吳峰，張印，李洪雷

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汽車自動空調(diào)控制方法

吳峰1，張印2，李洪雷1

（1.華晨汽車工程研究院，遼寧 沈陽 110000；2.法雷奧汽車空調(diào)湖北有限公司，湖北 荊州 434007）

通過對目前汽車市場單區(qū)自動空調(diào)舒適性差、油耗高的問題進行分析，提出了采用PID外控式變排量壓縮機控制方法，并取消出風(fēng)口溫度傳感器的配置方案，采用低成本的技術(shù)方案和高級的控制策略設(shè)計一套單區(qū)自動空調(diào)，保證低成本的同時又滿足整車空調(diào)舒適性，并且滿足平臺化要求，可以對類似的汽車自動空調(diào)設(shè)計提供參考，應(yīng)用于以后的新車型。

單區(qū)自動空調(diào)；PID；溫度傳感器；壓縮機

前言

汽車空調(diào)作為影響汽車舒適性的主要因素之一，為汽車提供制冷、取暖、除霜、除霧、空氣過濾和濕度控制等功能，汽車空調(diào)已成為汽車市場競爭的主要手段之一。汽車空調(diào)一般要消耗8％~12％的汽車發(fā)動機動力，其中壓縮機占到其中的80％～85％，風(fēng)機占其中的15%~20％。雖然我國的汽車保有量持續(xù)上升汽車空調(diào)市場需求量也日趨增長，但是國內(nèi)國外競爭激烈，行業(yè)利潤空間被壓縮，控制成本成為汽車行業(yè)能夠得以生存的關(guān)鍵，控制成本的同時保證產(chǎn)品性能的穩(wěn)定可靠，成為汽車企業(yè)制勝的關(guān)鍵。本文通過對目前汽車市場自動空調(diào)成本高的問題進行分析，提出取消出風(fēng)口溫度傳感器配置，優(yōu)化自動空調(diào)控制算法，保證低成本的同時又解決了整車空調(diào)舒適性問題。

1 目前自動空調(diào)采用的方案

1.1 自動空調(diào)架構(gòu)

自動空調(diào)由空調(diào)系統(tǒng)硬件、控制器硬件、控制器軟件和舒適性標(biāo)定四部分組成，如圖1所示。

圖1 空調(diào)控制系統(tǒng)

1.1.1空調(diào)系統(tǒng)硬件

系統(tǒng)硬件包括制冷和制熱2大系統(tǒng)，含各類傳感器、執(zhí)行器、壓縮機、PTC、電池閥、水閥、管路、風(fēng)道、出風(fēng)口等零部件。

1.1.2控制器硬件

控制器硬件包括控制器面板和控制模塊2大類，控制面板實時的響應(yīng)用戶操作，反饋當(dāng)前空調(diào)信息，更好的實現(xiàn)人機結(jié)合；控制模塊包括電源電路設(shè)計、硬件電路設(shè)計、外圍接口電路設(shè)計等，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、傳輸、驅(qū)動、舒適性算法分析、輸出控制等功能。

1.1.3控制器軟件

控制系統(tǒng)軟件的設(shè)計嚴(yán)格按照整車V型開發(fā)流程實現(xiàn)，如下圖2：

圖2 軟件V型開發(fā)流程

1.1.4空調(diào)控制系統(tǒng)標(biāo)定

智能空調(diào)可利用傳感器隨時檢測溫度、壓力、車速等變化，把檢測到的信號送給空調(diào)控制單元，并按預(yù)先編好的程序?qū)π盘栠M行處理，通過執(zhí)行器對空調(diào)工作狀況、出風(fēng)溫度、壓縮機等進行調(diào)節(jié)，從而使車內(nèi)溫度、空氣濕度等始終保持在車內(nèi)乘員感覺舒適的水平上。

2 問題分析與解決方案

2.1 問題分析

為了更好地反映汽車空調(diào)運行特性，多輸入多輸出方法被應(yīng)用到空調(diào)系統(tǒng)中來[1,2]，但是這樣的控制模型往往使得控制系統(tǒng)復(fù)雜而不穩(wěn)定。在室內(nèi)和人體舒適性方面，較多的研究都是基于數(shù)學(xué)模型。他們一般都是通過建立不同的人體模型、車體模型來研究環(huán)境對人體溫度、心理波動等方面的動態(tài)和靜態(tài)仿真[3,4]。在國內(nèi)，很多學(xué)者都是基于變排量壓縮機的控制來研究汽車空調(diào)系統(tǒng)．他們在變排量壓縮機的控制閥件[5,6]，膨脹閥特性影響[7]及變排量壓縮機的特性對系統(tǒng)的影響上作了較多的研究[8,9]。研究人員主要注重于部件的研究，對系統(tǒng)的整體和控制方法上的研究比較缺乏。

2.2 解決方案

整車自動空調(diào)系統(tǒng)成本高，運行工況復(fù)雜，在實際運行過程中，環(huán)境溫度、出風(fēng)口溫度、蒸發(fā)器表面溫度、太陽輻射等因素對車室內(nèi)環(huán)境的影響尤為明顯，自動空調(diào)控制系統(tǒng)根據(jù)以上輸入?yún)?shù)，計算與設(shè)定溫度差值，向執(zhí)行器輸出信號控制出風(fēng)模式、風(fēng)量和混合風(fēng)門，并接受其反饋信號進行閉環(huán)控制。對壓縮機的控制是實現(xiàn)空調(diào)舒適性和整車節(jié)能的主要方面，將各種對系統(tǒng)的影響因素轉(zhuǎn)化為對外控式變排量壓縮機的控制。定義車廂內(nèi)溫度與空調(diào)系統(tǒng)初始設(shè)置溫度的差值為輸入變量，輸出是經(jīng)過計算得出的壓縮機排量，制冷系統(tǒng)根據(jù)壓縮機排量計算出可產(chǎn)生的制冷量，制冷量與車內(nèi)熱負(fù)荷的差值為車內(nèi)溫度。其原理如下圖3所示：

圖3 閉環(huán)空調(diào)控制原理圖

在本文設(shè)計的控制方法中，利用環(huán)模實驗獲得空調(diào)出風(fēng)口基礎(chǔ)靜態(tài)和動態(tài)溫度數(shù)據(jù)，取消2個出風(fēng)口溫度傳感器，通過實驗獲得模型數(shù)據(jù)，從而節(jié)省硬件成本，再結(jié)合車內(nèi)/車外環(huán)境溫度和蒸發(fā)器表面溫度，設(shè)定蒸發(fā)器表面溫度來達到節(jié)能的效果，為了提高對空調(diào)的控制精度，在控制階段加入了PID算法，對溫度差的控制準(zhǔn)確程度大大加強，PID的輸出是比例、積分和微分3個分量的線性組合，在制冷/加熱過程中不管各分量如何變化并起作用，最終到達穩(wěn)態(tài)。開始時比例為主，積分為次，微分適時制動，隨著距離設(shè)定溫度越來越近，比例分量逐漸減弱，積分分量逐漸累加，當(dāng)?shù)竭_設(shè)定溫度時，比例分量為0，積分分量正好等于所需控制量，使整車空調(diào)動態(tài)平衡，達到節(jié)能舒適的效果，如圖4所示：

圖4 PID控制算法閉環(huán)控制原理圖

公式如下：

其中為比例系數(shù)，為積分時間常量，為微分時間常量。

將PID算法離散化，以方便標(biāo)定控制參數(shù)，公式如下：

假設(shè)采樣時間間隔為，則在時刻：

偏差為；

積分為；

微分為；

從而公式離散化后如下：

比例系數(shù)：

積分系數(shù)：，可以用表示；

微分系數(shù)：可以用表示；

則公式可以寫成如下形式：

其中參數(shù)在性能實驗中進行標(biāo)定，選擇最佳控制參數(shù)。在控制過程中，來自車內(nèi)的溫度信號和蒸發(fā)器表面的溫度信號傳入空調(diào)控制器，經(jīng)過控制單元計算之后輸出壓縮機控制信號，控制壓縮機排量，以獲得最佳車內(nèi)舒適溫度。

3 測試結(jié)果

3.1 測試結(jié)果

3.1.1壓縮機控制曲線

壓縮機在35%~100%變排量工況下，采用PID控制，蒸發(fā)器溫度響應(yīng)曲線，如圖5所示：

圖5 壓縮機在35%~100%排量下對應(yīng)蒸發(fā)器溫度響應(yīng)曲線

表1 信號名稱

壓縮機工作穩(wěn)態(tài)實驗，車速85~100km/h，通過PID調(diào)節(jié)，壓縮機排量在35%~45%區(qū)間工況下，空調(diào)系統(tǒng)壓力及蒸發(fā)器溫度可以保持在穩(wěn)定區(qū)間，壓縮機始終在比較小的排量下工作，不會產(chǎn)生震蕩現(xiàn)象，從而保證車內(nèi)溫度舒適及降低整車油耗，如圖6所示。

表2 信號名稱

3.1.2單區(qū)空調(diào)設(shè)置溫度變化響應(yīng)

夏季路試單區(qū)自動空調(diào)實驗，不同設(shè)置溫度下，對應(yīng)的整車空調(diào)舒適性響應(yīng)曲線如圖7、圖8和圖9所示，空調(diào)不同設(shè)置溫度下，頭部溫度都可以很好的滿足舒適性，并且外控式變排量壓縮機持續(xù)工作沒有中斷過，針對取消出門口溫度傳感器進行出風(fēng)口溫度驗證，也可以很好的響應(yīng)設(shè)置溫度變化。

圖7 整車單區(qū)自動空調(diào)工況

表3 信號名稱

表4 單區(qū)自動空調(diào)頭部溫度數(shù)據(jù)

表5 信號名稱

實驗結(jié)果表明，該方法根據(jù)不同工況，能夠迅速，穩(wěn)定及可靠的使車內(nèi)溫度達到舒適溫度。

4 結(jié)論

該控制方法能夠在各種工況下保持車內(nèi)溫度的舒適性，提高了系統(tǒng)和控制方法的可靠性，并且取消2個出風(fēng)口溫度傳感器，將成本降低，同時可以滿足平臺化要求，適用于各種車型，滿足用戶需求的同時，能夠保證品牌的市場銷售能力，具有推廣應(yīng)用的價值。

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Automotive Auto Air Climate Control Method

Wu Feng1, Zhang Yin2, Li Hong Lei2

（1. Brilliance Auto R&D Center, Liaoning Shenyang 110000; 2.Fireo Automobile Air Conditioning Hubei Co., Ltd., Hubei Jingzhou 434007）

Through the analysis of the problems of poor comfort and high cost of automatic air climate control in automobile market, the PID external controlled variable displacement compressor control method is put forward, and the configuration scheme of the air outlet temperature sensor is cancelled. A set of automatic air climate control is designed with low cost technical scheme and advanced control strategy in which can ensure low cost and satisfy the comfort of vehicle air climate. The scheme has been successfully applied to the existing models of our company and meets the requirements of the platform. It can provide reference for the design of similar auto air climate and apply to the new models in the future.

Auto Air Climate Control; PID; Temperature Sensor; Compressor

U463.8

A

1671-7988(2018)24-211-04

U463.8

A

1671-7988(2018)24-211-04

吳峰，就職于華晨汽車工程研究院。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.24.076