CN112677734B - 一种ptc电阻和风机系统联合电力电子控温方法与系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种PTC电阻和风机系统联合电力电子控温方法及系统，方法包括建立风速‑PTC电阻温度表；以设定温度和环境温度差值为基础值，查询风速‑PTC加热器温度表得到PTC电阻表面的目标温度和风机的风速值；以PTC电阻表面的目标温度为给定量，以PTC电阻的实际温度作为反馈量，计算得到下一控制周期PTC电阻的功率值，再以PTC电阻的实际功率值作为反馈量，设定PTC电阻的PWM占空比，控制PTC电阻表面的温度；以风机的风速值为给定量换算得到下一控制周期风机的功率值，再以风机的实际功率值作为反馈量，设定风机的PWM占空比，控制风机的风速。本发明提供的联合电力电子控温系统基于功率实时匹配算法得到实时的风速和PTC电阻温度的最优匹配值，使系统工作在最佳状态。
Description
技术领域
本发明属于电加热控制领域，更具体地，涉及一种PTC(Positive TemperatureCoefficient，正温度系数)电阻和风机系统联合电力电子控温方法及系统。
背景技术
传统燃油车可以利用发动机余热来进行车内供暖，而电动汽车电机能源利用率高发热量小，不能满足冬季采暖需求。PTC电加热器因为其制热安全，耐久性好，制造成本低，制热功率恒定受环境影响小等优势逐渐成为电动汽车制热的一种主流方式。
PTC电阻的发热功率控制方式按照发展历史来看一般有如下几种：用户档位直接调节方式、PWM占空比调节方式、PID温控方式。用户档位直接调节方式也即开环方式通过档位调节来控制发热功率。调温方式简单，但功率不能连续调节，不能精确控温且能源利用率不高用户体验感较差。同时因为在开车过程中还需要用户去手动调节，会分散司机注意力存在安全隐患。PWM占空比调节方式在开环技术上改进，做到功率无级调节但是同样是开环形式，温度没有反馈，无法精确控温，粗放的加热方式会导致电能浪费。PID闭环温控方式进一步改进，可以根据室内温度和给定温度的差值动态调节发热功率，能量利用率和用户体验感相对较好，但是没有考虑到PTC表面的风速对散热速率的影响，存在风道损失，存在进一步的优化空间。
车载PTC加热系统，有风冷和水冷两种方式。风冷PTC发热方式涉及风机散热和PTC电阻制热两个系统，这两个系统存在一定的相互制约关系。具体表现为PTC发热系统负责将电能转化为热能，风机系统负责给PTC电阻降温，把热量以强制对流的方式从PTC电阻表面传递到车厢内。稳态时，PTC电阻的产热功率等于PTC电阻的散热功率。风机风速过低时，PTC电阻散热不充分会导致异常升温，导致功率下降甚至PTC电阻本身烧毁。风机风速过高则会导致风道噪声，导致不必要的能源浪费同时也影响用户体验。
同时，由于没有引入风速作为控制量，风机故障时常常会导致PTC模块空烧，造成PTC电阻烧毁甚至电路起火等一系列严重后果。因此，只有两个系统联合调整，才能使系统以高效、舒适的方式运作。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提出一种PTC电阻和风机系统联合电力电子控温方法与系统，旨在解决现有PTC电阻温控系统热模型单一，控制精度差能量浪费的问题。
本发明一方面提供一种PTC电阻和风机系统联合电力电子温控方法，包括以下步骤：
通过神经网络拟合寻优的方式建立风速-PTC电阻温度表；
以设定温度和环境温度差值为基础值，查询风速-PTC电阻温度表得到PTC电阻表面的目标温度和风机的风速值；
以查表得到的PTC电阻表面的目标温度为给定量，以PTC电阻的实际温度作为反馈量，通过PI控制方法计算得到下一控制周期PTC电阻的功率值；以所述下一控制周期PTC电阻的功率值为给定量，以PTC电阻的实际功率值作为反馈量，通过PI控制方法设定PTC电阻的PWM占空比，控制PTC电阻表面的温度；以所述风机的风速值为给定量换算得到下一控制周期风机的功率值，以所述下一控制周期风机的功率值为给定量，以风机的实际功率值作为反馈量，通过PI控制方法设定风机的PWM占空比，控制风机的风速。
进一步地，通过神经网络拟合寻优的方式建立风速-PTC电阻温度表具体为：以PTC电阻的发热功率和风机功率的和为成本函数通过迭代寻优的方式找到不同温度下的PTC电阻表面最佳温度和风速对应值。
本发明另一方面提供一种PTC电阻和风机系统联合电力电子控温系统，包括：
制表模块，用于通过神经网络拟合寻优的方式建立风速-PTC电阻温度表；
查询模块，用于以设定温度和环境温度差值为基础值，查询风速-PTC电阻温度表得到PTC电阻表面的目标温度和风机的风速值；
控制模块，用于以查表得到的PTC电阻表面的目标温度为给定量，以PTC电阻的实际温度作为反馈量，通过PI控制方法计算得到下一控制周期PTC电阻的功率值；以所述下一控制周期PTC电阻的功率值为给定量，以PTC电阻的实际功率值作为反馈量，通过PI控制方法设定PTC电阻的PWM占空比，控制PTC电阻表面的温度；以所述风机的风速值为给定量换算得到下一控制周期风机的功率值，以所述下一控制周期风机的功率值为给定量，以风机的实际功率值作为反馈量，通过PI控制方法设定风机的PWM占空比，控制风机的风速。
进一步地，制表模块通过神经网络拟合寻优的方式建立风速-PTC电阻温度表具体为：以PTC电阻的发热功率和风机功率的和为成本函数通过迭代寻优的方式找到不同温度下的PTC电阻表面最佳温度和风速对应值，具体以当前控制周期PTC电阻温度、环境温度、风机功率为输入神经单元，下一控制周期PTC电阻温度、风机风速为输出神经单元，通过建立BP神经网络，迭代寻优的方式找到对应温度下最优的PTC电阻表面温度和风速对应关系。
进一步地，系统还包括系统状态检测模块，用于通过不同传感器采样并换算的方式，实时监测系统的状态量，被监测的状态量包括：PTC电阻表面的温度、风道出风口温度、PTC电阻实时电压、PTC电阻实时电流、风机实时电压、风机实时电流。
进一步地，系统还包括保护模块，用于通过对系统状态量的实时采集和比较来监视系统状态，对异常状态的不同处理方式可以实现系统可靠运行，减少系统故障概率，同时对发生的故障进行存储和上报，方便工作人员的检修。
进一步地，系统还包括PTC电阻开启控制模块，用于当风机开启后并且检测到PTC电阻表面温度、风道出风口温度、PTC电阻实时电压在额定范围内才开启控制PTC电阻加热的IGBT。
进一步地，PTC电阻加热器开启控制模块包括系统故障诊断单元，用于当检测到PTC电阻加热器系统状态量超过临界保护值，PTC电阻加热器立即关闭，同时保持风机维持一定时间开启帮助散热；当检测到风机系统状态量超过临界保护值，PTC电阻加热器立即关闭，同时风机系统立即关闭。
通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，能够取得以下有益效果：
1、本发明提供的PTC电阻和风机系统联合电力电子控温系统基于功率实时匹配算法得到实时的风速和PTC电阻温度的最优匹配值，使系统工作在最佳状态。
2、同时考虑了风速和PTC电阻温度这两个会影响制热的因素，减少了能源的不必要浪费，同时减少了用户的手动干预提高了行车安全性，同时一定程度上降低了风道噪音改善了用户体验。
3、同时能够实时监测系统运行状态，依据系统状态量判断系统各个模块是否发生故障，对不同的故障有不同的处理方式。提升了PTC电阻加热系统运行的安全性、可靠性。同时对故障进行上报和存储，更利于后续故障排查和维修。
附图说明
图1是本发明提供的PTC电阻和风机系统联合电力电子控温方法的控制框图；
图2是本发明采用的PI控制结构框图；
图3是PTC电阻的热阻特性图；
图4是本发明获取风速PTC温度表BP神经网络模型拓扑结构图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间不构成冲突就可以相互组合。
本发明提供了一种PTC电阻和风机系统联合电力电子温控方法，如图1所示，包括以下步骤：
通过神经网络拟合寻优的方式建立风速-PTC电阻温度表；
以设定温度和环境温度差值为基础值，查询风速-PTC电阻温度表得到PTC电阻表面的目标温度和风机的风速值；
以查表得到的PTC电阻表面的目标温度为给定量，以PTC电阻的实际温度作为反馈量，通过PI控制方法计算得到下一控制周期PTC电阻的功率值；以所述下一控制周期PTC电阻的功率值为给定量，以PTC电阻的实际功率值作为反馈量，通过PI控制方法设定PTC电阻的PWM占空比，控制PTC电阻表面的温度；以所述风机的风速值为给定量换算得到下一控制周期风机的功率值，以所述下一控制周期风机的功率值为给定量，以风机的实际功率值作为反馈量，通过PI控制方法设定风机的PWM占空比，控制风机的风速。
具体地，通过神经网络拟合寻优的方式建立风速-PTC电阻温度表具体为：以PTC电阻的发热功率和风机功率的和为成本函数通过迭代寻优的方式找到不同温度下的PTC电阻表面最佳温度和风速对应值。
本发明还提供了本发明另一方面提供一种PTC电阻和风机系统联合电力电子控温系统，包括制表模块，用于通过神经网络拟合寻优的方式建立风速-PTC电阻温度表；
查询模块，用于以设定温度和环境温度差值为基础值，查询风速-PTC电阻温度表得到PTC电阻表面的目标温度和风机的风速值；
控制模块，用于以查表得到的PTC电阻表面的目标温度为给定量，以PTC电阻的实际温度作为反馈量，通过PI控制方法计算得到下一控制周期PTC电阻的功率值；以所述下一控制周期PTC电阻的功率值为给定量，以PTC电阻的实际功率值作为反馈量，通过PI控制方法设定PTC电阻的PWM占空比，控制PTC电阻表面的温度；以所述风机的风速值为给定量换算得到下一控制周期风机的功率值，以所述下一控制周期风机的功率值为给定量，以风机的实际功率值作为反馈量，通过PI控制方法设定风机的PWM占空比，控制风机的风速。具体如图2所示。
具体地，制表模块通过神经网络拟合寻优的方式建立风速-PTC电阻温度表具体为以PTC电阻的发热功率和风机功率的和为成本函数通过迭代寻优的方式找到不同温度下的PTC电阻表面最佳温度和风速对应值，具体以当前控制周期PTC电阻温度、环境温度、风机功率为输入神经单元，下一控制周期PTC电阻温度、风机风速为输出神经单元，通过建立BP神经网络，迭代寻优的方式找到对应温度下最优的PTC电阻表面温度和风速对应关系。
具体地，系统还包括系统状态检测模块，用于通过不同传感器采样并换算的方式，实时监测系统的状态量。由于PTC电阻是温度阻值非线性对应关系，热阻特性如图3所示。根据PTC电阻的本身特性和控制系统的控制目标，系统的状态量可以总结为PTC表面温度、风道出风口温度、PTC电阻实时电压、PTC电阻实时电流、风机实时电压、风机实时电流六个。
被监测的状态量包括：PTC电阻表面的温度、风道出风口温度、PTC电阻实时电压、PTC电阻实时电流、风机实时电压、风机实时电流。
具体地，系统还包括保护模块，用于通过对系统状态量的实时采集和比较来监视系统状态，对异常状态的不同处理方式可以实现系统可靠运行，减少系统故障概率，同时对发生的故障进行存储和上报，方便工作人员的检修。
具体地，系统还包括PTC电阻开启控制模块，用于当风机开启后并且检测到PTC电阻表面温度、风道出风口温度、PTC电阻实时电压在额定范围内才开启控制PTC电阻的IGBT。
具体地，PTC电阻加热器开启控制模块包括系统故障诊断单元，用于当检测到PTC电阻加热器系统状态量超过临界保护值，PTC电阻加热器立即关闭，同时保持风机维持一定时间开启帮助散热；当检测到风机系统状态量超过临界保护值，PTC电阻加热器立即关闭，同时风机系统立即关闭。
实施例
本实施例提供的汽车空调控制器的PTC电阻控制方法，包括以下步骤：
步骤一：根据现有的设备搭建硬件平台。采用分层采样法对不同温差下(PTC电阻温度和环境温度差值)不同风机功率(也就是风速)下，PTC电阻的功率和风机的功率值进行采样并记录。每次采集风机功率梯度为10瓦特，温差梯度为1摄氏度。
步骤二：进行数据清洗，对选取环境温度、PTC温度、风机功率和PTC功率四个特征量。根据经验对收集到的数据进行初步判断，如果发现样本标记可能有误，则再次实验进行验证。对这四个特征值进行归一化处理。
步骤三：建立BP神经网络模型，如图4所示，寻找特定温差下，PTC电阻功率达到要求值的最小风机功率。将环境温度和PTC温度温差、风机功率作为输入层的两个神经元，风机的风速和PTC电阻表面温度作为输出层的两个神经元，隐含层数及神经元个数的选取通过试错法确定为2和4。
选取激活函数：神经网络凭借激活函数得以拟合非线性函数，如果没有激活函数，无论多少个神经元相连，其输出都是一个线性的函数。通过比较常见的Sigmoid、Tanh、Relu后选择Relu函数作为最优激活函数。
选取优化算法。优化算法帮助神经网络改善训练方式，其通过计算并更新影响模型训练及输出的网络参数，使搜索过程最快，实现最小化损失函数的目的。
通过比较常见的随机梯度下降(SGD)法、梯度下降优化(Adam)、拟牛顿法(quasi-Newton)，选取RMSE最小的拟牛顿法作为BP神经网络优化算法。在分别确定激活函数和优化算法的选取之后，又确定了迭代次数和学习率的取值分别为45和0.3。
对最后得到的结果进行筛选，筛除不合理的选项。对剩余项进行分段线性拟合可得风速和PTC温度最优匹配关系。进而得到风速PTC温度表。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种PTC电阻和风机系统联合电力电子控温方法，其特征在于，包括以下步骤：
通过神经网络拟合寻优的方式建立风速-PTC电阻温度表，所述风速-PTC电阻温度表表征风速和PTC温度最优对应关系；具体为：以PTC电阻的发热功率和风机功率的和为成本函数通过迭代寻优的方式找到不同温度下的PTC电阻表面最佳温度和风速对应值；具体以当前控制周期PTC电阻温度、环境温度、风机功率为输入神经单元，下一控制周期PTC电阻温度、风机风速为输出神经单元，通过训练BP神经网络，迭代寻优的方式找到对应温度下最优的PTC电阻表面温度和风速对应关系
以设定温度和环境温度差值为基础值，查询风速-PTC加热器温度表得到PTC电阻表面的目标温度和风机的风速值；
以查表得到的PTC电阻表面的目标温度为给定量，以PTC电阻的实际温度作为反馈量，通过PI控制方法计算得到下一控制周期PTC电阻的功率值；以所述下一控制周期PTC电阻的功率值为给定量，以PTC电阻的实际功率值作为反馈量，通过PI控制方法设定PTC电阻的PWM占空比，控制PTC电阻表面的温度；以所述风机的风速值为给定量换算得到下一控制周期风机的功率值，以所述下一控制周期风机的功率值为给定量，以风机的实际功率值作为反馈量，通过PI控制方法设定风机的PWM占空比，控制风机的风速。
2.一种PTC电阻和风机系统联合电力电子控温系统，其特征在于，包括：
制表模块，用于通过神经网络拟合寻优的方式建立风速-PTC电阻温度表；具体为：以PTC电阻的发热功率和风机功率的和为成本函数通过迭代寻优的方式找到不同温度下的PTC电阻表面最佳温度和风速对应值，具体以当前控制周期PTC电阻温度、环境温度、风机功率为输入神经单元，下一控制周期PTC电阻温度、风机风速为输出神经单元，通过训练BP神经网络，迭代寻优的方式找到对应温度下最优的PTC电阻表面温度和风速对应关系；
查询模块，用于以设定温度和环境温度差值为基础值，查询风速-PTC电阻温度表得到PTC电阻表面的目标温度和风机的风速值；
控制模块，用于以查表得到的PTC电阻表面的目标温度为给定量，以PTC电阻的实际温度作为反馈量，通过PI控制方法计算得到下一控制周期PTC电阻的功率值；以所述下一控制周期PTC电阻的功率值为给定量，以PTC电阻的实际功率值作为反馈量，通过PI控制方法设定PTC电阻的PWM占空比，控制PTC电阻表面的温度；以所述风机的风速值为给定量换算得到下一控制周期风机的功率值，以所述下一控制周期风机的功率值为给定量，以风机的实际功率值作为反馈量，通过PI控制方法设定风机的PWM占空比，控制风机的风速。
3.如权利要求2所述的PTC电阻和风机系统联合电力电子控温系统，其特征在于，还包括系统状态检测模块，用于通过不同传感器采样并换算的方式，实时监测系统的状态量，被监测的状态量包括：PTC电阻表面的温度、风道出风口温度、PTC电阻实时电压、PTC电阻实时电流、风机实时电压、风机实时电流。
4.如权利要求2所述的PTC电阻和风机系统联合电力电子控温系统，其特征在于，还包括保护模块，用于通过对系统状态量的实时采集和比较来监视系统状态。
5.如权利要求2所述的PTC电阻和风机系统联合电力电子控温系统，其特征在于，还包括PTC电阻开启控制模块，用于当风机开启后并且检测到PTC电阻表面温度、风道出风口温度、PTC电阻实时电压在额定范围内才开启控制PTC电阻的IGBT。
6.如权利要求5所述的PTC电阻和风机系统联合电力电子控温系统，其特征在于，所述PTC电阻开启控制模块包括系统故障诊断单元，用于当检测到PTC电阻系统状态量超过临界保护值，PTC电阻立即关闭，同时保持风机维持一定时间开启帮助散热；当检测到风机系统状态量超过临界保护值，PTC电阻立即关闭，同时风机系统立即关闭。
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