基于PI控制的电动汽车低能耗电动空调策略研究-电子工程世界

电动汽车空调是影响整车能耗的1个重要因素，降低空调能耗有利于提高续航[1]。通过对汽车空调制冷模式下压缩机转速对汽车空调运行参数的影响进行分析，调整并优化汽车空调压缩机的转速，有利于提高用户的使用感受[2]。随着汽车空调技术的发展，自动空调和电动热泵式空调系统等均有较好的应用[3]；前期投入市场的电动汽车已有较大的保有量，不能忽视其空调系统对能源利用率的比重，通过对空调控制策略优化并以升级软件的方式，是1种切实有效的改善办法[4]。

以市场某电动紧凑型SUV为例，其空调制冷系统由车辆控制器（VCU）采集AC开关、温度值和压力值等，驱动冷却风扇。VCU完成空调系统的主要控制内容，通过CAN总线向空调压缩机控制器（EAC）发送转速指令，后者响应VCU转速命令并反馈给VCU实际工作状态。鉴于原电动汽车空调控制策略相对粗糙，能耗较大，且用户感受也不适宜[5]，在保持整车空调系统保持原有结构上，提出一种PI控制的空调压缩机转速控制策略，以最小成本对电动空调系统制冷功能进行优化。

1 整车结构和控制系统简介

电动汽车采用前置前驱单电机和减速器布置方式，空调压缩机由动力电池供电，动力部分工作原理如示意图1所示。由动力电池经高压分线盒给驱动电机供电，电机通过减速器驱动车轮，实行车辆行驶；由动力电池经高压分线盒给空调压缩机供电，同时动力电池为DC-DC逆变器供电，转换成低压12v给蓄电池充电及整车低压用电器供电。主要相关控制器包括车辆控制器(VCU)、电池管理系统(BMS)、电机控制器(MCU)、空调压缩机控制器(EAC)和逆变器控制器(DCDC)，各控制器之间通过CAN信号通讯。车辆控制系统（VCU）通过硬线采集油门踏板、换挡机构、刹车踏板、车辆模式开关等组件的状态，然后根据各系统的状态和驾驶员请求，再向各模块控制单元下发相应的控制指令，各控制模块协作完成车辆行驶。车辆控制系统（VCU）通过硬线连接温度传感器、压力传感器和空调面板AC开关，采集车外环境温度、蒸发器温度、高低压开关状态、中压开关状态和AC开关状态。

图1 整车结构和控制系统图

2 空调系统组成

电动汽车空调系统包括空调压缩机及控制器（EAC）、冷凝器、外温传感器、管路及压力开关、膨胀阀、制冷剂、鼓风机、冷凝风扇和HVAC总成等，其中HVAC总成又包括蒸发器、蒸发器温度传感器和PTC等[6][7]。空调系统示意图如图2所示。

图2 空调系统示意图

3 空调控制策略

原电动汽车空调控制策略为以车速和环境温度查表得到压缩机转速，这种控制策略相对粗糙，能耗较大，且用户感受也适宜。鉴于已有电动汽车空调结构的限制和成本控制，在尽量不改动车辆硬件配置的前提下，仅通过软件优化来改善空调的使用效率，降低空调能耗，提升用户的空调使用舒适度。空调出风口温度主要取决于蒸发器温度，通过不同的环境温度段规划空调制冷挡位和蒸发器温度，通过PI控制压缩机转速实现蒸发器的实际温度稳定在目标温度。

3.1空调制冷挡位规划

由于早期电动汽车空调功能配置较低，根据空调的实际使用需求，以环境温度为参考划分出空调5个较为实用的挡位，并规划五个挡位下蒸发器的目标温度，这种由外温决定制冷挡位的方法解决了空调面板配置低的限制，也为用户相对智能的完了空调挡位控制，出风口温度接近于蒸发器温度[8] [9]。具体参数如表1所示。

表1 空调挡位规划参数

外温 t/℃	挡位	蒸发器目标温度/℃
t≤30	1	12
30℃＜t≤34	2	10
34℃＜t≤38	3	8
38℃＜t≤42	4	5
t＞42	5	3

3.2 PI控制压缩机转速

车辆控制器（VCU）连接环境温度传感器和蒸发器温度传感器，采集并解析其实际温度值。根据上一节方案环境温度选择了蒸发器目标温度，以其与蒸发器实际温度的差值进行PI控制计算得出空调压缩机转速，并经过转速上升和下降的梯度处理，防止加速过快引起的抖动，输出压缩机控制转速给EAC执行。蒸发器温度经过压缩机工作后稳定在目标温度值，使车内达到舒适的温度。PI控制转速原理图如图3所示。 PI控制转速模型如图4所示，空调制冷功能的模型集成于VCU模型，编译成软件刷写控制器中。

4 整车测试与结果分析

空调控制策略有5个蒸发器温度挡位，通过实车测试，使用INCA7.1记录车辆控制内部实时数据，并选择1、3和5三个挡位运用其附属工具箱Measure Data Analyzer V7.1对蒸发器实际温度和压缩机转速数据分析，验证策略的有效性[10]。

4.1 空调1挡

环境温度27-30℃，前期车型的典型方案是以2500r/min持续运转，蒸发器温度没有明确目标；现策略为空调在1挡工作，蒸发器目标温度为12℃。如图5所示，黑色曲线为压缩机转速，蓝色曲线为蒸发器温度，后面测试数据也是如此。环境温度从高于30℃降低到30℃以下，空调由2挡切换到1挡，蒸发器温度目标值也由10℃提高到12℃，压缩机转速先是从二挡的2300r/min迅速下降1000r/min附近，蒸发器温度随之升高；当蒸发器温度明显升高时，压缩机转速开始增加以便降低蒸发器温度上升速率，当蒸发器温度稳定在12℃时，压缩机转速也随之以1600r/min相对稳定的运转。

图3 PI控制转速原理图

图4 PI控制转速模型

4 整车测试与结果分析

4.1 空调1挡

图5 空调1挡测试结果

增加以便降低蒸发器温度上升速率，当蒸发器温度稳定在12℃时，压缩机转速也随之以1600r/min相对稳定的运转。

4.2 空调3挡

环境温度为34-36℃，前期车型的典型方案是以3800r/min持续运转，蒸发器温度没有明确目标；现策略为空调在3挡工作，蒸发器目标温度为8℃。从图6可见，开启开启空调后，蒸发器温度最高19℃附近，从VCU发出压缩机转速3800r/min，到压缩机启动工作大约8s蒸发器温度开始迅速下降到7.5℃附近，压缩机转速也相应下降，最终以大约2000r/min运转,蒸发器温度也稳定在目标温度8℃左右。

图6 空调3挡测试结果

4.3 空调5挡

环境温度为44-45℃，前期车型的典型方案是以5000r/min持续运转，蒸发器温度没有明确目标；现策略为空调在5挡工作，蒸发器目标温度为3℃。从图7可见，蒸发器温度在19.5℃附近，开启空调，从VCU发出压缩机转速5000r/min（设计的压缩机转速上限），到压缩机启动工作5s后蒸发器温度开始下降，由于环境温度较高，经过300s左右蒸发器温度降至3℃附近，压缩机转速也相应下降，经过一段时间调节最终以大约4300r/min运转,蒸发器温度也稳定在目标温度3℃左右。

图7 空调5挡测试结果

4.4 能耗对比

根据不同压缩机转速对应的功率，大致换算出空调制冷功能新策略与原方案每小时能耗值，如表2所示。从表2也可以看出各挡位空调压缩机转速均有下降，空调能耗也随之有一定程度下降。

使用温度计对实车室内出风口温度进行测试，待空调稳定运转一段时间后，其各挡位温度均接近蒸发器温度值。经过1挡、3挡和5挡数据分析可见，这种电动空调策略通过了实车验证。满足蒸发器目标温度需求下各挡位压缩机转速均有下降，从而降低了空调能耗。另外蒸发器温度值稳定在目标值，也有利于提升用户舒服感。

表2 空调挡位能耗对比

环境温度 /℃	原方案压缩机转速r/min	新策略压缩机转速r/min	新策略挡位	原方案1h能耗约为Kwh	新策略稳定后1h能耗约为Kwh
28	2500	1600-2300	1	1.16	0.78
36	3800	2000-3800	3	1.54	1.03
44	5000	4300-5000	5	2.18	1.97

5 结束语

由环境温度段较为智能的决定空调挡位，通过PI控制快速调节空调压缩机转速，使蒸发器温度达到目标值，完成电动空调出风温度控制。此空调策略通过了实车多种挡位验证，蒸发器温度稳定性好，控制策略实用可靠，以低成本的方案较好的降低了空调能耗，同时提高了空调舒适度，为电动汽车空调制冷功能的改善提供了应用基础。

参考文献：

[1]贺萍. 一种新型汽车空调节能控制器的设计[J]. 电子技术应用, 2008, 34(1)):47-51

[2]武卫东, 余强元, 吴佳玮, 栾忠骏. 压缩机转速对新能源汽车空调制冷性能的影响[J]. 流体机械,2017,45(11): 61-65,57

[3]张丽, 成小红. 空调压缩机转速对汽车空调的影响[J]. 科技创新与应用, 2019(35): 47-48．

[4] 佟丽蕊, 张振迎, 王兴国. 电动汽车空调系统研究进展[J]. 制冷, 2015, (1):61-67

[5]孙小霞. 新能源汽车电动空调控制系统及其实现与研究[J]. 黑龙江科学. 2018(18): 150-151

[6]黄国强. 汽车空调行业与技术发展趋势解析[J]. 制冷与空调. 2018(08): 102

[7]秦晶. 电动空调在汽车领域的运用[J]. 科技风. 2017(13): 19

[8]杨璐, 裴顺. 汽车空调智能温度控制系统[J]. 电子设计工程. 2018(22): 133-136+141

[9]朱元成, 熊伟国, 吴群. 电动空调在汽车领域的应用解析[J]. 科技创新与应用. 2017(03): 166

[10]刘建飞, 赵丹平, 韦丽珍. 汽车电动空调系统参数匹配与仿真[J]. 内燃机与动力装置. 2014(01): 35-39.

关键字：PI控制电动汽车引用地址：基于PI控制的电动汽车低能耗电动空调策略研究

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