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纯电动汽车热泵空调系统控制策略

摘要：为保持纯电动汽车车室环境的热舒适性并提高能量使用效率，本文对纯电动汽车热泵空调系统的控制策略进行了研究。利用AMESim搭建了纯电动汽车热泵空调系统车室仿真平台，设计了开关控制策略、PID控制策略和模糊控制策略。采用Matlab/Simulink分别对3种控制策略进行仿真。在模糊控制策略的基础上加入了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。在系统的动态响应和能效比方面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地提高了系统在外部环境变化时的系统动态响应，降低了车室温度的波动。

关键词：热泵空调；控制策略；压缩机开关控制；PID控制；模糊控制；仿真分析

0引言

如今智能交通是未来发展的一大趋势，智能道路控制技术[1]和智能汽车控制技术[2]层出不穷。纯电动汽车在智能化、网联化的大趋势下，不仅在汽车动力性[3]与平顺性[4]等方面需要匹配控制策略，各种随车系统如车载空调系统也需要控制策略来保证不同工况下车室温度的稳定来提高

乘客舒适度。目前，大多数纯电动汽车都采用空

调制冷和正温度系数(positivetemperaturecoeffi?cient,PTC)热敏电阻制热的方式[5]。但不同于通过发动机余热供暖的传统燃油车，纯电动汽车仅依靠PTC

调制冷和正温度系数(positivetemperaturecoeffi?

率低，会大大缩减电动汽车的行驶里程[6]。因此，如何改善纯电动汽车的低温制热性能成为当下研究的焦点问题[7-8]。

热泵空调以其结构紧凑、高效环保和制冷循环可逆等特点成为一种潜力十足的新型空调系统，成为未来纯电动汽车空调系统的发展方向[9]。因此，研究纯电动汽车热泵空调的控制策略具有重要意义。叶立等[10]采用优化后的在线自调整模糊控制器进行了控制模拟，基本消除了稳态误差，并且控制精度高，但各工况下稳态实验结果仅高于目标温度约0.01℃。汪琳琳等[11]分析对比了3种用于低温环境的热泵空调系统解决方案，认为利用蒸汽喷射热泵空调系统是低温采暖的有

效手段。田钧[12]提出了增加主动式可调节进气格栅以及使用分层空调系统的热泵空调系统优化设计方案，在相同条件下分层空调系统出风口温度较传统空调系统高5~6℃,达到设定目标温度用时更短。

以上研究表明，热泵空调系统具有很大的发展空间。因此，本文将在系统阐述其工作原理的基础上，根据实际系统建立和验证了仿真模型，并着重对压缩机转速控制进行了研究。

1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、内外换热器、四通换向阀、节流机构、散热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压缩做功；储液罐内有干燥剂，存储多余制冷剂的同时可吸收其中掺杂的水分；节流机构包括毛细管和膨胀阀，通过控制从冷凝器流向蒸发器的制冷剂的流量使得节流机构后面管路中的压力骤减，蒸发吸热；内部换热器在制冷模式下作为蒸发器使用，在制热模式下作为冷凝器使用；外部换热器在制冷模式下作为冷凝器使用，在制热模式下作为蒸发器使用。

图1纯电动汽车热泵空调系统的工作原理图

热泵空调制热时，低温低压的气态制冷剂进入压缩机，压缩机做功将其压缩成高温高压的制冷剂；随后，高温高压的制冷剂经四通换向阀流进内部换热器，此时，制冷剂向车室内散热，等压冷凝后成为中温高压的液体；经节流机构后压力骤降，制冷剂由液态转化为气液混合物流向外部换热器，从外部环境中吸收热量，蒸发成为低温低压的气体；最后制冷剂流入压缩机进入下一次循环[13]。利用四通换向阀改变工质的流向就可完

成制热模式向制冷模式的切换。

2仿真模型的建立与验证

根据热泵空调系统工作原理，在AMESim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。利用AMESim中的传感器采集管路中工质的压力、温度、流量、熵和焓等数据信息，以及车内外换热器的换热量和压缩机的转速、转矩和功率等信息，根据以上数据信息可计算出系统的COP值。

图2热泵空调系统仿真模型示意图

为检验所建立的热泵空调仿真模