CN111959233A - 一种纯电动汽车的座舱气候自动控制系统及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种纯电动汽车的座舱气候自动控制系统及其控制方法，涉及纯电动汽车座舱气候控制技术领域，该控制系统包括控制器、环境温度传感器、车内温度传感器、蒸发器温度传感器、加热器温度传感器、阳光传感器、压缩机、加热器、鼓风机、模式风门驱动器和混合风门驱动器。本发明既能保证汽车座舱气候舒适度又能高效节能；通过计算蒸发器目标温度和加热器目标温度，采用PID算法输出压缩机转速和加热器的功率，从而达到精准控制目标出风温度的目的，避免了由于采用混合风门混风造成的能量浪费。

Description

一种纯电动汽车的座舱气候自动控制系统及其控制方法
技术领域
本发明涉及纯电动汽车座舱气候控制技术领域，特别是涉及一种纯电动汽车的座舱气候自动控制系统及其控制方法。
背景技术
随着新能源汽车产业政策的推动和新能源汽车技术的发展，市场上新能源汽车占比越来越高，以电池为能源的纯电动汽车由于没有发动机为空调压缩机提供动力，制冷系统普遍采用电机驱动的电动压缩机；另外由于纯电动汽车没有发动机，空调采暖无法采用发动机冷却液提供热源，采暖方式普遍采用风暖PTC加热和水暖PTC加热两种方式。目前，纯电动汽车的续航里程问题一直备受关注，空调作为改良汽车座舱气候舒适度的重要部分，对能源的消耗也是比较大的，这样势必造成纯电动汽车续航里程的减少，如果为了提高续航里程而减小空调系统的输出，则座舱气候的舒适度又将受到影响，可见，纯电动汽车座舱舒适度与续航里程是个矛盾的问题。因此，有必要对纯电动汽车座舱气候控制系统进行设计优化。
发明内容
本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种纯电动汽车的座舱气候自动控制系统及其控制方法。
本发明通过以下技术方案来实现上述目的：
一种纯电动汽车的座舱气候自动控制系统，该控制系统包括控制器、环境温度传感器、车内温度传感器、蒸发器温度传感器、加热器温度传感器、阳光传感器、压缩机、加热器、鼓风机、模式风门驱动器和混合风门驱动器，环境温度传感器、车内温度传感器、蒸发器温度传感器、加热器温度传感器、阳光传感器、压缩机、加热器、鼓风机、模式风门驱动器和混合风门驱动器均与控制器电连接。
优选的，所述压缩机为集成调速控制器的电动压缩机，所述加热器为集成功率控制器的PTC加热器。
优选的，所述PTC加热器为安装在汽车空调箱体内的风暖加热器。
一种纯电动汽车座舱气候自动控制系统的控制方法，该控制方法的步骤为：
(1)根据环境温度的不同将纯电动汽车座舱内的温度分为三个季节，分别为冬季、春秋季和夏季，然后将控制器上电，通过环境温度传感器采集环境温度Tamb，设定冬季环境温度范围为Tamb＜10℃，夏季环境温度范围为Tamb＞30℃，春秋季环境温度范围为10℃≤Tamb≤30℃；
(2)车内热需求索引T_index根据以下公式计算得出，T_index
＝Kset*(Tset-22)+Kincar*(Tset-Tincar)+Kamb*Tamb+Ksolar*Tsolar+M，式中，Kset、Kincar、Kamb、Ksolar和M均为常数，取值通过试验标定查表确定，Tset为设定温度，Tamb为环境温度，Tsolar为阳光辐照强度；
(3)当环境温度判定为冬季时，压缩机不工作，混合风门驱动器处于全暖位置，不参与混风，仅通过控制加热器表面温度来间接控制空调出风温度，
根据车内热需求索引T_index计算出虚拟目标出风温度Tout_target，
Tout_target＝T_index/K，式中K为常数，取值通过试验标定查表确定；
根据计算出的虚拟目标出风温度Tout_target计算出目标加热器温度Theater_target，
Theater_target＝Tout_target+N，式中N为常数，取值通过试验标定查表确定；
以计算出的目标加热器温度Theater_target为控制目标通过PID算法调节加热器输出功率；
(4)当环境温度判定为夏季时，加热器不工作，混合风门驱动器处于全冷位置，不参与混风，仅通过控制蒸发器表面温度来间接控制空调出风温度，
根据车内热需求索引T_index计算出虚拟目标出风温度Tout_target，
Tout_target＝T_index/K，式中K为常数，取值通过试验标定查表确定；
根据计算出的虚拟目标出风温度Tout_target通过试验标定查表得出目标蒸发器温度Tevp_target；
以试验标定查表得出的目标蒸发器温度Tevp_target为控制目标通过PID算法调节压缩机输出转速；
(5)当环境温度判定为春秋季时，压缩机和加热器根据目标蒸发器温度Tevp_target和目标加热器温度Theater_target分别进行PID算法调节输出，混合风门驱动器的位置根据车内热需求索引T_index、目标蒸发器温度Tevp_target和目标加热器温度Theater_target共同计算确定，
取目标蒸发器温度Tevp_target＝20℃，以目标蒸发器温度Tevp_target为控制目标通过PID算法调节压缩机输出转速；
取目标加热器温度Theater_target＝30℃，以目标加热器温度Theater_target为控制目标通过PID算法调节加热器输出功率；
计算出混风风门位置SW，
SW＝(T_index/K-Tevp_target+A)/(Theater_target-Tevp_target+A)*100％
＝(T_index/K-20℃+A)/(Theater_target-30℃+A)*100％，式中SW为混合风门位置百分比，SW＝0时为全冷，SW＝100％时为全暖位置，K和A为常数，K和A的取值通过试验标定查表确定。
优选的，所述步骤(2)中车内热需求索引T_index用于车内鼓风机的风量控制，将车内热需求索引T_index分成两倍于风量档位数量的区间，再通过线性插值的方式与每档鼓风机输出电压一一对应。
优选的，所述步骤(2)中车内热需求索引T_index用于车内模式风门驱动器的控制，将车内热需求索引T_index分成五个区间，第一个区间为吹面模式，第三个区间为吹面+吹脚模式，第五个区间为吹脚模式，第二区间和第四区间分别为两个回差控制区间。
优选的，所述步骤(3)中目标加热器温度Theater_target的有效取值范围是20℃～90℃。
优选的，所述步骤(4)中目标蒸发器温度Tevp_target的有效取值范围是2℃～20℃。
本发明的有益效果在于：本发明既能保证汽车座舱气候舒适度又能高效节能；通过计算蒸发器目标温度和加热器目标温度，采用PID算法输出压缩机转速和加热器的功率，从而达到精准控制目标出风温度的目的，避免了由于采用混合风门混风造成的能量浪费；控制系统具有控制方式易于实现，控制精度高，参数标定简单的优势。
附图说明
图1为本发明的控制系统结构示意图；
图2为本发明的车内鼓风机风量控制原理图；
图3为本发明的车内出风模式控制示意图。
其中：1、环境温度传感器；2、车内温度传感器；3、蒸发器温度传感器；4、加热器温度传感器；5、阳光传感器；6、压缩机；7、加热器；8、鼓风机；9、模式风门驱动器；10、混合风门驱动器；11、控制器。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明：
如图1所示，本发明的自动控制系统包括控制器11、环境温度传感器1、车内温度传感器2、蒸发器温度传感器3、加热器温度传感器4、阳光传感器5、压缩机6、加热器7、鼓风机8、模式风门驱动器9和混合风门驱动器10。环境温度传感器1、车内温度传感器2、蒸发器温度传感器3、加热器温度传感器4、阳光传感器5、压缩机6、加热器7、鼓风机8、模式风门驱动器9和混合风门驱动器10均与控制器11电连接。压缩机6为集成调速控制器的电动压缩机。加热器7为集成功率控制器的PTC加热器。PTC加热器为安装在汽车空调箱体内的风暖加热器。
本发明还包括自动控制系统的控制方法，该控制方法的步骤为：
(1)根据环境温度的不同将纯电动汽车座舱内的温度分为三个季节，分别为冬季、春秋季和夏季，然后将控制器上电，通过环境温度传感器采集环境温度Tamb，设定冬季环境温度范围为Tamb＜10℃，夏季环境温度范围为Tamb＞30℃，春秋季环境温度范围为10℃≤Tamb≤30℃。
(2)车内热需求索引T_index根据以下公式计算得出，T_index
＝Kset*(Tset-22)+Kincar*(Tset-Tincar)+Kamb*Tamb+Ksolar*Tsolar+M，式中，Kset、Kincar、Kamb、Ksolar和M均为常数，取值通过试验标定查表确定，Tset为设定温度，Tamb为环境温度，Tsolar为阳光辐照强度。
如图2所示，车内热需求索引T_index用于车内鼓风机的风量控制，将车内热需求索引T_index分成两倍于风量档位数量的区间，再通过线性插值的方式与每档鼓风机输出电压一一对应。
如图3所示，车内热需求索引T_index用于车内模式风门驱动器的控制，将车内热需求索引T_index分成五个区间，第一个区间为吹面模式，第三个区间为吹面+吹脚模式，第五个区间为吹脚模式，第二区间和第四区间分别为两个回差控制区间。
(3)当环境温度判定为冬季时，压缩机不工作，混合风门驱动器处于全暖位置，不参与混风，仅通过控制加热器表面温度来间接控制空调出风温度，
根据车内热需求索引T_index计算出虚拟目标出风温度Tout_target，
Tout_target＝T_index/K，式中K为常数，取值通过试验标定查表确定；
根据计算出的虚拟目标出风温度Tout_target计算出目标加热器温度Theater_target，
Theater_target＝Tout_target+N，式中N为常数，取值通过试验标定查表确定；
以计算出的目标加热器温度Theater_target为控制目标通过PID算法调节加热器输出功率。目标加热器温度Theater_target的有效取值范围是20℃～90℃。
(4)当环境温度判定为夏季时，加热器不工作，混合风门驱动器处于全冷位置，不参与混风，仅通过控制蒸发器表面温度来间接控制空调出风温度，
根据车内热需求索引T_index计算出虚拟目标出风温度Tout_target，
Tout_target＝T_index/K，式中K为常数，取值通过试验标定查表确定；
根据计算出的虚拟目标出风温度Tout_target通过试验标定查表得出目标蒸发器温度Tevp_target；
以试验标定查表得出的目标蒸发器温度Tevp_target为控制目标通过PID算法调节压缩机输出转速。目标蒸发器温度Tevp_target的有效取值范围是2℃～20℃。
(5)当环境温度判定为春秋季时，压缩机和加热器根据目标蒸发器温度Tevp_target和目标加热器温度Theater_target分别进行PID算法调节输出，混合风门驱动器的位置根据车内热需求索引T_index、目标蒸发器温度Tevp_target和目标加热器温度Theater_target共同计算确定，
取目标蒸发器温度Tevp_target＝20℃，以目标蒸发器温度Tevp_target为控制目标通过PID算法调节压缩机输出转速；
取目标加热器温度Theater_target＝30℃，以目标加热器温度Theater_target为控制目标通过PID算法调节加热器输出功率；
计算出混风风门位置SW，
SW＝(T_index/K-Tevp_target+A)/(Theater_target-Tevp_target+A)*100％
＝(T_index/K-20℃+A)/(Theater_target-30℃+A)*100％，式中SW为混合风门位置百分比，SW＝0时为全冷，SW＝100％时为全暖位置，K和A为常数，K和A的取值通过试验标定查表确定。
本发明基于目标蒸发器温度采用PID算法控制电动压缩机转速实现对蒸发器温度的精确控制，基于目标加热器温度采用PID算法控制加热器功率实现对加热器温度的精确，从而实现精确控制出风温度的目的，避免了通过混风控制出风温度而造成的能量浪费。本发明通过控制出风模式、鼓风机以及混合风门运行的方法，达到车内目标舒适温度和舒适风量，并维持在舒适区域，实现自动控制车内舒适性的目标。
需要说明的是，以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，以上所述纯电动汽车空调为单温区自动空调，本专业技术人员在阅读本发明文档后，很容易在本发明的基础上构思出可用于双温区自动空调的控制方法，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，均在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种纯电动汽车的座舱气候自动控制系统，其特征在于：该控制系统包括控制器、环境温度传感器、车内温度传感器、蒸发器温度传感器、加热器温度传感器、阳光传感器、压缩机、加热器、鼓风机、模式风门驱动器和混合风门驱动器，环境温度传感器、车内温度传感器、蒸发器温度传感器、加热器温度传感器、阳光传感器、压缩机、加热器、鼓风机、模式风门驱动器和混合风门驱动器均与控制器电连接。
2.根据权利要求1所述的一种纯电动汽车的座舱气候自动控制系统，其特征在于：所述压缩机为集成调速控制器的电动压缩机，所述加热器为集成功率控制器的PTC加热器。
3.根据权利要求2所述的一种纯电动汽车的座舱气候自动控制系统，其特征在于：所述PTC加热器为安装在汽车空调箱体内的风暖加热器。
4.一种用于权利要求1所述纯电动汽车座舱气候自动控制系统的控制方法，其特征在于：该控制方法的步骤为：
(1)根据环境温度的不同将纯电动汽车座舱内的温度分为三个季节，分别为冬季、春秋季和夏季，然后将控制器上电，通过环境温度传感器采集环境温度Tamb，设定冬季环境温度范围为Tamb＜10℃，夏季环境温度范围为Tamb＞30℃，春秋季环境温度范围为10℃≤Tamb≤30℃；
(2)车内热需求索引T_index根据以下公式计算得出，T_index＝Kset*(Tset-22)+Kincar*(Tset-Tincar)+Kamb*Tamb+Ksolar*Tsolar+M，
式中，Kset、Kincar、Kamb、Ksolar和M均为常数，取值通过试验标定查表确定，Tset为设定温度，Tamb为环境温度，Tsolar为阳光辐照强度；
(3)当环境温度判定为冬季时，压缩机不工作，混合风门驱动器处于全暖位置，不参与混风，仅通过控制加热器表面温度来间接控制空调出风温度，
根据车内热需求索引T_index计算出虚拟目标出风温度Tout_target，
Tout_target＝T_index/K，式中K为常数，取值通过试验标定查表确定；
根据计算出的虚拟目标出风温度Tout_target计算出目标加热器温度Theater_target，
Theater_target＝Tout_target+N，式中N为常数，取值通过试验标定查表确定；
以计算出的目标加热器温度Theater_target为控制目标通过PID算法调节加热器输出功率；
(4)当环境温度判定为夏季时，加热器不工作，混合风门驱动器处于全冷位置，不参与混风，仅通过控制蒸发器表面温度来间接控制空调出风温度，
根据车内热需求索引T_index计算出虚拟目标出风温度Tout_target，
Tout_target＝T_index/K，式中K为常数，取值通过试验标定查表确定；
根据计算出的虚拟目标出风温度Tout_target通过试验标定查表得出目标蒸发器温度Tevp_target；
以试验标定查表得出的目标蒸发器温度Tevp_target为控制目标通过PID算法调节压缩机输出转速；
(5)当环境温度判定为春秋季时，压缩机和加热器根据目标蒸发器温度Tevp_target和目标加热器温度Theater_target分别进行PID算法调节输出，混合风门驱动器的位置根据车内热需求索引T_index、目标蒸发器温度Tevp_target和目标加热器温度Theater_target共同计算确定，
取目标蒸发器温度Tevp_target＝20℃，以目标蒸发器温度Tevp_target为控制目标通过PID算法调节压缩机输出转速；
取目标加热器温度Theater_target＝30℃，以目标加热器温度Theater_target为控制目标通过PID算法调节加热器输出功率；
计算出混风风门位置SW，
SW＝(T_index/K-Tevp_target+A)/(Theater_target-Tevp_target+A)*100％＝(T_index/K-20℃+A)/(Theater_target-30℃+A)*100％，式中SW为混合风门位置百分比，SW＝0时为全冷，SW＝100％时为全暖位置，K和A为常数，K和A的取值通过试验标定查表确定。
5.根据权利要求4所述的纯电动汽车座舱气候自动控制系统的控制方法，其特征在于：所述步骤(2)中车内热需求索引T_index用于车内鼓风机的风量控制，将车内热需求索引T_index分成两倍于风量档位数量的区间，再通过线性插值的方式与每档鼓风机输出电压一一对应。
6.根据权利要求4所述的纯电动汽车座舱气候自动控制系统的控制方法，其特征在于：所述步骤(2)中车内热需求索引T_index用于车内模式风门驱动器的控制，将车内热需求索引T_index分成五个区间，第一个区间为吹面模式，第三个区间为吹面+吹脚模式，第五个区间为吹脚模式，第二区间和第四区间分别为两个回差控制区间。
7.根据权利要求4所述的纯电动汽车座舱气候自动控制系统的控制方法，其特征在于：所述步骤(3)中目标加热器温度Theater_target的有效取值范围是20℃～90℃。
8.根据权利要求4所述的纯电动汽车座舱气候自动控制系统的控制方法，其特征在于：所述步骤(4)中目标蒸发器温度Tevp_target的有效取值范围是2℃～20℃。
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