基于PI控制的电动汽车低能耗电动空调策略研究

电动汽车空调是影响整车能耗的1个重要因素，降 低空调能耗有利于提高续航[1]。通过对汽车空调制冷模 式下压缩机转速对汽车空调运行参数的影响进行分析， 调整并优化汽车空调压缩机的转速，有利于提高用户的 使用感受[2]。随着汽车空调技术的发展，自动空调和电 动热泵式空调系统等均有较好的应用[3]；前期投入市场 的电动汽车已有较大的保有量，不能忽视其空调系统对 能源利用率的比重，通过对空调控制策略优化并以升级 软件的方式，是1种切实有效的改善办法[4]。

以市场某电动紧凑型SUV为例，其空调制冷系统 由车辆控制器（VCU）采集AC开关、温度值和压力值 等，驱动冷却风扇。VCU完成空调系统的主要控制内 容，通过CAN总线向空调压缩机控制器（EAC）发送转 速指令，后者响应VCU转速命令并反馈给VCU实际工 作状态。鉴于原电动汽车空调控制策略相对粗糙，能耗 较大，且用户感受也不适宜[5]，在保持整车空调系统保 持原有结构上，提出一种PI控制的空调压缩机转速控制策略，以最小成本对电动空调系统制冷功能进行优化。

1   整车结构和控制系统简介

电动汽车采用前置前驱单电机和减速器布置方式，空调压缩机由动力电池供电，动力部分工作原理如示意图1所示。由动力电池经高压分线盒给驱动电机供电，电机通过减速器驱动车轮，实行车辆行驶；由动力电池经高压分线盒给空调压缩机供电，同时动力电池为DC-DC逆变器供电，转换成低压12v给蓄电池充电及整车低压用电器供电。主要相关控制器包括车辆控制器(VCU)、电池管理系统(BMS)、电机控制器(MCU)、空调压缩机控制器(EAC)和逆变器控制器(DCDC)，各控制器之间通过CAN信号通讯。车辆控制系统（VCU）通过硬线采集油门踏板、换挡机构、刹车踏板、车辆模式开关等组件的状态，然后根据各系统的状态和驾驶员请求，再向各模块控制单元下发相应的控制指令，各控制模块协作完成车辆行驶。车辆控制系统（VCU）通过硬线连接温度传感器、压力传感器和空调面板AC开关，采集车外环境温度、蒸发器温度、高低压开关状态、中压开关状态和AC开关状态。

图1 整车结构和控制系统图

2   空调系统组成

电动汽车空调系统包括空调压缩机及控制器（EAC）、冷凝器、外温传感器、管路及压力开关、膨胀阀、制冷剂、鼓风机、冷凝风扇和HVAC总成等，其中HVAC总成又包括蒸发器、蒸发器温度传感器和PTC等[6][7]。空调系统示意图如图2所示。

图2 空调系统示意图

3   空调控制策略

原电动汽车空调控制策略为以车速和环境温度查表得到压缩机转速，这种控制策略相对粗糙，能耗较大，且用户感受也适宜。鉴于已有电动汽车空调结构的限制和成本控制，在尽量不改动车辆硬件配置的前提下，仅通过软件优化来改善空调的使用效率，降低空调能耗，提升用户的空调使用舒适度。空调出风口温度主要取决于蒸发器温度，通过不同的环境温度段规划空调制冷挡位和蒸发器温度，通过PI控制压缩机转速实现蒸发器的实际温度稳定在目标温度。

3.1空调制冷挡位规划

由于早期电动汽车空调功能配置较低，根据空调的实际使用需求，以环境温度为参考划分出空调5个较为实用的挡位，并规划五个挡位下蒸发器的目标温度，这种由外温决定制冷挡位的方法解决了空调面板配置低的限制，也为用户相对智能的完了空调挡位控制，出风口温度接近于蒸发器温度[8] [9]。具体参数如表1所示。

表1 空调挡位规划参数

3.2 PI控制压缩机转速

车辆控制器（VCU）连接环境温度传感器和蒸发器温度传感器，采集并解析其实际温度值。根据上一节方案环境温度选择了蒸发器目标温度，以其与蒸发器实际温度的差值进行PI控制计算得出空调压缩机转速，并经过转速上升和下降的梯度处理，防止加速过快引起的抖动，输出压缩机控制转速给EAC执行。蒸发器温度经过压缩机工作后稳定在目标温度值，使车内达到舒适的温度。PI控制转速原理图如图3所示。 PI控制转速模型如图4所示，空调制冷功能的模型集成于VCU模型，编译成软件刷写控制器中。

4   整车测试与结果分析

空调控制策略有5个蒸发器温度挡位，通过实车测试，使用INCA7.1记录车辆控制内部实时数据，并选择1、3和5三个挡位运用其附属工具箱Measure Data Analyzer V7.1对蒸发器实际温度和压缩机转速数据分析，验证策略的有效性[10]。

4.1 空调1挡

环境温度27-30℃，前期车型的典型方案是以2500r/min持续运转，蒸发器温度没有明确目标；现策略为空调在1挡工作，蒸发器目标温度为12℃。如图5所示，黑色曲线为压缩机转速，蓝色曲线为蒸发器温度，后面测试数据也是如此。环境温度从高于30℃降低到30℃以下，空调由2挡切换到1挡，蒸发器温度目标值也由10℃提高到12℃，压缩机转速先是从二挡的2300r/min迅速下降1000r/min附近，蒸发器温度随之升高；当蒸发器温度明显升高时，压缩机转速开始增加以便降低蒸发器温度上升速率，当蒸发器温度稳定在12℃时，压缩机转速也随之以1600r/min相对稳定的运转。

图3  PI控制转速原理图

图4  PI控制转速模型

4   整车测试与结果分析

空调控制策略有5个蒸发器温度挡位，通过实车测试，使用INCA7.1记录车辆控制内部实时数据，并选择1、3和5三个挡位运用其附属工具箱Measure Data Analyzer V7.1对蒸发器实际温度和压缩机转速数据分析，验证策略的有效性[10]。

4.1 空调1挡

环境温度27-30℃，前期车型的典型方案是以2500r/min持续运转，蒸发器温度没有明确目标；现策略为空调在1挡工作，蒸发器目标温度为12℃。如图5所示，黑色曲线为压缩机转速，蓝色曲线为蒸发器温度，后面测试数据也是如此。环境温度从高于30℃降低到30℃以下，空调由2挡切换到1挡，蒸发器温度目标值也由10℃提高到12℃，压缩机转速先是从二挡的2300r/min迅速下降1000r/min附近，蒸发器温度随之升高；当蒸发器温度明显升高时，压缩机转速开始

图5 空调1挡测试结果

增加以便降低蒸发器温度上升速率，当蒸发器温度稳定在12℃时，压缩机转速也随之以1600r/min相对稳定的运转。

4.2 空调3挡

环境温度为34-36℃，前期车型的典型方案是以3800r/min持续运转，蒸发器温度没有明确目标；现策略为空调在3挡工作，蒸发器目标温度为8℃。从图6可见，开启开启空调后，蒸发器温度最高19℃附近，从VCU发出压缩机转速3800r/min，到压缩机启动工作大约8s蒸发器温度开始迅速下降到7.5℃附近，压缩机转速也相应下降，最终以大约2000r/min运转,蒸发器温度也稳定在目标温度8℃左右。

图6 空调3挡测试结果

4.3 空调5挡

环境温度为44-45℃，前期车型的典型方案是以5000r/min持续运转，蒸发器温度没有明确目标；现策略为空调在5挡工作，蒸发器目标温度为3℃。从图7可见，蒸发器温度在19.5℃附近，开启空调，从VCU发出压缩机转速5000r/min（设计的压缩机转速上限），到压缩机启动工作5s后蒸发器温度开始下降，由于环境温度较高，经过300s左右蒸发器温度降至3℃附近，压缩机转速也相应下降，经过一段时间调节最终以大约4300r/min运转,蒸发器温度也稳定在目标温度3℃左右。

图7 空调5挡测试结果

4.4 能耗对比

根据不同压缩机转速对应的功率，大致换算出空调制冷功能新策略与原方案每小时能耗值，如表2所示。从表2也可以看出各挡位空调压缩机转速均有下降，空调能耗也随之有一定程度下降。

使用温度计对实车室内出风口温度进行测试，待空调稳定运转一段时间后，其各挡位温度均接近蒸发器温度值。经过1挡、3挡和5挡数据分析可见，这种电动空调策略通过了实车验证。满足蒸发器目标温度需求下各挡位压缩机转速均有下降，从而降低了空调能耗。另外蒸发器温度值稳定在目标值，也有利于提升用户舒服感。

表2 空调挡位能耗对比

5   结束语

由环境温度段较为智能的决定空调挡位，通过PI控制快速调节空调压缩机转速，使蒸发器温度达到目标值，完成电动空调出风温度控制。此空调策略通过了实车多种挡位验证，蒸发器温度稳定性好，控制策略实用可靠，以低成本的方案较好的降低了空调能耗，同时提高了空调舒适度，为电动汽车空调制冷功能的改善提供了应用基础。

参考文献：

[1]贺萍. 一种新型汽车空调节能控制器的设计[J]. 电子技术应用, 2008, 34(1)):47-51

[2]武卫东, 余强元, 吴佳玮, 栾忠骏. 压缩机转速对新能源汽车空调制冷性能的影响[J]. 流体机械,2017,45(11): 61-65,57

[3]张丽, 成小红. 空调压缩机转速对汽车空调的影响[J]. 科技创新与应用, 2019(35): 47-48．

[4] 佟丽蕊, 张振迎, 王兴国.  电动汽车空调系统研究进展[J]. 制冷, 2015, (1):61-67

[5]孙小霞. 新能源汽车电动空调控制系统及其实现与研究[J]. 黑龙江科学. 2018(18): 150-151

[6]黄国强. 汽车空调行业与技术发展趋势解析[J]. 制冷与空调. 2018(08): 102

[7]秦晶. 电动空调在汽车领域的运用[J]. 科技风. 2017(13): 19

[8]杨璐, 裴顺. 汽车空调智能温度控制系统[J]. 电子设计工程.  2018(22): 133-136+141

[9]朱元成, 熊伟国, 吴群. 电动空调在汽车领域的应用解析[J]. 科技创新与应用.  2017(03): 166

[10]刘建飞, 赵丹平, 韦丽珍. 汽车电动空调系统参数匹配与仿真[J]. 内燃机与动力装置.  2014(01): 35-39.