CN110293984B - 一种轨道交通用co2冷媒空调控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种轨道交通用CO₂冷媒空调控制方法，包括：控制单元接收采集单元实时采集的外界新风温度、风道内送风温度和车厢内的回风温度；所述控制单元根据所述外界新风温度确定目标温度，并将所述目标温度与所述回风温度比较确定调节目标温度；所述动作执行单元根据所述外界新风温度和所述目标温度选择进入预冷/预热模式、自动模式、制冷模式、制热模式或者通风模式，并调节预冷/预热模式、自动模式、制冷模式、制热模式或者通风模式下的温度。本发明轨道CO₂冷媒空调控制方法实现了轨道车辆客室内的温度的精准控制，实现了温度的平滑变化，给乘客带来舒适的乘坐体验。

Description

一种轨道交通用CO2冷媒空调控制方法

技术领域

本发明涉及机车空调领域，尤其涉及一种轨道交通用CO₂冷媒空调控制 方法。

背景技术

随着现代技术的发展，空调系统作为提升旅客舒适度的必要配套设备已 被广泛用用与轨道交通行业；空调控制系统作为空调系统的核心，一旦出现 问题将严重影响整车运行的可靠性和安全性。传统冷媒的空调系统应用多年， 控制方法已经较为完善和成熟，但CO₂冷媒空调运行压力较高，而且在轨道 交通车载空调上使用在国内几乎是个空白。因此如何在轨道交通领域应用好 CO₂冷媒空调，提高空调系统的有效利用率，节约能耗，保护环境，调高系 统运行的可靠性。目前的控制方法都是传统冷媒控制方法，轨道交通领域用CO₂空调控制方法还没有成熟的控制理论，CO₂冷媒空调控制方法不够精准。

发明内容

本发明提供一种轨道交通用CO₂冷媒空调控制方法，以克服上述技术问 题。

本发明的轨道交通用CO₂冷媒空调控制方法，包括：

控制单元接收采集单元实时采集的外界新风温度、风道内送风温度和车 厢内的回风温度；

所述控制单元根据所述外界新风温度确定目标温度，并将所述目标温度 与所述回风温度比较确定调节目标温度；

所述动作执行单元根据所述外界新风温度和所述目标温度选择进入预冷 /预热模式、自动模式、制冷模式、制热模式或者通风模式，并调节预冷/预热 模式、自动模式、制冷模式、制热模式或者通风模式下的温度。

进一步地，所述动作执行单元根据所述外界新风温度调节预冷/预热模式、 自动模式、制冷模式、制热模式或者通风模式下的温度之后，还包括：

所述控制单元根据采集CO₂浓度值以及外界新风温度控制动作执行单元 开启新风压力波阀门从而调节客室内的新风量。

进一步地，所述动作执行单元根据所述外界新风温度和所述目标温度选 择进入预冷/预热模式、自动模式、制冷模式、制热模式或者通风模式，并调 节预冷/预热模式、自动模式、制冷模式、制热模式或者通风模式下的温度， 包括：

所述控制单元判断若车厢内温度大于35℃且外界温度大于30℃时，空调 自动进入预冷模式，所述控制单元控制电子膨胀阀预开度值为50％，并开启 风机和压缩机；

所述控制单元判断若车厢内温度下降到T_目标温度+2℃或者预冷模式工作时 间为70分钟，退出所述预冷模式，并转入正常工作模式。

进一步地，所述动作执行单元根据所述外界新风温度和所述目标温度选 择进入预冷/预热模式、自动模式、制冷模式、制热模式或者通风模式，并调 节预冷/预热模式、自动模式、制冷模式、制热模式或者通风模式下的温度， 包括：

所述控制单元判断若新风温度大于等于28℃时，空调进入制冷模式；

所述控制单元判断若所述新风温度低于10℃，空调进入制热模式；

所述控制单元判断所述新风温度为10℃～28℃，则根据公式

S＝Kp*(T_送风温度-T_{送风设定温度})+Ki*∑(T_送风温度-T_{送风设定温度})(t)+Kpr*(T_回风温度-T _目标温度)+Kir*∑(T_回风温度-T_目标温度)(t) (1)

计算调节系数，其中，S为调节系数，Kp送风比例因子设为0.25～3， Ki送风积分因子0.2～4，Kpr回风比例因子2～3，Kir回风积分因子0.2～2， T_送风温度为送风温度，T_{送风设定温度}为送风设定温度，T_回风温度为回风温度，T_目标温度 为目标温度，t为积分时间；

所述控制单元判断所述调节系数大于-1且小于0，则空调进入通风模式； 当所述调节系数大于0时，则空调进入制冷模式运行；当S的值小于-1时， 空调按制热模式运行。

进一步地，所述当所述调节系数大于0时，则空调进入制冷模式运行包 括：

当所述调节系数大于0时，所述控制模块判断若所述调节系数为0.5时， 所述控制单元控制电子膨胀阀的开度增加20％，空调进入半冷模式运行；

当所述调节系数的值大于1时，所述控制单元取消电子膨胀阀的开度增 加20％指令，空调进入全冷模式；

当所述调节系数的值小于-1大于-2时，控制单元控制空调机组内的电加 热器按PWM方式运行，空调进入半热模式；

当所述调节系数的值小于-2时，控制单元控制空调机组内的电加热器持 续运行，空调进入全热模式。

进一步地，所述控制单元根据采集CO₂浓度值以及外界新风温度控制动 作执行单元开启新风压力波阀门从而调节客室内的新风量，包括：

当新风温度小于等于-20℃或大于40℃时，控制单元控制新风压力波保护 阀开启角度为30度；

当新风温度大于-20℃且小于等于-5℃或新风温度大于26℃且小于等于 40℃时，控制单元控制新风压力波保护阀开启角度为45度；

当新风温度大于-5℃且小于等于26℃时，控制单元控制新风压力波保护 阀开启角度为90度；

空调正常工作的过程中，当空调控制单元采集CO₂浓度传感器反馈值达 到1000ppm时，控制单元控制新风压力波阀门完全打开。

本发明轨道CO₂冷媒空调控制方法实现了轨道车辆客室内的温度的精准 控制，实现了温度的平滑变化，给乘客带来舒适的乘坐体验。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实 施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下 面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在 不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一种轨道交通用CO₂冷媒空调控制方法流程图；

图2为本发明实施例旅客区目标温度曲线。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发 明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述， 显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于 本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获 得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1为本发明一种轨道交通用CO₂冷媒空调控制方法流程图，如图1所 示，本实施例的方法可以包括：

步骤101、控制单元接收采集单元实时采集的外界新风温度、风道内送 风温度和车厢内的回风温度；

具体而言，空调控制单元正常启动后，先进入自检模式。首先检测反馈 信号的输入是否正常，包括温度传感器、压力传感器、温度开关信号、压力 开关信号、电机热保护信号、断路器反馈信号和接触器反馈信号。然后进行 通风检测，检查通风机和废排风机是否正常工作。如一切工作正常，控制单 元默认进入停机模式，等待输入命令进入相应工作模式。采集单元实时采集 外界新风温度、风道内送风温度和车厢内的回风温度，

步骤102、所述控制单元根据所述外界新风温度确定目标温度，并将所 述目标温度与所述回风温度比较确定调节目标温度；

具体而言，本实施例根据国际铁路联盟标准制定的公式为

该公式对应的旅客区目标温度曲线如图2所示。图中的实线为调节目标 温度的曲线。调节目标温度是根据外界新风温度计算得出。

步骤103、所述动作执行单元根据所述外界新风温度和所述目标温度选 择进入预冷/预热模式、自动模式、制冷模式、制热模式或者通风模式，并调 节预冷/预热模式、自动模式、制冷模式、制热模式或者通风模式下的温度。

进一步地，所述动作执行单元根据所述外界新风温度调节预冷/预热模式、 自动模式、制冷模式、制热模式或者通风模式下的温度，包括：

所述控制单元判断若车厢内温度大于35℃且外界温度大于30℃时，空调 自动进入预冷模式；

所述控制单元控制电子膨胀阀预开度值为50％，并开启风机和压缩机；

所述控制单元判断若车厢内温度下降到T_目标温度+2℃或者预冷模式工作时 间为70分钟，退出所述预冷模式，并转入正常工作模式。

具体而言，执行预冷模式包括当空调控制单元首次启动时，如果空调系 统处于“自动”模式，车厢内温度大于35℃且外界温度大于30℃时，空调自 动进入预冷模式。空调控制单元首先给电子膨胀阀一个预开度值50％，然后 开启风机和压缩机，当车厢内温度下降到T_目标温度+2℃，或预冷达到70分钟， 空调退出预冷模式，转入正常工作模式。

执行预热模式包括当空调控制单元首次启动时，如果空调系统处于“自 动”模式，车厢内温度小于0℃且外界温度小于0℃时时，空调自动进入预热 模式。空调控制单元先开启通风机，然后开启电加热器，当车厢内温度下降 到T_目标温度-2℃，或预热达到70分钟，空调退出预热模式，转入正常工作模式。

进一步地，所述动作执行单元根据所述外界新风温度调节预冷/预热模式、 自动模式、制冷模式、制热模式或者通风模式下的温度，包括：

所述控制单元判断若新风温度大于等于28℃时，空调进入制冷模式；

所述控制单元判断若所述新风温度低于10℃，空调进入制热模式；

所述控制单元判断所述新风温度为10℃～28℃，则根据公式

S＝Kp*(T_送风温度-T_{送风设定温度})+Ki*∑(T_送风温度-T_{送风设定温度})(t)+Kpr*(T_回风温度-T _目标温度)+Kir*∑(T_回风温度-T_目标温度)(t) (1)

计算调节系数，其中，S为调节系数，Kp送风比例因子设为0.25～3， Ki送风积分因子0.2～4，Kpr回风比例因子2～3，Kir回风积分因子0.2～2， T_送风温度为送风温度，T_{送风设定温度}为送风设定温度，T_回风温度为回风温度，T_目标温度 为目标温度，t为积分时间；送风温度设定值由新风温度决定，若新风温度小 于5℃，则送风温度设定值为22℃,；若新风温度大于5℃且下于10℃，则送 风温度设定值为(22-0.8*(T_新风温度-5))℃；若新风温度大于19℃且下于19℃，则送风温度设定值为(18-0.28*(T_新风温度-10))℃；若新风温度大于19℃，则送风温 度设定值为(22+0.25*(T_新风温度-19)-6)℃。

所述控制单元判断所述调节系数大于-1且小于0，则空调进入通风模式； 当所述调节系数大于0时，则空调进入制冷模式运行；当S的值小于-1时， 空调按制热模式运行。

具体而言，执行自动模式包括接收到自动命令后，当外界温度大于等于 28℃时，空调按制冷模式运行。当新风温度低于10℃，空调按制热模式运行； 新风温度为10℃～28℃，空调控制单元综合采集新风温度，回风温度及送风 温度并根据调节系数对客室温度进行调节。具体的调节系数S如公式(1)所 示。

Kp送风比例因子设为0.25～3，Ki送风积分因子0.2～4，Kpr回风比例 因子2～3，Kir回风积分因子0.2～2；

当S的值在0～-1时，空调按通风模式运行；当S的值大于0时，空调 按制冷模式运行；当S的值小于-1时，空调按制热模式运行；

由于各种轨道交通车型车厢尺寸不尽相同，PI调节的比例和积分因子在 设定范围内进行微调，防止出现温度控制在目标温度附近震荡情况。

执行制冷模式包括接收到制冷命令后，控制单元根据外界温度给电子膨 胀阀预开度值，当外界温度≥30℃时，电子膨胀阀预开度为50％；当外界温 度＜30℃时，电子膨胀阀预开度为35％；极限情况时，当外界温度≥45℃时， 电子膨胀阀预开度为55％。不同外界温度设定不同的开度值目的是外界温度 对CO₂冷媒系统压力影响较大，外界温度较高时还以小的开度值开启压缩机 容易形成高压保护故障。然后开启通风机、冷凝风机和压缩机。制冷模式运 行过程中要保证高压压力控制策略，压力的设定值根据气冷器出口的温度值确定，当设定值大于11.5Mpa时，设定开度小于20％或大于90％时膨胀阀不 动作；当排气温度小于130℃并低压压力大于3.7Mpa时，电子膨胀阀PID输 出关小阀开度；当低压压力小于3.7Mpa时，电子膨胀阀PID输出开大阀开度； 使空调系统能在最佳能效比下运行。

执行制热模式包括接收到制热命令后，控制单元先开启通风机，15秒后 才可以开启电加热器。当送风温度高于35℃空调机组控制单元只运行一组电 加热器，当送风温度高于45℃空调机组停止制热，运行通风。

执行通风模式包括空调控制单元仅开启通风机，保证车厢内的对新风的 需求。

进一步地，所述当所述调节系数大于0时，则空调进入制冷模式运行包 括：

当所述调节系数大于0时，所述控制模块判断若所述调节系数为0.5时， 所述控制单元控制电子膨胀阀的开度增加20％，空调进入半冷模式运行；

当S的值大于1时，所述控制单元取消电子膨胀阀的开度增加20％指令， 空调进入全冷模式；

当S的值小于-1大于-2时，控制单元控制空调机组内的电加热器按PWM 方式运行，空调进入半热模式；

当S的值小于-2时，控制单元控制空调机组内的电加热器持续运行，空 调进入全热模式。

进一步地，所述控制单元根据采集CO₂浓度值以及外界新风温度控制动 作执行单元开启新风压力波阀门从而调节客室内的新风量，包括：

当新风温度小于等于-20℃或大于40℃时，控制单元控制新风压力波保护 阀开启角度为30度；

当新风温度大于-20℃且小于等于-5℃或新风温度大于26℃且小于等于 40℃时，控制单元控制新风压力波保护阀开启角度为45度；

当新风温度大于-5℃且小于等于26℃时，控制单元控制新风压力波保护 阀开启角度为90度；

空调正常工作的过程中，当空调控制单元采集CO₂浓度传感器反馈值达 到1000ppm时，控制单元控制新风压力波阀门完全打开。

具体而言，本发明实施例采用空调系统的空调控制系统包括空调控制单 元和动作执行单元；所述的空调控制单元包含CPU模块，电源模块、模拟量 采集输出模块、数字量输入输出模块、旋钮开关和HMI显示屏。所述的动作 执行单元包含若干的断路器、接触器、继电器和电子膨胀阀执行单元。此外， CO₂冷媒空调控制单元的CPU模块采用ARM7系列处理器，具有CAN、485、 232、以太网通讯接口。CO₂冷媒空调控制方法中的控制指令输入可以分为三 种，第一、通过车辆网络信号进行集中控制；第二、通过控制单元的手动旋 钮进行手动控制，手动控制为跳过控制单元执行硬件线路上的控制方式；第 三、通过控制单元的HMI显示屏组态的模式按钮进行本地控制；接收信号的 优先级为后操作优先的方式。

本发明CO₂冷媒空调的整个控制过程，通过调节系数结合CO₂冷媒空调 特殊的压力控制可以使实际温度与目标温度保持在±0.5℃误差范围内，比传 统空调控制在±2℃误差范围内控制方法控制的更加精准，而且空调的工作模 式切换也比较平稳不会出现在目标温度点附近反复震荡的情况，整体温度变 化比较平滑，不会造成忽冷忽热的感觉，提高旅客的整体舒适度和乘坐体验。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对 其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通 技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改， 或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并 不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (5)

1.一种轨道交通用CO₂冷媒空调控制方法，其特征在于，包括：

控制单元接收采集单元实时采集的外界新风温度、风道内送风温度和车厢内的回风温度；

所述控制单元根据所述外界新风温度确定目标温度，并将所述目标温度与所述回风温度比较确定调节目标温度；

动作执行单元根据所述外界新风温度和所述目标温度选择进入预冷/预热模式、自动模式、制冷模式、制热模式或者通风模式，并调节预冷/预热模式、自动模式、制冷模式、制热模式或者通风模式下的温度；

所述动作执行单元根据所述外界新风温度和所述目标温度选择进入预冷/预热模式、自动模式、制冷模式、制热模式或者通风模式，并调节预冷/预热模式、自动模式、制冷模式、制热模式或者通风模式下的温度，包括：

所述控制单元判断若所述外界新风温度大于等于28℃时，空调进入制冷模式；

所述控制单元判断若所述外界新风温度低于10℃，空调进入制热模式；

所述控制单元判断所述外界新风温度为10℃~28℃，则根据公式

（1）

计算调节系数，其中，S为调节系数，Kp为送风比例因子，其大小设为0.25～3，Ki为送风积分因子，其大小为0.2～4，Kpr为回风比例因子，其大小为2～3，Kir为回风积分因子，其大小为0.2～2，Ｔ_送风温度为送风温度，Ｔ_{送风设定温度}为送风设定温度，Ｔ_回风温度为回风温度，Ｔ_目标温度为目标温度，t为积分时间；

所述控制单元判断所述调节系数大于-1且小于0，则空调进入通风模式；当所述调节系数大于0时，则空调进入制冷模式运行；当S的值小于-1时，空调按制热模式运行。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述动作执行单元根据所述外界新风温度调节预冷/预热模式、自动模式、制冷模式、制热模式或者通风模式下的温度之后，还包括：

所述控制单元根据采集CO₂浓度值以及外界新风温度控制动作执行单元开启新风压力波阀门从而调节客室内的新风量。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述动作执行单元根据所述外界新风温度和所述目标温度选择进入预冷/预热模式、自动模式、制冷模式、制热模式或者通风模式，并调节预冷/预热模式、自动模式、制冷模式、制热模式或者通风模式下的温度，包括：

所述控制单元判断若车厢内回风温度大于35℃且外界新风温度大于30℃时，空调自动进入预冷模式，所述控制单元控制电子膨胀阀预开度值为50%，并开启风机和压缩机；

所述控制单元判断若车厢内回风温度下降到T_目标温度+2℃或者预冷模式工作时间为70分钟，退出所述预冷模式，并转入正常工作模式。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述当所述调节系数大于0时，则空调进入制冷模式运行包括：

当所述调节系数大于0时，所述控制单元判断若所述调节系数为0.5时，所述控制单元控制电子膨胀阀的开度增加20%，空调进入半冷模式运行；

当所述调节系数的值大于1时，所述控制单元取消电子膨胀阀的开度增加20%指令，空调进入全冷模式；

当所述调节系数的值小于-1大于-2时，控制单元控制空调机组内的电加热器按PWM方式运行，空调进入半热模式；

当所述调节系数的值小于-2时，控制单元控制空调机组内的电加热器持续运行，空调进入全热模式。

5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述控制单元根据采集CO₂浓度值以及外界新风温度控制动作执行单元开启新风压力波阀门从而调节客室内的新风量，包括：

当所述外界新风温度小于等于-20℃或大于40℃时，控制单元控制新风压力波保护阀开启角度为30度；

当所述外界新风温度大于-20℃且小于等于-5℃或所述外界新风温度大于26℃且小于等于40℃时，控制单元控制新风压力波保护阀开启角度为45度；

当所述外界新风温度大于-5℃且小于等于26℃时，控制单元控制新风压力波保护阀开启角度为90度；

空调正常工作的过程中，当空调控制单元采集CO₂浓度传感器反馈值达到1000ppm时，控制单元控制新风压力波阀门完全打开。

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