基于模糊PI的跨临界CO2车辆热管理系统的控制方法

本发明属于新能源车辆热管理，特别涉及一种基于模糊pi的跨临界co2车辆热管理系统的控制方法。

背景技术：

1、发展新能源汽车对解决化石能源短缺、大气污染加重等问题具有重要意义，解决汽车产业的高资源消耗与高碳排放问题、推进新型清洁能源与可再生能源的普及在当今节能与环保的背景下极为重要。

2、长期以来r134a是汽车空调使用最多的制冷剂，但是r134a的gwp值高达1430；出于环境因素考虑，需要寻求新的代替制冷剂。另外，在冬季极低环境温度情况下，r134a热泵制热能力有限，必须通过辅助电加热的方式确保满足车辆的制热需求。co2作为一种纯天然的制冷剂，具有不可燃、无毒、不破坏臭氧层、gwp值极低、无需回收、成本低等优势；另外，co2热泵在冬季也有较高的制热能力，可以采用co2热泵制热方式满足车辆制热需求，有效缓解新能源电动汽车冬季里程焦虑问题。

3、跨临界co2车辆热管理系统的控制参数较多，运行模式复杂；其中，乘员舱温度的控制关系车辆舒适度；压缩机最优排气压力的精准控制有利于系统工作在最大cop模式下，可以有效降低能耗；电池温度控制有利于保证电池充放电容量，使电池工作在适合温度下，有效延长电池寿命。多运行模式、多控制对象的系统仅仅依靠传统固定比例系数和积分系数的pi控制器无法精准达到控制目标，运行工况和模式改变时调节效果变差。另外，跨临界co2车辆热管理系统是时变的耦合的系统，不同运行模式和工况无法拟合出固定的传递函数模型，依赖传统的专家经验模糊规则无法取得较好的调节效果。综上，乘员舱温度、电池温度和压缩机排气压力的控制，需要更优化的控制方法和自主设计的模糊规则，亟需基于模糊pi实现比例系数和积分系数在线自动整定的控制方案解决多个pi控制器耦合、调节效果不理想的技术问题。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种基于模糊pi的跨临界co2车辆热管理系统的控制方法，以解决上述现有技术存在的跨临界二氧化碳热管理系统中乘员舱温度、电池温度和压缩机排气压力的控制精度差、调节时间长的技术问题。

2、为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

3、本发明提供的一种基于模糊pi的跨临界co2车辆热管理系统的控制方法，包括：

4、基于第一模糊pi控制器，获取车内送风温度传感器的测量值，根据目标送风温度计算获得差值和差值随时间变化率的精确数值并进行模糊化，通过模糊推理得出模糊比例系数和模糊积分系数之后，使用中心平均解模糊器进行解模糊化处理，获得精确比例系数和精确积分系数，使用pi控制器进行计算，获得用于控制压缩机的压缩机转速；其中，所述第一模糊pi控制器用于输入差值e1、差值e1随时间变化率e1c，输出压缩机的转速，所述差值e1根据车内送风温度传感器的测量值与目标送风温度计算获得；

5、基于第二模糊pi控制器，获取排气压力传感器的测量值，根据系统最优排气压力计算获得差值和差值随时间变化率的精确数值并进行模糊化，通过模糊推理得出模糊比例系数和模糊积分系数之后，使用中心平均解模糊器进行解模糊化处理，获得精确比例系数和精确积分系数，使用pi控制器进行计算，获得用于控制第二双向节流阀的第二双向节流阀开度；其中，所述第二模糊pi控制器用于输入差值e1、差值e2随时间变化率e2c，输出第二双向节流阀开度，差值e2根据排气压力传感器的测量值与系统最优排气压力计算获得；

6、基于第三模糊pi控制器，获取出水温度传感器的测量值，根据目标出水温度计算获得差值和差值随时间变化率的精确数值并进行模糊化，通过模糊推理得出模糊比例系数和模糊积分系数之后，使用中心平均解模糊器进行解模糊化处理，获得精确比例系数和精确积分系数，使用pi控制器进行计算，获得用于控制第一双向节流阀的第一双向节流阀开度；其中，所述第三模糊pi控制器用于输入差值e3、差值e3随时间变化率e3c，输出第一双向节流阀开度，差值e3根据出水温度传感器的测量值与目标出水温度计算获得。

7、本发明的进一步改进在于，所述第一模糊pi控制器中，模糊规则为，

8、

9、其中，kp1表示第一模糊pi控制器经过模糊推理后的模糊比例系数值；ki1表示第一模糊pi控制器经过模糊推理后的模糊积分系数值；nb表示数值属于负大模糊子集、ns表示数值属于负小模糊子集、z表示数值属于零模糊子集、ps表示数值属于正小模糊子集、pb表示数值属于正大模糊子集。

10、本发明的进一步改进在于，所述第一模糊pi控制器中，使用pi控制器进行计算，获得用于控制压缩机的压缩机转速的步骤中，

11、压缩机转速的计算表达式为，

12、

13、式中，n为压缩机转速；为第一模糊pi控制器整定出的精确比例系数；为第一模糊pi控制器整定出的精确积分系数。

14、本发明的进一步改进在于，所述第一模糊pi控制器中，

15、制冷模式下，差值e1属于负论域，极端高温工况作为负论域边界条件；

16、制热模式下，差值e1属于正论域，极端低温工况作为正论域边界条件。

17、本发明的进一步改进在于，所述第二模糊pi控制器或所述第三模糊pi控制器中，模糊规则为，

18、

19、其中，表格框内/的左侧表示第二模糊pi控制器经过模糊推理后的模糊比例系数值kp2或第三模糊pi控制器经过模糊推理后的模糊比例系数值kp3；表格框内/的右侧表示第二模糊pi控制器经过模糊推理后的模糊积分系数值ki2或第三模糊pi控制器经过模糊推理后的模糊积分系数值ki3；nb表示负大模糊子集、nm表示负中模糊子集、ns表示负小模糊子集，z表示零模糊子集，ps表示正小模糊子集，pm表示正中模糊子集，pb表示正大模糊子集。

20、本发明的进一步改进在于，

21、所述第二模糊pi控制器中，使用pi控制器进行计算，获得用于控制第二双向节流阀的第二双向节流阀开度的步骤中，

22、第二双向节流阀开度的计算表达式为，

23、

24、式中，eop2为第二双向节流阀开度；为第二模糊pi控制器整定出的精确比例系数；为第二模糊pi控制器整定出的精确积分系数；

25、所述第三模糊pi控制器中，使用pi控制器进行计算，获得用于控制第一双向节流阀的第一双向节流阀开度的步骤中，

26、第一双向节流阀开度的计算表达式为，

27、

28、式中，eop1为第一双向节流阀开度；为第三模糊pi控制器整定出的精确比例系数；为第三模糊pi控制器整定出的精确积分系数。

29、本发明的进一步改进在于，

30、所述第一模糊pi控制器中，e1＝to-tairout，

31、所述第二模糊pi控制器中，e2＝popt-pdis，

32、所述第三模糊pi控制器中，e3＝tout-ti，

33、其中，to为目标送风温度；tairout为车内送风温度传感器的测量值；popt为系统最优排气压力；pdis为排气压力传感器的测量值；tout为目标出水温度；ti为出水温度传感器的测量值。

34、本发明的进一步改进在于，所述中心平均解模糊器中，

35、求值表达式为，

36、

37、式中，表示第x个模糊集的中心；wl表示高度；n表示模糊集个数。

38、本发明的进一步改进在于，

39、所述第一模糊pi控制器、所述第二模糊pi控制器、所述第三模糊pi控制器中，输入模糊器采用高斯模糊器和梯形模糊器，输出模糊器采用三角形模糊器。

40、本发明的进一步改进在于，

41、所述跨临界co2车辆热管理系统中，

42、压缩机的出口与四通换向阀的c端口相连通；四通换向阀的b端口依次经室外换热器、回热器后分别与第一双向节流阀的一端、第二双向节流阀的一端相连通，第一双向节流阀的另一端与水冷器相连通，第二双向节流阀的另一端与室内换热器相连通；室内换热器的出口、水冷器的出口均与四通换向阀的d端口相连通，四通换向阀的a端口依次经储液器、回热器与压缩机的进口相连通；出水温度传感器用于监测水冷器的出水温度，车内送风温度传感器用于监测室内换热器的出风温度，排气压力传感器用于监测压缩机高压侧的排气压力；

43、所述控制方法中，

44、车厢单独制冷模式时，四通换向阀的b端口与c端口连通，a端口与d端口连通，第一模糊pi控制器、第二模糊pi控制器开启，第三模糊pi控制器关闭，第一双向节流阀关闭；

45、车厢制冷、电池冷却模式时，四通换向阀的b端口与c端口连通，a端口与d端口连通，第一模糊pi控制器、第二模糊pi控制器、第三模糊pi控制器均开启；

46、车厢制热模式时，四通换向阀的a端口与b端口连通，c端口与d端口连通，第一模糊pi控制器、第二模糊pi控制器开启，第三模糊pi控制器关闭，第一双向节流阀关闭；

47、车厢制热、电池加热模式时，四通换向阀的a端口与b端口连通，c端口与d端口连通，第一模糊pi控制器、第二模糊pi控制器、第三模糊pi控制器均开启。

48、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

49、目前已有的跨临界二氧化碳汽车热管理系统的控制中，控制对象复杂、运行模式和工况多变，无法对多个控制目标进行精准的实时动态控制，无法兼顾舒适性、系统性能和电池热管理需求；针对以上现有技术存在的问题，本发明提出了一种基于模糊pi的跨临界co2车辆热管理系统的控制方法，采用第一模糊pi控制器、第二模糊pi控制器、第三模糊pi控制器进行控制，送风温度、排气压力和出水温度的调节不仅依据差值e，同时依据差值随时间变化率ec，二维数据参考有助于系统确定比例和积分调节方向和力度。综上，本发明技术方案可提升系统动态调节性能，有效降低系统调节中的超调量，缩短系统调节时间，更快达到调节目标，更好满足舒适性和系统最优排气压力的控制要求。

50、本发明中，公开了压缩机转速控制送风温度模糊pi控制器(即第一模糊pi控制器)、节流阀开度控制排气压力模糊pi控制器(即第二模糊pi控制器)、节流阀开度控制出水温度模糊pi控制器(即第三模糊pi控制器)的模糊规则、调节原理，具体是满足模式切换、工况变化、温度压力需求变化的动态控制性能优化方法，能够有效降低跨临界co2车辆热管理系统的最高排气压力，提升系统的调节速度，快速达到目标出风和出水温度，满足经济性能和安全性能的优化要求。