一种车载空调压缩机控制方法及系统

本发明涉及空调压缩机控制技术，具体涉及一种车载空调压缩机控制方法及系统。

背景技术：

随着石油资源的日益枯竭和越来越严苛的国家排放标准，车辆经济性越来越受到人们的关注。用来调控车内温度的空调系统所消耗的能量，一定程度上影响着整车经济性。如何在满足乘员舱温度需求的前提下提高空调系统工作效率是现在行业研究的热点。

空调系统控制的主体是空调压缩机的控制。但相关技术中对于空调压缩机的控制大都控制空调压缩机持续工作在某一个工作点处，或以温差调整空调压缩机工作状态，并没有充分考虑到压缩机的特性，这样不仅会降低空调系统的工作效率，而且容易造成空调系统响应速度较慢或者过度响应，造成乘客舒适性降低。同时，相关控制技术中的开环控制系统会具有易受干扰，鲁棒性不强的缺点。

技术实现要素：

本发明的主要目的是提供一种车载空调压缩机控制方法及系统，使得空调压缩机工作效率更高、响应速度更快、更精确，控制更不易受到干扰。

为实现上述目的，所述车载空调压缩机控制方法，其特点是，所述控制方法包括以下步骤：

s100，基于温度传感器信息或乘员输入需求温度，确定目标温度；

s200，根据车辆传感器采集的状态信息，得到乘员舱总热功率和系统温度；

s300，根据目标温度和系统温度，利用滑模控制原理，得到空调压缩机电机目标转速；

s400，根据空调压缩机电机前馈-反馈复合转速控制模型，控制空调压缩机电机转速。

进一步的是，所述步骤s100，基于温度传感器信息或乘员输入需求温度，确定目标温度包括步骤：

当乘员输入需求温度后，目标温度tg为乘员需求温度；

当乘员并未输入需求温度时，控制系统会根据车外温度传感器信息，基于大数据，对车外温度进行一维查表可得到当前环境下的乘员舱最佳温度范围[tmin,tmax]；

为在满足乘员舱温度需求的基础上尽量降低空调系统能耗，当乘员舱温度大于乘员舱最佳温度范围最大值tmax时，目标温度tg为tmax；

为在满足乘员舱温度需求的基础上尽量降低空调系统能耗，当乘员舱温度小于乘员舱最佳温度范围最小值tmin时，目标温度tg为tmin；

为在满足乘员舱温度需求的基础上尽量降低空调系统能耗，当乘员舱温度大于乘员舱最佳温度范围最小值tmin，且小于乘员舱最佳温度范围最大值tmax时，目标温度tg为车外温度。

进一步的是，所述的根据车辆传感器采集的状态信息，得到乘员舱总热功率和系统温度，包括步骤：

s201，计算乘员舱总热功率：

乘员舱总热功率计算式为：

pc＝pb+pw+pm+pa+pe

式中，pc为乘员舱总热功率，单位为w；pb为挡板结构传入的热功率，单位为w；pw为车窗传入的热功率，单位为w；pm为乘员产生的热功率，单位为w；pa为由车外空气进入乘员舱内产生的热功率，单位为w；pe为车内仪器设备的热功率，单位为w；

围板结构传入车内的热功率pb计算式为：

pb＝α(pb_r+pb_s+pb_g)

式中，α为考虑车辆热桥效应的修正系数；pb_r、pb_s、pb_g分别为通过车顶、车侧以及地板传入的热功率，单位为w；其值可通过下式计算：

式中，kr、ks、kg分别为车顶、车侧和地板的传热系数，单位为w/(m²·k)；fr、fs、fg分别表示三种结构的有效传热面积，m²；tr、ts、tg分别表示车顶、车身侧面以及车底板的外界环境综合温度，单位为k；ti为上一时刻系统温度，单位为k；

车窗传入车内的热功率pw计算式为：

pw＝pw_1+pw_2

式中，pw_1为玻璃为平衡温差传入的热功率，单位为w；pw_2为太阳光透过玻璃传入的热功率，单位为w；

pw_1计算式为：

pw_1＝kgfg(to-ti)

式中，kg为车窗玻璃的导热系数，w/(m²·k)；fg为其传热面积，单位为m²；to为车窗外界环境温度，单位为k；

pw_2计算式为：

式中，η为太阳光的透入系数；ρg为车体的吸收系数；j表示太阳光对车窗玻璃的辐射量；c为车窗玻璃修正系数；αi、αo为车内环境和车外环境的对流换热系数，单位为w/(m²·k)；

乘员产生的热功率pm计算式为：

pm＝p1+n2p2

式中，n2为除驾驶员外乘员数量；p1、p2分别表示驾驶员和车内乘客单人热功率，单位为w；

由车外空气进入乘员舱内产生的热功率pa计算式为：

式中，g为单位时间内进入乘员舱内的新空气量，单位为m³/h；ρo为乘员舱外空气密度，单位为kg/m³；ho、hi分别为乘员舱外和乘员舱内的空气的焓值，单位为kj/kg；

车内仪器设备的热功率pe计算式为：

pe＝kpd

式中，pe为乘员舱内包括空调在内的所有电器设备的电功率，单位为w；k为修正系数，根据电器设备属性确定数值大小；

则，可计算出乘员舱总热功率；

s202，计算系统温度：

乘员舱系统的单位时间内温度变化量为：

式中，t'为成员舱系统单位时间内温度变化量，单位为k/s；pcomp为空调压缩机的制冷制热量，当空调压缩机制冷时，此值为正；当空调压缩机制热时，此值为负；m为环境介质的总质量，单位为kg；c为介质的比热容，单位为j/(kg·k)；

空调压缩机的制冷制热量pcomp与压缩机电机转速线性相关，可由压缩机电机转速唯一确定空调压缩机的制冷制热量pcomp；

此时系统温度：

ta＝∫t'dt+t0

式中，t0为系统初始温度，单位为k；ta为系统温度，单位为k，利用此式可得任意一时刻的系统温度。

进一步的是，所述的根据目标温度和系统温度，利用滑模控制原理，得到空调压缩机电机目标转速过程，包括步骤：

s301，建立温度控制系统状态方程：

选择滑模控制方法，选择空调压缩机电机系统与温控系统作为被控对象，将空调压缩机电机等效为一阶惯性环节，空调压缩机电机系统传递函数为：

式中，t为与空调压缩机电机相关的惯性常数；

将温控系统等效为惯性常数为1的一阶积分环节，温控系统传递函数为：

则所述温度控制系统的状态方程为：

s302，求解空调压缩机电机目标转速：

取目标温度与系统温度差值、目标温度与系统温度差值变化率作为此系统状态量，即：

取空调压缩机电机转速为输入量；

确定切换函数为：

s＝ax1+x2

选择指数型滑模趋近率为系统趋近率：

式中，a为等速趋近速率，a＞0；k为指数趋近项系数，k＞0；

验证所述滑膜控制器的可行性，定义李雅普诺夫函数为：

则：

由于a、k均为正数，因此，满足滑膜控制稳定性需求；

可得滑膜控制率为：

u＝(tx1-x2)+asgn(s)+ks

可得空调压缩机电机目标转速。

进一步的是，所述的根据压缩机电机前馈-反馈复合转速控制模型，控制空调压缩机电机转速，包括步骤：

s401，以空调压缩机电机为被控对象，以空调压缩机电机转速为被控状态参数，建立被控系统模型：

对于空调压缩机电机有关系式：

式中，u为电机电压，单位为v；i为电机电流，单位为a；r为电机内阻，单位为ω；ke为电机反电势系数，单位为v/(rad/s)；φ为电机主磁通幅值，单位为wb；ω为电机转速，单位为rad/s；l为电机自感系数，单位为h；

空调压缩机电机的电磁转矩为：

te＝ktφi

式中，kt为电机的电磁转矩系数；te为电机的电磁转矩，单位为n·m；

空调压缩机电机运动状态方程为：

式中，tl为电机的负载转矩，单位为n·m；j为电机转动惯量，单位为kg·m²；b为电机摩擦系数，单位为n·m·s；

则，以空调压缩机电机电压为输出，以空调压缩机电机转速为输出，可建立被控系统模型；

s402，以空调压缩机电机的负载扭矩作为扰动输入量，建立前馈模型：

式中，n为电机转速，单位为r/min；

可得负载扭矩对空调压缩机电机电压u、转速ω的影响，以空调压缩机电机的负载扭矩作为扰动输入量，可建立空调压缩机电机转速的前馈模型；

s403，基于pid控制，完成前馈-反馈控制器模型：

以空调压缩机电机目标转速与实际转速得差值为输入，以空调压缩机电机电压u为输出，建立空调压缩机电机pid控制模型；结合所建立的前馈模型和被控系统模型，建立前馈-反馈控制模型；

压缩机电机前馈-反馈复合转速控制模型可将空调压缩机电机转速控制在目标转速误差范围内，从而控制系统温度在乘员需求温度或舒适温度范围内。

一种车载空调压缩机控制系统，其特征在于，所述车载空调压缩机控制系统包括：

温度传感器，用于获取车内外各处温度；

目标温度确认模块，用于根据需求温度或车外温度确定乘员舱最佳温度，作为控制系统目标温度；

热功率计算模块，用于根据车体各部分温度计算此时乘员舱内的热功率；

系统温度计算模块，用于根据压缩机电机转速和乘员舱热功率计算得到系统温度；

温度控制模块，用于根据目标温度和系统温度差值得到压缩机电机目标转速；

电机转速控制模块，用于根据压缩机电机目标转速和实际转速差值得到电机控制电压；

转矩前馈控制模块，用于以电机负载扭矩作为扰动量，得到电机控制电压的前馈量；

电机模块，用于根据电机控制电压及其前馈量得到电机实际转速；

与现有技术相比本发明的有益效果是：

1.本发明所述的一种车载空调压缩机控制方法及系统，外环控制使用滑模控制温度，内环控制使用前馈-反馈控制转速，相较于传统开环控制，提高了控制系统稳定性和鲁棒性，抗干扰能力更强。

2.本发明所述的一种车载空调压缩机控制方法及系统，根据车外温度决定空调系统目标温度，在满足乘员舱温度需求的基础上减小了空调系统的负荷，优化了整车经济性。

3.本发明所述的一种车载空调压缩机控制方法及系统，通过计算乘员舱热功率和空调压缩机转速得到系统温度，对温度的监测更加准确，实时性也更强，保持空调压缩机转速能够实时地根据系统温度进行调整，可避免乘员舱温度调节响应过慢或过度响应而导致乘员体验不佳。

附图说明

本发明的上述的优点结合下面附图对实施例的描述将变得明显和容易理解，其中：

图1为本发明所述的车载空调压缩机控制方法的流程图；

图2为本发明所述的车载空调压缩机控制系统示意图；

图3为本发明所述的压缩机特性曲线图；

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的原件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

为了使本发明目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图和具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。

如图1所示，所述车载空调压缩机控制方法包括以下步骤：

s100，基于温度传感器信息或乘员输入需求温度，确定目标温度；

s200，根据车辆传感器采集的状态信息，得到乘员舱总热功率和系统温度；

s300，根据目标温度和系统温度，利用滑模控制原理，得到空调压缩机电机目标转速；

s400，根据压缩机电机前馈-反馈复合转速控制模型，控制空调压缩机转速。

进一步的是，所述步骤s100基于温度传感器信息或乘员输入需求温度，确定目标温度包括步骤：

当乘员输入需求温度后，目标温度tg为乘员需求温度；

当乘员并未输入需求温度时，控制系统会根据车外温度传感器信息，基于大数据，对车外温度进行一维查表可得到当前环境下的乘员舱最佳温度范围[tmin,tmax]；

具体地，所述车载空调系统会请求乘员输入需求温度，当乘员输入需求温度后，系统无条件以输入温度为目标温度，但若乘员无输入，空调系统通过车外温度传感器获得车外温度，并基于大量试验结果或大数据得到乘员舱最佳温度与车外温度的关系，可获得乘员舱最佳温度范围[tmin,tmax]；

为在满足乘员舱温度需求的基础上尽量降低空调系统能耗，当乘员舱温度大于乘员舱最佳温度范围最大值tmax时，目标温度tg为tmax；

为在满足乘员舱温度需求的基础上尽量降低空调系统能耗，当乘员舱温度小于乘员舱最佳温度范围最小值tmin时，目标温度tg为tmin；

为在满足乘员舱温度需求的基础上尽量降低空调系统能耗，当乘员舱温度大于乘员舱最佳温度范围最小值tmin，且小于乘员舱最佳温度范围最大值tmax时，目标温度tg为车外温度。

进一步的是，所述的根据车辆传感器采集的状态信息，得到乘员舱总热功率和系统温度，包括步骤：

s201，计算乘员舱总热功率：

乘员舱总热功率计算式为：

pc＝pb+pw+pm+pa+pe

式中，pc为乘员舱总热功率，单位为w；pb为挡板结构传入的热功率，单位为w；pw为车窗传入的热功率，单位为w；pm为乘员产生的热功率，单位为w；pa为由车外空气进入乘员舱内产生的热功率，单位为w；pe为车内仪器设备的热功率，单位为w；

围板结构传入车内的热功率pb计算式为：

pb＝α(pb_r+pb_s+pb_g)

式中，α为考虑车辆热桥效应的修正系数；pb_r、pb_s、pb_g分别为通过车顶、车侧以及地板传入的热功率，单位为w；其值可通过下式计算：

式中，kr、ks、kg分别为车顶、车侧和地板的传热系数，单位为w/(m²·k)；fr、fs、fg分别表示三种结构的有效传热面积，m²；tr、ts、tg分别表示车顶、车身侧面以及车底板的外界环境综合温度，单位为k；ti为上一时刻系统温度，单位为k；

具体地，三种结构的有效传热面积fr、fs、fg需在空调系统中提前进行输入，车顶、车身侧面以及车底板的外界环境综合温度tr、ts、tg需通过温度传感器进行获取；

车窗传入车内的热功率pw计算式为：

pw＝pw_1+pw_2

式中，pw_1为玻璃为平衡温差传入的热功率，单位为w；pw_2为太阳光透过玻璃传入的热功率，单位为w；

pw_1计算式为：

pw_1＝kgfg(to-ti)

式中，kg为车窗玻璃的导热系数，w/(m²·k)；fg为其传热面积，单位为m²；to为车窗外界环境温度，单位为k；

具体地，车窗玻璃的导热系数kg、车窗玻璃的传热面积fg需在空调系统中提前进行输入；

pw_2计算式为：

式中，η为太阳光的透入系数；ρg为车体的吸收系数；j表示太阳光对车窗玻璃的辐射量；c为车窗玻璃修正系数；αi、αo为车内环境和车外环境的对流换热系数，单位为w/(m²·k)；

具体地，太阳光的透入系数η、车体的吸收系数ρg、太阳光对车窗玻璃的辐射量j参数的精确获取会增加设计成本，在空调压缩机控制系统中依据不同地区取均值进行计算；

乘员产生的热功率pm计算式为：

pm＝p1+n2p2

式中，n2为除驾驶员外乘员数量；p1、p2分别表示驾驶员和车内乘客单人热功率，单位为w；

具体地，驾驶员参与车辆的控制，产热量高于乘客，取驾驶员单人热功率p1＝145w，由于其他乘员不确定性，采用群集系数模拟不同年龄段乘客，取其他乘员热功率p2＝116w；乘员数量可由座位传感器获取；

由车外空气进入乘员舱内产生的热功率pa计算式为：

式中，g为单位时间内进入乘员舱内的新空气量，单位为m³/h；ρo为乘员舱外空气密度，单位为kg/m³；ho、hi分别为乘员舱外和乘员舱内的空气的焓值，单位为kj/kg；

具体地，为减小设计成本，单位时间内进入乘员舱内的新空气量g、乘员舱外空气密度ρo、乘员舱外和乘员舱内的空气的焓值ho、hi均取定值输入到空调系统中；

车内仪器设备的热功率pe计算式为：

pe＝kpd

式中，pe为乘员舱内包括空调在内的所有电器设备的电功率，单位为w；k为修正系数，根据电器设备属性确定数值大小；

具体地，乘员舱内包括空调在内的所有电器设备的电功率pe可由整车电池管理系统获得；

结合以上式子可计算出乘员舱总热功率；

s202，计算系统温度：

乘员舱系统的单位时间内温度变换量为：

式中，t'为成员舱系统单位时间内温度变化量，单位为k/s；pcomp为空调压缩机的制冷制热量，当空调压缩机制冷时，此值为正；当空调压缩机制热时，此值为负；m为环境介质的总质量，单位为kg；c为介质的比热容，单位为j/(kg·k)；

空调压缩机的制冷制热量pcomp与压缩机电机转速线性相关，可由压缩机电机转速唯一确定空调压缩机的制冷制热量pcomp；

具体地，压缩机实际制冷量的计算可以根据压缩机在某一特征转速下的特性曲线得到。如图3为一压缩机在转速2000rpm时的特性曲线，图中的实线为冷凝温度为40℃时的冷凝线，虚线为蒸发温度为5℃时的蒸发线，其交点即为压缩机转速为2000rpm时的功率与制冷量，由图可知压缩机在该特征转速下的制冷量为2.8kw。

研究表明，当压缩机的转速改变时，会导致容积效率的变化，但由于容积效率的值在0～1之间变化，其数量级较小，因此近似认为压缩机的实际制冷量与转速是成比例变化的，则：

式中，n为压缩机电机转速，单位为r/min；

此时系统温度：

ta＝∫t'dt+t0

式中，t0为系统初始温度，单位为k；ta为系统温度，单位为k，利用此式可得任意一时刻的系统温度。

进一步的是，所述的根据目标温度和系统温度，利用滑模控制原理，得到空调压缩机电机目标转速过程，包括步骤：

s301，建立温度控制系统状态方程：

选择滑模控制方法，选择空调压缩机电机系统与温控系统作为被控对象，将空调压缩机电机等效为一阶惯性环节，空调压缩机电机系统传递函数为：

式中，t为与空调压缩机电机相关的惯性常数；、

具体地，空调压缩机电机惯性常数t需根据空调压缩机电机来判断；

将温控系统等效为惯性常数为1的一阶积分环节，温控系统传递函数为：

则所述温度控制系统的状态方程为：

s302，求解空调压缩机电机目标转速：

取目标温度与系统温度差值、目标温度与系统温度差值变化率作为此系统状态量，即：

取空调压缩机电机转速为输入量；

确定切换函数为：

s＝ax1+x2

选择指数型滑模趋近率为系统趋近率：

式中，a为等速趋近速率，a＞0；k为指数趋近项系数，k＞0；

具体地，由于基于指数型的趋近律可以最大限度地削减控制系统抖振问题，故选择数型滑模趋近率为系统趋近率；

验证所述滑膜控制器的可行性，定义李雅普诺夫函数为：

则：

由于a、k均为正数，因此，满足滑膜控制稳定性需求；

可得滑膜控制率为：

u＝(tx1-x2)+asgn(s)+ks

则，可得空调压缩机电机目标转速。

具体地，空调压缩机电机目标转速并非通过公式计算得到，其获取需要借助外环温度控制模型逐渐逼近；

进一步的是，所述的根据压缩机电机前馈-反馈复合转速控制模型，控制空调压缩机转速，包括步骤：

s401，以空调压缩机电机为被控对象，以空调压缩机电机转速为被控状态参数，建立被控系统模型：

对于空调压缩机电机有关系式：

式中，u为电机电压，单位为v；i为电机电流，单位为a；r为电机内阻，单位为ω；ke为电机反电势系数，单位为v/(rad/s)；φ为电机主磁通幅值，单位为wb；ω为电机转速，单位为rad/s；l为电机自感系数，单位为h；

空调压缩机电机的电磁转矩为：

te＝ktφi

式中，kt为电机的电磁转矩系数；te为电机的电磁转矩，单位为n·m；

空调压缩机电机运动状态方程为：

式中，tl为电机的负载转矩，单位为n·m；j为电机转动惯量，单位为kg·m²；b为电机摩擦系数，单位为n·m·s；

则，以空调压缩机电机电压为输出，以空调压缩机电机转速为输出，可建立被控系统模型；

s402，以空调压缩机电机的负载扭矩作为扰动输入量，建立前馈模型：

式中，n为电机转速，单位为r/min；

可得负载扭矩对空调压缩机电机电压u、转速ω的影响，以空调压缩机电机的负载扭矩作为扰动输入量，可建立电机转速的前馈模型；

s403，基于pid控制，完成前馈-反馈控制器模型：

以空调压缩机电机目标转速与实际转速得差值为输入，以空调压缩机电机电压u为输出，建立空调压缩机电机pid控制模型；结合所建立的前馈模型和被控系统模型，建立前馈-反馈控制模型；

压缩机电机前馈-反馈复合转速控制模型可将空调压缩机电机转速控制在目标转速误差范围内，从而控制系统温度在乘员需求温度或舒适温度范围内。

具体地，压缩机电机前馈-反馈复合转速控制模型为温度控制模型的内环，负责将空调压缩机电机转速控制在目标转速附近；

一种车载空调压缩机控制系统，其特征在于，所述车载空调压缩机控制系统，如图2所示，包括：

温度传感器，用于获取车内外各处温度；

目标温度确认模块，用于根据需求温度或车外温度确定乘员舱最佳温度，作为控制系统目标温度；

热功率计算模块，用于根据车体各部分温度计算此时乘员舱内的热功率；

系统温度计算模块，用于根据压缩机电机转速和乘员舱热功率计算得到系统温度；

温度控制模块，用于根据目标温度和系统温度差值得到压缩机电机目标转速；

电机转速控制模块，用于根据压缩机电机目标转速和实际转速差值得到电机控制电压；

转矩前馈控制模块，用于以电机负载扭矩作为扰动量，得到电机控制电压的前馈量；

电机模块，用于根据电机控制电压及其前馈量得到电机实际转速；

具体地，目标确认模块接收来自驾驶员输入的需求温度和来自于温度传感器的车外温度信号，输出目标温度给温度控制模块；热功率计算模块接收来自温度传感器的车体各部分温度信号，输出乘员舱热功率给系统温度计算模块；温度计算模块接收来自于电机模块的空调压缩机电机转速和乘员舱热功率，输出系统温度给温度控制模块；温度控制模块得到目标温度和系统温度进行滑模控制，输出目标电机转速给电机转速控制模块；电机转速控制模块接收目标电机转速和电机模块输出的空调压缩机电机转速得到电机控制电压；电机控制电压与来自转矩前馈控制模块的修正电压，共同对电机模块进行控制，电机模块会输出实时空调压缩机电机转速。

本发明中未述及的部分采用或借鉴已有技术即可实现。在本说明书的描述中，参考术语“一种实施例”的描述意指结合该实施例的具体特征或特点包含于本发明的至少一个实施例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体方法或者特点可以在任何实施例中适当的结合。

本发明的实施方式只是示例，但不限于此，本领域技术人员依据本发明的思路与原理，未脱离本发明所做的修改、替代、简化等，都应该在本发明的保护范围内。