新能源汽车电动空调控制系统及其实现研究可编辑.docx
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新能源汽车电动空调控制系统及其实现研究可编辑
新能源汽车电动空调控制系统及其实现研究（可编辑）
新能源汽车电动空调控制系统及其实现研究
同济大学汽车学院
硕士学位论文
新能源汽车电动空调控制系统及其实现研究
姓名:
曹爱强
申请学位级别:
硕士
专业:
汽车电子
指导教师:
孙泽昌
20080301摘要
摘要
随着燃料电池汽车等新能源汽车产业化进程的提速,新型汽车空调系统的研发急需跟进。
一方面,空调系统需要保持车室内空气环境的舒适性:
另一方面,空调系统需要在低能耗和环保方面发挥更大作用。
由于新型的空调系统
实
现了压缩机的电力驱动,变频技术能够在汽车空调系统上使用。
汽车空调系
统
是一个典型的瞬态、非线性且各参数之间相互耦合的复杂系统,在变频压缩
机
的转速成为控制参数隋况下,普通的控制算法如简单位式控制、控制等方法很难达到舒适性和节能性的要求。
基于这种情况,本文对燃料电池汽车空调的控制系统进行了研究。
论文首
先分析了燃料电池汽车空调的工作原理与结构,确定了新型压缩机、鼓机、
混合风门等执行机构的控制方式。
在控制算法上,针对常规模糊控制方法控制
精度相对较低,本文对部分执行机构采用了基于自调整规则因子的模糊控制算
法,设计了空调模糊控制器。
模糊控制器以车内温差和车内温差变化率为输入
量,对汽车空调系统的压缩机驱动器、鼓风机调速模块、混合风门、.力口热器电
磁阀和模式风门等执行机构进行模糊控制,同时根据车内外温差和太阳辐射强
度对汽车空调系统的影响情况对控制策略进行了修正。
本文对燃料电池汽车车室热力学系统进行了分析,对车室温度进行了理论
计算,并在/环境下建立了空调系统温度模型及模糊控制器模型。
通过对温度控制模型的仿真对控制算法进行了初步的验证。
仿真结果表明本文
所确定的模糊控制算法达到了较好控制效果。
在对控制器功能要求分析的基础上,文章阐述了以公司
为核心的控制器硬件系统的设计。
并开发设计了基于中断模
式的控制软件系统。
文中还对控制器的抗干扰措施进行了介绍。
最后,本文对于进一步工作的方向进行了简要的讨论。
关键词:
新能源汽车,空调,模糊控制,仿真,参数自调整,
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同济大学学位论文原创性声明
本人郑重声明:
所呈交的学位论文,是本人在导师指导下,进行研究工作所取得的成果。
除文中已经注明引用的内容外,本学位论文的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的作品的内容。
对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体,均已在文中以明确方式标明。
本学位论文原创性声明的法律责任由本人承担。
学位论文作者签名:
年月日学位论文版权使用授权书
本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定,同意如下各项内容:
按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本;学校有权保存学位论文的印刷本和电子版,并采用影印、缩印、扫描、数字化或其它手段保存论文;学校有权提供目录检索以及提供本学位论文全文或者部分的阅览服务;学校有权按有关规定向国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版;在不以赢利为目的的前提下,学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。
学位论文作者签名:
年月日第章绪论
第章绪论
.课题背景及选题意义
..课题背景
伴随汽车发展而来的是能源问题,根据国际能源机构预测,随着经济的发展、社会的进步和人口的增长,全世界的能源消耗在今后年至少增加一倍盟
们。
世界原油价格的不断上涨,已经预示着能源危机的出现。
为解决经济发展与
能
源短缺及环境污染之间日益加剧的矛盾,发展清洁、高效、可持续发展的新
能
源动力技术已成了十分紧迫的任务,主要工业国家的政府和大部分著名的汽车
制造商斥巨资研发新能源汽车,并希望它能取代传统的内燃机汽车。
在美国和
日本混合动力汽车已实现产业化,在欧洲人们更倾向于使用更高效的柴油发动
机。
而我国己开始致力于研究燃料电池汽车这种使用氢气为动力、实现零排放
的新能源汽车?
引。
不同于传统汽车,国外在燃料电池汽车领域的研究也尚处
于起步阶段,如果我国能抓住机遇,在燃料电池轿车的开发和研制上取得成功,
就能使中国的汽车行业在该领域与国外同行处于同一起跑线。
我们随之将拥有
自主知识产权的燃料电池新能源汽车。
与燃油汽车一样,燃料电池汽车等新能源电动汽车也要创造一个舒适的驾
驶和乘坐环境,即要配备相应的空调系统,提高其舒适性。
除此之外,汽车空
调对于整车的能耗和环保方面都有很大的影响。
用户已对当代汽车提出了操作
更简便、更舒适和环保低耗的要求,汽车空调不仅仅是人民生活水平提高的标
志,而且成为提高汽车竞争能力、和实现汽车低耗环保的重要标志之一。
在
重
视生活质量、保护环境、节约能源的今天,人们已不再满足具有简单制冷、制
热、通风等基本功能的汽车空调系统。
..课题研究的意义
随着能源和环保等问题同益受到重视,由传统汽车向电动汽车等新型动力第章绪论
转化的技术革新进程也越来越快,在国外包括纯电力驱动的氢能燃料电池电动
车以及混合动力电动车在内的新型动力车已经被各大汽车制造商和研究机构纳
入研发规划与目标,并取得了不少成果。
而在国内这些研究工作也已展开,由
同济大学承担的我国重大项目一燃料电池汽车项目已准备把汽车空调的性
能作为考核目标之一。
此外,空调系统的运行给燃料电池汽车的能量供应增加了负担,进一步降
低了燃料电池汽车与燃油汽车相比不占优势的续航能力。
因此燃料电池汽车对
空调系统的运行效率提出了更高的要求。
与燃油发动机汽车不同,新能源汽车
中空调系统的压缩机采用了电机直接驱动,驱动形式和控制方法等与现传统的
汽车空调系统有很大不同。
这对汽车空调的自动控制系统的实现提出了新的要
求与课题。
由于技术保密,进口的自动控制汽车空调系统都采用加密技术。
目
前国内在这方面的研发还是基本上处于空白。
因此,开发具有自主知识产权技术、且符合我国交通气候的燃料电池汽车
电动空调自动控制系统,对于提高我国汽车工业整体水平、增强在未来汽车行
业的竞争力都具有重要的意义。
.
汽车空调及其控制系统国内外研究现状
汽车空调的运行工况不同于家用空调,它经常在变工况下运行。
环境温度、
日照强度、汽车速度、车室热负荷等因素对汽车空调的运行性能有很大影响,
空调系统是一个典型的非线性、大延时、且各参数之间相互耦合的复杂系统。
如何综合考虑这些因素,采用先进的控制策略和新型控制元件实现汽车空调的
全自动控制是汽车空调生产厂家一直致力研究的问题。
轿车空调系统从控制方式可分为:
手动控制,半机械控制,电控控制,微
机全自动控制系统四类。
手动轿车空调控制系统是依靠驾驶员拨动控制板上的各种功能键,实现对
温度、风向和风速的控制。
半机械控制系统和手动控制系统的差别不大,其主要不同是半机械控制系
统采用具有程序装置的伺服马达和控制模块等控制执行机构。
半机械控制系统
通过程序装置检测空气温度,对气流混合风门位置进行控制来达到驾驶员选择
的舒适程度。
驾驶员通过手动操作控制器总成上的按键,选择空调系统的工作
第章绪论
模式和鼓风机转速。
电控控制系统中有一套计算比较电路,通过对传感器信号和预设信号的处
理计算比较,输出不同的控制信号指挥控制机构的工作,通过混合风门开度的
不断改变,调节车内空气温度并使风机的转速随着空调参数的改变而改变,空
调风向、各风门开关的控制使用控制器面板的控制键。
微机全自动空调控制系统是以微处理器为控制中心,对多种传感
器参数进行实时检测并与操作面板设定的信号如设定温度信号、送风模式信号
等进行比较,通过运算处理后进行判断,然后输出相应的调节和控制信号,调
整相应的执行机构,以实现对车室内空调环境进行全季度、全方位和多功能的
控制和调节。
国外一些大汽车公司的中高档汽车基本全部装有全自动空调系统。
通用汽
控制的空
车公司采用的是由车身计算机控制模块?
调系统,监视高压管路的温度传感器、低压管路温度传感器以及蓄压罐的
压力开关、发动机冷却水温度传感器,如果系统不在设定的范围内工作,
将压缩机离合器脱离。
该系统用一个双向电动机调节混合风门开度,并用个操
纵机构分别控制各个模式风门和加热器热水阀,采用功率模块控制鼓风机的转
速。
根据驾驶员输入的温度、车室内温度、车室外温度及制冷剂低压管路
温度,经过计算得出气流分送模式、鼓风机转速及混合风门开度,然后进行相
应的控制。
福特汽车空调的自动空调控制系统与通用公司基本相同,他们都没
有对压缩机离合器的开关频率进行控制,克莱斯勒公司的汽车空调控制系统除
了控制空气混合风门、鼓风机转速、模式风门外,还对压缩机离合器进行开停
占空比进行了控制刳。
对于空调系统的控制特性方面,国外做的工作也比较多,.提出了包括
压缩机冷凝器蒸发器和热力膨胀阀的汽车空调系统的稳态集总参数模型,并考
虑了压缩机吸气管和冷冻油对系统的影响。
还有研究者对不同的冷凝器压缩机
等空调部件分别建立稳态模型,研究其性能,用以改进空调的控制机构和控制
方法?
。
在控制策略研究方面,采用控制算法,根据蒸发
器进出口温度差和蒸发器的表面温度控制电子膨胀阀的开度、及压缩机的开停,
该控制方式与热力膨胀阀控制相比具有较好的效果,但车室内温度波动很大心?
。
对两输入压缩机转速和电子膨胀阀开度两输出蒸发器的过热度和蒸
发温度轿车空调的控制进行研究,并对输入量进行解耦的同时加入预补偿器,
第章绪论
使系统响应提高蹲?
。
乖用模糊控制策略研究轿车空调的舒适性控制。
等将神经网络应用于轿车空调舒适性控制中啪。
目前,我国汽车空调系统的电子化控制程度较低,大多数仍采用手动控制
或简单的电控控制。
大多数轿车的空调系统模式风门是手控的,鼓风机转速由
继电器控制,压缩机离合器根据蒸发器温度控制;天津夏利轿车空调控制系统
以蒸发器出风温度和发动机转速为控制信号,采用电控控制,经过对控制信号
进行变换比较、判断运算后控制压缩机冷凝器风扇和怠速提高装置等执行机构;
而奥拓轿车空调就更为简单,没有舒适性控制用的传感器,其温度靠人为控制。
国内市场部分中高档轿车如帕萨特等采用了全自动空调控制系统,但是其
产品是国外汽车电子厂商、等生产,技术被国外掌握。
并
不是自主开发产品。
目前部分国内厂家也在投入研发空调自动控制器,部分产
品在如奇瑞等国产车上被使用,但是由于技术水平和研发能力有限的原因,这
些产品水平有待进一步提高。
在空调系统方面,国内很多研究者进行了相关工
作,清华大学的吴启森教授和上海交通大学的陈久芝教授在空调系统建模仿真
和动态模型方面分别做了细致的研究乜引。
在控制策略方面,可以不依靠模型而
使用模糊控制的方法比较受研究者关注幽,。
.模糊控制技术研究现状
是以模
模糊逻辑控制简称模糊控制
糊集合论、模糊语言变量和模糊逻辑推理为基础的一种计算机数字控制技术。
年,美国的..仓立了模糊集合论;年他给出了模糊逻辑控制的
定义和相关的定理。
年,英国的..首先用模糊控制语句组成模糊
控制器,并把它应用于锅炉和蒸汽机的控制,在实验室获得成功。
这一开拓性
的工作标志着模糊控制论的诞生瞳。
模糊控制实质上是一种非线性控制,从属于智能控制的范畴。
模糊控制的
一大特点是既具有系统化的理论,又有着大量实际应用背景。
模糊控制的发展
最初在西方遇到了较大的阻力,然而在东方尤其是在同本,却得到了迅速而广
泛的推广应用。
近多年来,模糊控制无论从理论上还是技术上都有了长足的
进步,成为自动控制领域中一个非常活跃而又硕果累累的分支。
其典型应用的
例子涉及生产和生活的许多方面,例如在家用电器设备中有模糊洗衣机、空调、
第章绪论
微波炉、吸尘器、照相机和摄录机等;在工业控制领域中有水净化处理、发酵
过程、化学反应釜、水泥窑炉等的模糊控制;在专用系统和其它方面,有地铁
靠站停车、汽车驾驶、电梯、自动扶梯、蒸汽引擎以及机器人的模糊控制等瞳?
?
。
模糊控制具有良好控制效果的关键是要有一个完善的控制规则。
但由于模
糊规则是人们对过程或对象模糊信息的归纳对高阶、非线性、大时滞、时变
参数以及随机干扰严重的复杂控制过程,人们的认识往往比较贫乏或难以总结
完整的经验,这就使得单纯的模糊控制在某些情况下很粗糙,难以适应不同的
运行状态,影响了控制效果。
因此常规模糊控制的两个主要问题在于:
改进稳态控制精度和提高智能水
平与适应能力。
在实际应用中,往往是将模糊控制或模糊推理的思想,与其它
相对成熟的控制理论或方法结合起来,发挥各自的长处,从而获得理想的控制
效果。
由于模糊规则和语言很容易被人们广泛接受,加上模糊化技术在微处理‘?
器和计算机中能很方便的实现,所以这种结合展现出强大的生命力和良好的效
果。
对模糊控制的改进方法可大致的分为模糊复合控制,自适应和自学习模糊
控制,以及模糊控制与智能化方法的结合等三个方面。
模糊系统理论还有一些重要的理沦课题没有解决。
其中两个重要的问题是:
如何获得模糊规则及隶属函数;如何保证模糊系统的稳定性。
在模糊控制理论和应用方面应加强研究的主要课题包括:
适合于解决工程
上普遍问题的稳定性分析方法,稳定性评价理论体系;控制器的鲁棒性分析,
系统的可控性和可观测性判定方法等;模糊控制规则设计方法的研究,包括模
糊集合隶属函数的设定方法,量化水平,采样周期的最优选择,规则的系数,
最小实现以及规则和隶属函数参数自动生成等问题;进一步则要求我们给出
模
糊控制器的系统化设计方法,模糊控制器参数最优调整理论的确定,以及修正
推理规则的学习方式和算法等?
。
。
模糊控制仍然是一个充满争议的领域。
由于它的发展历史还不长,理论上
的系统性和完善性,技术上的成熟性和规范性都还是不够的,有待人们的进一
步提高。
但是,将智能控制策略和传统控制方法相结合构造智能型复合控制
器,取其在控制中的优势和特点,已成为当今控制领域的一个研究热点,也
成为解决各类复杂系统控制问题的重要工具,在理论和实际应用中都有十分
重要的意义。
第章绪论
.本文课题来源和主要工作内容
本课题来源于同济大学燃料电池轿车项目。
作为国家重大攻关项目,此
项目致力于我国燃料电池汽车事业的研发,目前已取得良好成绩。
课题研究的任务是探索适合运用于燃料电池汽车电动空调的控制系统,并
使用包括基于自调整规则因子的模糊控制策略,为燃料电池汽车电动空调系统
设计自动控制器。
本文主要工作内容为:
.在分析汽车空调系统原理和燃料电池汽车空调系统的基础上,确定燃料
电池汽车空调控制系统的整体方案。
.
阐述模糊控制器的设计步骤、原理,对基本模糊控制器的性能加以分析后,提出基于自调整规则因子的自适应模糊控制方法的实现。
.基于前面所论述的控制算法,完成燃料电池汽车空调模糊控制器的控制策略的设计,使之适应空调系统的控制要求。
.在/环境下建立了燃料电池汽车电动空调系统温度模型和
模糊控制器模型,并对模型进行仿真,对模糊控制算法进行验证。
.设计燃料电池汽车空调控制器的硬件系统和软件系统,完成控制器的实现。
第章燃料电池汽车空调系统概逮
第章燃料电池汽车空调系统
汽车空调基本原理
汽车空调的基本功能是通过系统的工作降低或升高车室内温度,从而达到使人体感到舒适的温度环境。
高级汽车空调还包括对车室内空气进行净化、
控
制二氧化碳含量和控制空气湿度等高级功能。
从构成上,一般汽车空调系统
都
可以分为采暖系统和制冷系统两部分。
汽车空调的制冷系统如图.所示,其主要由压缩机、冷凝器包括冷凝风机、膨胀阀和蒸发器等组成。
其制冷原理是利用液态制冷剂吸热产生冷效应。
首先,低压低温液奄制冷剂进入用来冷却车内空气的蒸发器.制冷剂吸热在定压下气化。
由于制冷剂在管内气化时的温度低于管外空气的温度,制冷剂
吸
取车内空气中的热量,使空气的温度降低.产生冷效应。
然后,气化了的制冷
剂通过压缩机压缩,变成高于车外空气的高温高压气体。
这时.制冷剂通过在
车外的冷凝器将热量释放到车外,制冷剂放热就变成了高压波奄冷凝剂。
最后,
经过膨胀阀等机构,恢复到低压低温液态“。
削汽午空调制冷系统示意圈第章燃料电池汽车空调系统概述
与传统汽车空调系统不同,燃料电池汽车空调系统压缩机实现了电力驱动,
使得系统能够实现变频功能。
压缩机转速的可调对空调性能有了更大的提升,
同时可以减少能耗,使得空调运行更经济有效。
汽车空调的采暖系统由暖风散热器、暖水阀和风机组成。
由于汽车在行驶
时发动机产生丈量热量,一般小型汽车空调都采用发动机余热采暖。
即发动机
冷却水通过暖水阀流入暖风散热器,从而升高通过暖风散热器空气的温度。
.汽车空调风道总成系统
当前大多数小型汽车空调使用冷暖一体式空调风道系统,冷暖一体式风道
系统基本结构如图所示。
风道系统中主要部件包括:
鼓风机、循环风门、加
热器、模式风门、混合风门和蒸发器。
凹汽车空调风道系统示意蹦
鼓风机的作用是驱动空调风道内空气的流动,把经过空调处理的空气送入
车内。
在冷暖一体化汽车空调中,鼓风机既是制冷蒸发器风扇也是采暖加热
器
风扇,所以鼓风机转速的快慢直接影响到送风速度的快慢,从而也直接影响到
空调制冷和加热的快慢。
循环风门可以由内外循环电磁阀或循环风门电机控制,当汽车空调处于内第章燃料电池汽车空调系统概述
循环状态时,这个时候只有车内回风能够进入空调风道。
反之,空调处于外循
环状态时,此时不仅仅车内回风能够进入空调风道,车外空气也进入空调风道,
即制冷加热处理前空气是车内回风和车外新鲜空气的混合气体。
制冷循环中的蒸发器固定在风道中,在蒸发器中流动的制冷剂吸热,通过
换热冷却周围风道中经过的空气,冷气通过鼓风机驱动到车厢后,达到制冷的
目的。
加热器使用发动机冷却水进行热交换,对风道里经过加热器的空气加热,
同样通过鼓风机驱动,以实现车厢采暖或者除霜的目的。
混合风门由混合电机驱动,风道中流动的空气通过蒸发器换热冷凝后
一部分直接送到驾驶室进风口,另一部分通过混合风门流经加热器再送到驾驶
舱进风口,两者混合后送入驾驶室。
因此改变混合风门的开度也就改变了车室
’
内空气的温度和湿度。
模式风门由模式风门电机控制出风口出风方式,夏季应从上风口送?
风吹
向人的脸部,冬季则应从下风口送暖风满足人体头?
脚热的感觉习惯。
车窗玻
璃除霜则应从旁通风门送出经过干燥的热风。
通过以上分析可知,汽车空调控制系统可以通过对鼓风机、混合风门、模
式风门和循环风门等执行机构的控制,改变车内空气温度和送风量等参数,以
达到乘用者对舒适性的需求。
.燃料电池汽车空调系统概述
本课题燃料电池汽车空调系统在原理上与上面所介绍基本相同。
结构上,
依然采用了原车的冷暖一体式风道系统。
由于燃料电池汽车的特殊性,对空调
系统的部分设备采用了不同的方案,其中最主要的不同在于空调压缩机形式及
驱动系统的改变。
燃料电池汽车通过燃料电池的化学反应发电,以电力作为汽车驱动装置,
这使得空调压缩机用电力驱动变为可能。
传统的汽车空调压缩机由燃油发动机
驱动,通过离合器同发动机相连,这决定了它的速度无法调整。
在夏季,燃油
汽车如在怠速状态使用空调,汽车发动机必须工作以保证空调系统的运转,这
使得空调系统加重了整车的油耗和尾气污染问题。
而燃料电池汽车等新能源
汽
车很好地解决了这个问题。
第章燃料电池汽车空调系统概述
本课题中所采用的空调压缩机为国内某厂家所研制的涡旋式压缩机,如图所示,考虑到车辆空间有限和体积功率比等因素,选用直流无刷式电机驱动,井和压缩机做一体式设计。
耋一体式直流无刷电机驱动涡旋压缩机
此电动压缩机具体参数如下:
电动压缩机调速范围:
~砌咖;
电动压缩机排量:
/;
压缩机兰:
电机功率:
.女矿对应晟大转速;
电机最大启动扭矩:
?
:
电机工作效率大于%;
电机工作温度低于。
;
电机耐制冷剂.及润滑油腐蚀;
电动压缩机在时工作噪音?
:
电动压缩机驱动器额定直流输入电压最高输入电压不高于,最低输入电压不低于由燃料电池发电经输入。
图
所示为电动压缩机驱动系统示意图,带有通讯模块的驱动器可实现压缩机的变速,系统采用主从方案,由控制器通过辅助系统线发送经过
控制算法得到的压缩机转速信息至?
?
然后被压缩机驱动器接收.实时控制
压缩机的转速。
第章燃料电池汽乍空调系统概述
图.燃料电池汽车空调压缩机驱动示意图
除了压缩机,燃料电池汽车空调系统在其他方面基本上使用了原有空调机
构,余热加热器所使用燃料电池冷却水进水温度约为?
。
值得一提的是,由
于燃料电池冷却水比起燃油发动机冷却水的温度要低,仅靠燃料电池发动机余
热可能会造成空调系统采暖不足的状况,在此情况下,可以考虑使用辅助电加
热系统。
本课题所研究的燃料电池汽车采暖系统采用了陶瓷电加热器作为辅
助加热器。
本文试验用燃料电池汽车在原冷凝器的基础上新增加了副冷凝器及冷凝风
扇,因为燃料电池发动机系统冷却水的温度较低但是散热量较大,使得传统的
冷凝器不再适合,考虑到系统的稳定运行,因此采用双冷凝器方案。
.燃料电池汽车空调控制方案
本课题采用了符合目前空调控制发展趋势的全自动电子控制方案。
采用微
处理器为核心的电子控制器可以使燃料电池汽车空调的控制实现全自
动化,虽然它不能从根本上改变空调系统的特性,但能够使空调系统的性能大
大地得到提升,提升汽车的舒适性和经济性能指标。
本自动空调控制器的主要功能包括空气环境舒适度的调节和在节能方面的自动控制:
空气调节控制第章燃料电池汽车空调系统概述
包括对车内空气的温度、室内新风量的控制,对出风模式调节,根据指令或者自动调整空调运转状态、进行窗体除霜等,实现对空气调节的控制以适
应
舒适性要求。
节能控制
根据输入指令及运行状态进行运算判断,及时调整相关执行机构的动作特别是电动压缩机的转速,以降低能耗,使空调系统工作在最优工况,达到经济性能指标。
实现以上控制目标,空调控制器需对空调系统运行的状态和环境等信息进行采集,包括车内外温度、日照强度、冷却水温度、压缩机转速等,通过微处理器运算后,输出相应的控制信号,对相应的执行机构进行调整,达到乘用者的要求。
此外,自动空调控制器还应在人机交互方面实现乘用人员对空调系统运行情况的掌握与控制。
对于环境温度、室内温度、出风模式和风速大小等信息
需
要通过可视化设备输出。
同时乘用人员可通过按键接管对空调的运行模式、
出
风速度和模式的控制。
对于系统运行中的故障、警报等信息,空调控制器应该进行记录,并根据
情况做出相应的处理,这些故障报警包括制冷剂不足报警、制冷压力过高或者
过低警报、压缩机故障警报以
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