廂溫度達(dá)到指定溫度為止，但大空間溫降不會(huì)提高乘員舒適度，且與外界的換熱面積較大，必然造成能源浪費(fèi)。

本文設(shè)計(jì)了一種分布式純電動(dòng)汽車(chē)空調(diào)。采用多個(gè)小容量壓縮機(jī)多級(jí)聯(lián)和調(diào)節(jié)車(chē)廂溫度，根據(jù)乘客所在車(chē)廂區(qū)域，對(duì)指定的位置按需供風(fēng)和制冷，只需調(diào)節(jié)有乘客區(qū)域的溫度即可，而不必對(duì)整個(gè)車(chē)廂進(jìn)行調(diào)節(jié)。

1 分布式汽車(chē)空調(diào)系統(tǒng)

1.1 整車(chē)空調(diào)分布

為了實(shí)現(xiàn)客車(chē)按需供氣和制冷，將客車(chē)空調(diào)分為3個(gè)區(qū)域(前部區(qū)域、中部區(qū)域、后部區(qū)域)，各區(qū)域分別安裝一套空調(diào)設(shè)備，負(fù)責(zé)對(duì)應(yīng)區(qū)域的溫度調(diào)節(jié)。如圖1所示，標(biāo)號(hào)1，2，3分別代表各區(qū)域空調(diào)安裝位置。空調(diào)電子控制單元(electronic control unit,ECU)根據(jù)環(huán)境單獨(dú)控制每套制冷設(shè)備的壓縮機(jī)及風(fēng)門(mén)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。

圖1 分布式純電動(dòng)客車(chē)空調(diào)布置

1.2 空調(diào)控制系統(tǒng)

空調(diào)系統(tǒng)主要包括:空調(diào)ECU、空調(diào)溫度傳感器(包括車(chē)廂內(nèi)、車(chē)廂外溫度傳感器)、光敏傳感器、控制面板、空調(diào)電源、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路及驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)等部件，如圖2中所示。壓縮機(jī)1～壓縮機(jī)3分別代表客車(chē)前部區(qū)域、中部區(qū)域及后部區(qū)域的壓縮機(jī)。由攝像頭采集車(chē)廂內(nèi)各區(qū)域乘員的數(shù)量，并傳送到ECU，由ECU根據(jù)設(shè)定的溫度、接收溫度傳感器、陽(yáng)光傳感器、乘員集群數(shù)及控制器局域網(wǎng)絡(luò)(controller area network,CAN)總線(xiàn)獲取的整車(chē)運(yùn)行參數(shù)依次驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的壓縮機(jī)及CAN總線(xiàn)獲取的整車(chē)運(yùn)行參數(shù)依次驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的壓縮機(jī)及風(fēng)門(mén)電機(jī)工作，實(shí)現(xiàn)不同區(qū)域按需制冷與通風(fēng)。

圖2 空調(diào)控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

2 控制系統(tǒng)

2.1 基于攝像頭的乘員統(tǒng)計(jì)方法

乘客乘車(chē)為坐姿，車(chē)載攝像頭不能獲取全部乘客的完整肢體，只能獲取頭部區(qū)域，因此，使用人臉識(shí)別方法統(tǒng)計(jì)人數(shù)。

首先,獲取包含M張人臉圖像的集合S，每張圖像可以轉(zhuǎn)換成一個(gè)N維的向量

S={Γ1,Γ2,…，ΓM}

(1)

計(jì)算平均圖像Ψ

(2)

計(jì)算每張圖像和平均圖像的差值Φ為

Φ=Γi-Ψ

(3)

用M個(gè)正交的單位向量Un描述Φ的分布。 計(jì)算正交單位向量的第k(k=1,2,3，...，M)個(gè)向量uk

(4)

當(dāng)特征值λk取最小的值時(shí)，即確定uk數(shù)值。由于M個(gè)向量相互正交且為單位長(zhǎng)度，所以,uk還要滿(mǎn)足

(5)

根據(jù)式(5)可知uk為單位正交向量，uk可用協(xié)方差矩陣的特征向量表示

(6)

式中A={Φ1,Φ2,…,Φn}。

對(duì)于一個(gè)N×N維的圖像，上述計(jì)算特征向量方法計(jì)算量過(guò)大，有必要對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)化計(jì)算。

設(shè)矩陣P=AAT，P的第m行n列的元素可表示為

(7)

求出P的M個(gè)特征向量vl，協(xié)方差矩陣的特征向量ul為

(8)

將特征向量還原成像素排列，稱(chēng)之為特征臉?？紤]一張新的人臉，以用特征臉對(duì)其進(jìn)行表示

(9)

對(duì)于第k個(gè)特征臉uk，式(9)可以計(jì)算其對(duì)應(yīng)的權(quán)重，M個(gè)權(quán)重可以構(gòu)成向量

ΩT=[ω1,ω2,…,ωM]

(10)

至此，求出特征臉對(duì)人臉的表示。需對(duì)人臉進(jìn)行識(shí)別，設(shè)

ωk=‖Ω-Ωk‖2

(11)

式中Ω為要判斷的人臉；Ωk為訓(xùn)練集中某人臉。式(11)對(duì)兩者求歐氏距離，根據(jù)距離的大小，設(shè)置合適的閾值即可判定是否屬于人臉。如系統(tǒng)判斷某一圖像屬于人臉的范疇，則系統(tǒng)對(duì)判斷屬于人臉的位置進(jìn)行標(biāo)記，并識(shí)別該人臉?biāo)趨^(qū)域，對(duì)該區(qū)域所有位置逐一判別，計(jì)算人臉的數(shù)量，根據(jù)該數(shù)量控制該區(qū)域的壓縮機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)速度。

2.2 壓縮機(jī)控制函數(shù)

圖3 控制系統(tǒng)方框圖

根據(jù)圖2所示的控制器結(jié)構(gòu)可建立空調(diào)控制系統(tǒng)模型，如圖3所示。其中，放大器的作用是將脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)。采用經(jīng)典放大電路，故放大器傳遞函數(shù)GF(S)可表示為

(12)

式中s為拉普拉斯變換后空間變量符號(hào)。

電機(jī)采用電樞控制式直流電機(jī)，建立電機(jī)的傳遞函數(shù)G2(s)[12]為

(13)

式中θ為電機(jī)旋轉(zhuǎn)角度；b為電機(jī)內(nèi)部摩擦系數(shù)；Ra為電樞電阻值；La為電樞磁感；Kb為感應(yīng)電壓系數(shù)；Km為電機(jī)常數(shù)；U為輸入電壓；J為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。忽略Ra/La的影響，設(shè)τ=RaJ/(Rab) +KbKm，為電機(jī)等效時(shí)間常數(shù)，取值為1；Km取值為2N·m/A，b=0.25(N·m·s)/rad，Ra=1.6 Ω，Kb=0.8(V·s)/rad。代入式(13)可求出電機(jī)的傳遞函數(shù)

(14)

根據(jù)文獻(xiàn)[12]可知，零階保持器傳遞函數(shù)為

(15)

式中τ為數(shù)字控制系統(tǒng)的采樣周期。

將放大器、直流電機(jī)及零階保持器的組合視為受控對(duì)象，求出受控對(duì)象的傳遞函數(shù)，根據(jù)圖3可知

(16)

對(duì)式(16)進(jìn)行z變換，并將τ=0.1 s代入可得

(17)

根據(jù)控制系統(tǒng)原理及圖4可知，整個(gè)系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為

τ(z)=D(z)Gp(z)/1+D(z)Gp(z)

(18)

式中D(z)為數(shù)字控制器表達(dá)式。

2.3 壓縮機(jī)控制方法

優(yōu)化脈寬調(diào)制(pulse-width modulation,PWM)占空比的控制方法。 根據(jù)區(qū)域人數(shù)與空調(diào)使用功率關(guān)系，確定最優(yōu)PWM。為了便于控制，使用車(chē)廂區(qū)域?qū)嶋H人數(shù)與該區(qū)域總座位數(shù)的比值表達(dá)車(chē)廂內(nèi)熱負(fù)荷的變化率，轉(zhuǎn)換成相對(duì)人數(shù)比[13]

μ=實(shí)際人數(shù)/總座位數(shù)×100 %

(19)

根據(jù)相對(duì)人數(shù)設(shè)定占空比數(shù)值，壓縮機(jī)暫時(shí)停止運(yùn)轉(zhuǎn)不會(huì)對(duì)人體熱舒適性造成影響，因此，可以根據(jù)車(chē)廂區(qū)域人數(shù)，設(shè)定壓縮機(jī)停轉(zhuǎn)的時(shí)間長(zhǎng)短。當(dāng)μ>90 %時(shí)，設(shè)置占空比為75 %；當(dāng)μ<20 %時(shí)，設(shè)置占空比為25 %；當(dāng)20 %≤μ≤75 %時(shí)，壓縮機(jī)電機(jī)占空比按照?qǐng)D4的函數(shù)關(guān)系進(jìn)行控制。

在確定基本的PWM控制電壓之后，應(yīng)根據(jù)汽車(chē)車(chē)內(nèi)溫度、環(huán)境溫度、溫度變化率、整車(chē)電量荷電狀態(tài)(state of charge,SOC)、日照強(qiáng)度、環(huán)境溫度、車(chē)速、設(shè)定溫度等參數(shù)對(duì)PWM進(jìn)行調(diào)節(jié)。在調(diào)節(jié)過(guò)程中以人體動(dòng)態(tài)熱感知舒適度指標(biāo)(thermal comfort index，TCI)[10]作為純電動(dòng)客車(chē)的控制目標(biāo)參數(shù)。建立基于人體舒適度的模糊控制系統(tǒng)[14，15]，并確定其模糊控制規(guī)則。建立表征TCI的方程

圖4 壓縮機(jī)PWM控制曲線(xiàn)

TCI=f(x1,x2,…,xn)=N

(20)

式中x1,x2,…,xn為影響TCI的變量;N為描述TCI狀態(tài)的參數(shù)，N=-2,-1,0,1,2,分別表示過(guò)熱、中熱、舒適、偏冷、過(guò)冷。以式(20)為基礎(chǔ)，建立人體動(dòng)態(tài)熱感覺(jué)預(yù)測(cè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[16]。創(chuàng)建三層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中，不同層的神經(jīng)元之間通過(guò)權(quán)系數(shù)相聯(lián)系，輸入變量分別對(duì)應(yīng)客車(chē)空調(diào)室內(nèi)溫度、設(shè)定溫度、整車(chē)電量SOC、日照強(qiáng)度、環(huán)境溫度、車(chē)速、PWM占空比。隱含層設(shè)置10個(gè)神經(jīng)單元，輸出參數(shù)為T(mén)CI，然后運(yùn)用BP法進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)各連接權(quán)值的調(diào)節(jié)。

圖5 壓縮機(jī)電機(jī)控制

由圖5可以看出：該控制曲面平滑有規(guī)律，說(shuō)明起到了良好的控制效果?？照{(diào)控制器中對(duì)風(fēng)機(jī)的模糊控制方法與上述基本相同，限于篇幅，不再贅述。

3 分布式新能源空調(diào)試驗(yàn)

樣車(chē)為蘇州某公司6829電動(dòng)改裝車(chē)型，將空調(diào)應(yīng)用于該車(chē)型。在襄樊國(guó)家試驗(yàn)中心進(jìn)行。

1)試驗(yàn)條件:將車(chē)置于環(huán)境溫度30 ℃陽(yáng)光充足的天氣，以50 km/h 的速度勻速行駛，空調(diào)出風(fēng)口調(diào)至最大，空調(diào)調(diào)至最大風(fēng)速。分別測(cè)量空調(diào)系統(tǒng)氣流速度，駕駛員、乘客頭部溫度，以及壓縮機(jī)開(kāi)啟時(shí)間。

2)測(cè)量方法:汽車(chē)第2排位置坐1人，4～7排座椅不坐人，8～10排座椅滿(mǎn)員，分別測(cè)量第2排左1座椅、第5排右2座椅及第9排座椅左1處乘客頭部的溫度和氣流速度。

試驗(yàn)結(jié)果如圖6和表1。試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)，車(chē)廂內(nèi)的平均溫度為30 ℃，由于車(chē)廂中部沒(méi)有乘客，所以，中部壓縮機(jī)一直處于停機(jī)狀態(tài)，前部區(qū)域與后部區(qū)域均有乘客，故此兩處壓縮機(jī)工作，由試驗(yàn)表格壓縮機(jī)工作時(shí)間可以看出:開(kāi)始快速制冷時(shí)，兩處壓縮機(jī)均滿(mǎn)負(fù)荷工作，制冷較快。但從第6 min開(kāi)始，由于車(chē)廂內(nèi)溫度達(dá)到人體舒適性指標(biāo)，此時(shí)前部乘客數(shù)量較少區(qū)域處壓縮機(jī)開(kāi)始間斷性工作，以減少耗能。由圖6可知，車(chē)廂溫度稍有上升，后部區(qū)域由于滿(mǎn)員乘坐，壓縮機(jī)工作時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，滿(mǎn)足乘客對(duì)制冷量的需求。

圖6 車(chē)中各位置溫度變化

表1 各壓縮機(jī)工作時(shí)間

試驗(yàn)表明:客車(chē)制冷空調(diào)在額定的時(shí)間內(nèi)可以達(dá)到人體舒適性溫度范圍，具有良好的制冷效果，同時(shí)由于壓縮機(jī)工作時(shí)間降低又大幅度降低了空調(diào)的耗能量，增加了汽車(chē)的續(xù)航里程和動(dòng)力性，滿(mǎn)足了純電動(dòng)客車(chē)的需求。

4 結(jié) 論

采用客車(chē)進(jìn)行分區(qū)域管理多個(gè)小容量壓縮機(jī)多級(jí)聯(lián)和調(diào)節(jié)車(chē)廂溫度，根據(jù)乘員所在車(chē)廂區(qū)域，對(duì)指定的位置按需供風(fēng)和制冷。試驗(yàn)表明:在30℃時(shí)，快速制冷開(kāi)始，壓縮機(jī)滿(mǎn)負(fù)荷工作，此時(shí)溫降顯著。第6 min后空調(diào)達(dá)到人體舒適性指標(biāo)溫度23 ℃，此后按照既定的PWM控制方法進(jìn)行間歇性停機(jī)，減少電池能量。乘客數(shù)量不同，空調(diào)指定時(shí)間內(nèi)停機(jī)時(shí)間也不同，在沒(méi)有乘客的區(qū)域壓縮機(jī)完全停轉(zhuǎn)，達(dá)到了分段控制效果，該方法能夠有效降低空調(diào)功耗，降低整車(chē)的耗電量。

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