CN114274729B

CN114274729B - Co2热泵系统的控制方法

Info

Publication number: CN114274729B
Application number: CN202111585106.9A
Authority: CN
Inventors: 杜文龙; 张亚国; 傅小嘉; 魏永盛; 魏东海
Original assignee: Dongfeng Motor Corp
Current assignee: Dongfeng Motor Corp
Priority date: 2021-12-16
Filing date: 2021-12-16
Publication date: 2023-09-05
Anticipated expiration: 2041-12-16
Also published as: CN114274729A

Abstract

本发明公开一种CO₂热泵系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：S1，确定系统的最优排气压力；S2，基于出风口的温度控制压缩机转速；S3，基于排气压力控制EXV的开度；S4，耦合调节压缩机和EXV使系统达到目标值区域。本发明能够快速识别系统的最优排气压力，避免系统来回搜索最优排气压力，而增加负荷。本发明利用增量式PID+逐步逼近法控制，可以避免系统响应大幅波动，增强稳定性。本发明将控制目标区分为4个区域，分区域单独控制压缩机和EXV，能够提高系统的响应时间，保证系统始终运行在最优区域，提高系统能效比。

Description

CO2热泵系统的控制方法

技术领域

本发明涉及热泵系统领域，尤其是一种CO₂热泵系统，具体涉及一种CO₂热泵系统的控制方法。

背景技术

电动汽车动力系统最重要的组成部分是动力电池，但是电动车电池包在低温工况下的性能衰减较大，严重影响了电动车的续航里程。常规的R134a热泵系统只能在环境温度大于15℃以上时工作，需要增加高压PTC水加热器，以应对极低温度工况下车辆的采暖需求。

CO₂热泵系统却可以在-30℃及以下极端工况下正常工作，并且具有很好的制热效果，无需额外增加高压水PTC等加热系统。现有研究资料证实，CO₂热泵工作过程中的能效比压缩机的排气压力有关，提高CO₂热泵空调系统的能效比，关键是找到系统的最优排气压力，并将系统的运行压力控制在最优压力附件。

其次，CO₂空调系统运行在跨临界状态，系统状态变化大，系统运行滞后性差，控制参数多。如何快速稳定的控制好该热泵系统，使其工作在能效比最优区域，一直是行业内研究的方向。

目前，电动汽车基本都是采用R134a热管理系统，CO₂热泵系统优于系统运行压力高，系统控制复杂等等因素暂时未能大批量应用于汽车行业。在研究的CO₂汽车热泵空调中，现有的CO₂热泵系统设计多采用极值搜索方法寻找最优排气压力，然后分别控制压缩机或电子膨胀阀。

常规的设计方案存在以下缺点：

1)存在波动和超调控制：压缩机和EXV(Electronic Expansion Valve电子膨胀阀)单独控制，系统容易来回波动；

2)抗干扰能力差：收到干扰或需求负荷变化后，系统需要很长时间才能重新恢复最优压力状态的平衡。；

3)稳定时间慢，极值搜索过程中会导致系统频繁波动。

CO₂热泵系统工作过程中存在最优排气压力，在该压力下系统的COP可以达到最优。但是最优排气压力与环境温度、系统运行状态及客户需求等息息相关。如何使得系统可以长期稳定运行在最优状态，既能保证满足客户需求，又能最大限度节约能量，需要同时兼顾以下问题：

1.如何快速锁定最优排气压力目标值，如果控制目标来回变动，系统运行也不会稳定。

2.如何解决压缩机控制和EXV控制目标不同，系统来回波动问题，两个零部件任意一个动作都会导致系统运行状态变化，系统运行不稳定。

3.如何提升系统响应时间，保证系统快速稳定最优压力点附件。

发明内容

针对背景技术存在的问题，本发明的目的在于根据CO₂空调系统特点，提供一种保证系统始终快速响应，又能抑制波动，使其始终稳定工作在最优能效比附近的CO₂热泵系统的控制方法。

为了达到上述目的，本发明设计的CO₂热泵系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1，确定系统的最优排气压力；

S2，基于出风口的温度控制压缩机转速；

S3，基于排气压力控制EXV的开度；

S4，耦合调节压缩机和EXV使系统达到目标值区域。

优选的，S1中，制热模式下，根据膨胀阀前的制冷剂温度确定对应温度下的最优排气压力；在制冷模式下，根据环境温度确定对应温度下的最优排气压力。

进一步优选的，在制热模式下，根据公式计算对应温度下的最优压力：P_{_dis}＝0.0008T_sur ³-0.0416T_sur ²+0.816T_sur+2.8056，其中T_sur表示膨胀阀前的冷却液温度。

再进一步优选的，环境温度低于-20℃，最优排压固定在6.5Mpa。

进一步优选的，制冷模式下，环境温度30～40℃温度范围时，根据公式计算对应温度下的最优压力：P_{_dis}＝-0.014T_air ²+1.102T_air-12.06，其中T_air表示环境温度。

再进一步优选的，环境温度大于40℃，最优排气压力固定为10Mpa。

更进一步优选的，环境温度低于30℃，最优排气压力固定在7.5Mpa。

优选的，S2中，根据出风口的目标温度和出风口的实际温度确认压缩机要增加或降低的转速值，然后根据上述转速值的正、负，增加、降低转速，根据转速值的绝对值所在的增量区间逐步调整压缩机速率。

进一步优选的，根据公式计算压缩机转速，确认需要增加或降低的转速值：△ComP_{_Spd}＝Kp(△T_{_(k)}-△T_{_(k-1)})+Ki*△T_{_(k)}+Kd(△T_{_(k)}-2△T_{_(k-1)}+△T_{_(k-2)})，其中△T_{_(k)}＝T_{_Set(k)}-T_{_Current(k)}；T_{_Set(k)}—出风口温度目标值；T_{_Current(k)}出风口温度实际值，Kp：比例增益系数，KI：积分系数，Kd：微分系数。

再进一步优选的，按照以下增量区间调整压缩机速率：

当|△ComP_{_Spd}|∈[1000，+∞)，实际调整速率为±100rpm/s；

当|△ComP_{_Spd}|∈[500，1000)，实际调整速率为±50rpm/s；

当|△ComP_{_Spd}|∈[100，500)，实际调整速率为±30rpm/s；

当|△ComP_{_Spd}|∈[50，100)，实际调整速率为±20rpm/s；

当|△ComP_{_Spd}|∈[0，50)，实际调整速率为±10rpm/s。

优选的，S3中，根据压缩机排气压力目标值和压缩机排气实际值确认EXV的开度，然后根据上述开度值的正、负，增加、减少开度，根据开度的绝对值所在的增量区间逐步调整EXV开度。

进一步优选的，通过公式计算EXV需要增加或降低的开度值：

△EXV_{_ctrl}＝Kp(△P_{_(k)}-△P_{_(k-1)})+Ki*△P_{_(k)}+Kd(△P_{_(k)}-2△P_{_(k-1)}+△P_{_(k-2)})，其中△P_{_(k)}＝P_{_Set(k)}-P_{_Current(k)}；P_{_Set(k)}压缩机排气压力目标值；P_{_Current(k)}压缩机排气压力实际值，Kp：比例增益系数，KI：积分系数，Kd：微分系数。

进一步优选的，按照以下增量区间调整EXV开度：

当|△EXV_{_ctrl}|∈[100，+∞)，实际调整速率为±5PPS/s；

当|△EXV_{_ctrl}|∈[50，100)，实际调整速率为±2PPS/s；

当|△EXV_{_ctrl}|∈[10，50)，实际调整速率为±1PPS/s；

当|△EXV_{_ctrl}|∈[0，10)，实际调整速率为±1PPS/2s。

优选的，S4中，以出风口温度为横坐标，排气压力为纵坐标建立坐标系；用目标温度和最优压力将上述坐标系的第一象限分成四个区域，按照象限划分命名规则依次将上述四个区域分为第一区域至第四区域；根据当前排气压力和当前出风口温度生成的坐标所在的区域独立控制：每个区域通过控制压缩机转速或控制EXV的开度使系统达到目标值区域。

进一步优选的，在所述第一区域内，保持压缩机转速不变，通过调节EXV开度使系统状态回到目标值区域。

进一步优选的，在所述第二区域内，保持EXV开度不变，通过调节压缩机转速使系统状态回到目标值区域。

进一步优选的，在所述第三区域内，保持压缩机转速不变，通过调节EXV开度使系统状态回到目标值区域。

进一步优选的，在所述第四区域内，保持EXV开度不变，通过调节压缩机转速使系统状态回到目标值区域。

本发明的有益效果是：本发明能够快速识别系统的最优排气压力，避免系统来回搜索最优排气压力，而增加负荷。本发明利用增量式PID+逐步逼近法控制，可以避免系统响应大幅波动，增强稳定性。本发明将控制目标区分为4个区域，分区域单独控制压缩机和EXV，能够提高系统的响应时间，保证系统始终运行在最优区域，提高系统能效比。

附图说明

图1是本发明原理框图

图2是本发明控制示意图

具体实施方式

下面通过图1～图2以及列举本发明的一些可选实施例的方式，对本发明的技术方案(包括优选技术方案)做进一步的详细描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，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。

本发明设计的CO₂热泵系统的控制方法，如图1所示，包括以下步骤：

S1，确定系统的最优排气压力：

1)制热模式下，根据膨胀阀前的制冷剂温度确定对应温度下的最优排气压力：

a)检测膨胀阀前的制冷剂温度，根据公式计算对应温度下的最优压力：P_{_dis}＝0.0008T_sur ³-0.0416T_sur ²+0.816T_sur+2.8056，其中T_sur表示膨胀阀前的冷却液温度。

b)环境温度低于-20℃，最优排压固定在6.5Mpa。

2)在制冷模式下，根据环境温度确定对应温度下的最优排气压力：

a)环境温度30～40℃温度范围时，根据公式计算对应环境温度下的最优压力：P_{_dis}＝-0.014T_air ²+1.102T_air-12.06，其中T_air表示环境温度。

b)环境温度大于40℃，最优排气压力固定为10Mpa。

c)环境温度低于30℃，最优排气压力固定在7.5Mpa。

S2，基于出风口的温度控制压缩机转速：根据出风口的目标温度和出风口的实际温度确认压缩机要增加或降低的转速值，然后根据上述转速值的正、负，增加、降低转速，根据转速值的绝对值所在的增量区间逐步调整压缩机速率。

根据系统的运行模式，采用增量式PID控制方式+逐步逼近法控制压缩机的转速：

a)根据公式计算压缩机转速，确认需要增加或降低的转速值：

△ComP_{_Spd}＝Kp(△T_{_(k)}-△T_{_(k-1)})+Ki*△T_{_(k)}+Kd(△T_{_(k)}-2△T_{_(k-1)}+△T_{_(k-2)})，其中△T_{_(k)}＝T_{_Set(k)}-T_{_Current(k)}；T_{_Set(k)}—出风口温度目标值；T_{_Current(k)}出风口温度实际值，Kp：比例增益系数，KI：积分系数，Kd：微分系数。

b)通过a)计算出来的转速不是直接控制压缩机运行，而是根据不同的增量区间逐步调整，具体的，按照以下增量区间调整压缩机速率：

当|△ComP_{_Spd}|∈[1000，+∞)，实际调整速率为±100rpm/s；

当|△ComP_{_Spd}|∈[500，1000)，实际调整速率为±50rpm/s；

当|△ComP_{_Spd}|∈[100，500)，实际调整速率为±30rpm/s；

当|△ComP_{_Spd}|∈[50，100)，实际调整速率为±20rpm/s；

当|△ComP_{_Spd}|∈[0，50)，实际调整速率为±10rpm/s。

△ComP_Spd计算出来的结果有正有负，正值——增加转速，负值——降低转速，根据绝对值调整速率。

S3，基于排气压力控制EXV的开度：根据压缩机排气压力目标值和压缩机排气实际值确认EXV的开度，然后根据上述开度值的正、负，增加、减少开度，根据开度的绝对值所在的增量区间逐步调整EXV开度。

根据系统的运行模式，采用增量式PID控制+逐步逼近法控制EXV的开度：

a)通过公式计算EXV需要增加或降低的开度值：

b)通过a)计算出来的开度不是直接控制EXV运行，而是根据不同的增量区间逐步调整：按照以下增量区间调整EXV开度：

当|△EXV_{_ctrl}|∈[100，+∞)，实际调整速率为±5PPS/s；

当|△EXV_{_ctrl}|∈[50，100)，实际调整速率为±2PPS/s；

当|△EXV_{_ctrl}|∈[10，50)，实际调整速率为±1PPS/s；

当|△EXV_{_ctrl}|∈[0，10)，实际调整速率为±1PPS/2s。

△EXV_{_ctrl}计算出来的结果有正有负，正值——增加开度，负值——降小开度，根据绝对值调整速率。

S4，压缩机和EXV耦合调节：以出风口温度为横坐标，排气压力为纵坐标建立坐标系；用目标温度和最优压力将上述坐标系的第一象限分成四个区域，按照象限划分命名规则依次将上述四个区域分为第一区域至第四区域；根据当前排气压力和当前出风口温度生成的坐标所在的区域独立控制：每个区域通过控制压缩机转速或控制EXV的开度使系统达到目标值区域。

目标值区域——如图2中四条虚交叉围成的区域，虚线是目标值允许的范围。本发明采用四象限法分区域单独控制。在①～④各个区域内，压缩机和EXV需要耦合控制，不能同时按照各自的算法控制。通过区分不同的象限，在每个象限区域内均只有一个零件在进行调节，可以最大限度保证系统的稳定性。

在①象限区域，属于压力偏高而出风温度未达到目标值。在该区域内，压缩机转速要保持不变，通过调节EXV开度使系统状态回到目标值区域。

在②象限区域，属于压力偏高而出风温度超调。在该区域内EXV开度保持不变，通过调节压缩机转速使系统状态回到目标值区域。

在③象限区域，属于压力偏低而出风温度超调。在该区域内，压缩机转速要保持不变，通过调节EXV开度使系统状态回到目标值区域。

在④象限区域，属于压力偏低而出风温度未达到目标值。在该区域内，EXV开度要保持不变，通过调节压缩机转速使系统状态回到目标值区域。

在该步骤中，除了需要保持不变的状态外，压缩机和EXV的控制算法依据S2和S3步骤中的方法执行。

本领域技术人员容易理解，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不以限制本发明，凡在本发明的精神和原则下所做的任何修改、组合、替换、改进等均包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种CO₂热泵系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1，确定系统的最优排气压力：在制热模式下，根据膨胀阀前的制冷剂温度确定对应温度下的最优排气压力：P_{_dis}= 0.0008 T_sur ³ - 0.0416 T_sur ² + 0.816 T_sur + 2.8056，其中T_sur表示膨胀阀前的冷却液温度，环境温度低于-20℃，最优排压固定在6.5Mpa；制冷模式下，根据环境温度确定对应温度下的最优排气压力：环境温度30～40℃温度范围时，根据公式计算对应温度下的最优压力：P_{_dis}=-0.014T_air ²+1.102T_air- 12.06，其中T_air表示环境温度；环境温度大于40℃，最优排气压力固定为10Mpa；环境温度低于30℃，最优排气压力固定在7.5Mpa；

S2，基于出风口的温度控制压缩机转速；

S3，基于排气压力控制EXV的开度；

S4，耦合调节压缩机和EXV使系统达到目标值区域：以出风口温度为横坐标，排气压力为纵坐标建立坐标系；用目标温度和最优压力将上述坐标系的第一象限分成四个区域，按照象限划分命名规则依次将上述四个区域分为第一区域至第四区域；根据当前排气压力和当前出风口温度生成的坐标所在的区域独立控制：每个区域通过控制压缩机转速或控制EXV的开度使系统达到目标值区域。

2.根据权利要求1所述的CO₂热泵系统的控制方法，其特征在于：S2中，根据出风口的目标温度和出风口的实际温度确认压缩机要增加或降低的转速值，然后根据上述转速值的正、负，增加、降低转速，根据转速值的绝对值所在的增量区间逐步调整压缩机速率。

3.根据权利要求2所述的CO₂热泵系统的控制方法，其特征在于：根据公式计算压缩机转速，确认需要增加或降低的转速值：△ComP_{_Spd}=Kp（△T_{_（k）}- △T_{_（k-1）}）+Ki *△T_{_（k）}+Kd （△T_{_（k）}- 2△T_{_（k-1）}+△T_{_（k-2）}），其中△T_{_（k）}=T_{_Set（k）}-T_{_Current（k）}；T_{_Set（k）}—出风口温度目标值；T_{_Current（k）}出风口温度实际值，Kp：比例增益系数，KI：积分系数，Kd：微分系数；按照以下增量区间调整压缩机速率：

当|△ComP_{_Spd}|∈[1000，+∞），实际调整速率为±100 rpm/s；

当|△ComP_{_Spd}|∈[500，1000），实际调整速率为±50 rpm/s；

当|△ComP_{_Spd}|∈[100，500），实际调整速率为±30 rpm/s；

当|△ComP_{_Spd}|∈[50，100），实际调整速率为±20 rpm/s；

当|△ComP_{_Spd}|∈[0，50），实际调整速率为±10 rpm/s。

4.根据权利要求1所述的CO₂热泵系统的控制方法，其特征在于：S3中，根据压缩机排气压力目标值和压缩机排气实际值确认EXV的开度，然后根据上述开度值的正、负，增加、减少开度，根据开度的绝对值所在的增量区间逐步调整EXV开度。

5.根据权利要求4所述的CO₂热泵系统的控制方法，其特征在于：通过公式计算EXV需要增加或降低的开度值：

△EXV_{_ctrl}= Kp（△P_{_（k）}- △P_{_（k-1）}）+Ki *△P_{_（k）}+Kd （△P_{_（k）}- 2△P_{_（k-1）}+△P_{_（k-2）}），其中△P_{_（k）}=P_{_Set（k）}-P_{_Current（k）}；P_{_Set（k）}压缩机排气压力目标值；P_{_Current（k）}压缩机排气压力实际值，Kp：比例增益系数，KI：积分系数，Kd：微分系数；

按照以下增量区间调整EXV开度：

当|△EXV_{_ctrl}|∈[100，+∞），实际调整速率为±5 PPS/s；

当|△EXV_{_ctrl}|∈[50，100），实际调整速率为±2 PPS/s；

当|△EXV_{_ctrl}|∈[10，50），实际调整速率为±1 PPS/s；

当|△EXV_{_ctrl}|∈[0，10），实际调整速率为±1 PPS/2s。

6.根据权利要求1所述的CO₂热泵系统的控制方法，其特征在于：在第一区域内，保持压缩机转速不变，通过调节EXV开度使系统状态回到目标值区域；在第二区域内，保持EXV开度不变，通过调节压缩机转速使系统状态回到目标值区域；在第三区域内，保持压缩机转速不变，通过调节EXV开度使系统状态回到目标值区域；在第四区域内，保持EXV开度不变，通过调节压缩机转速使系统状态回到目标值区域。