基于热舒适和低病毒感染风险的电动汽车空调控制方法技术

本发明专利技术涉及一种基于热舒适和低病毒感染风险的电动汽车空调控制方法，属于整车热管理技术领域。该方法包括步骤：S1：建立汽车空调系统和乘员舱的热耦合模型；S2：建立基于乘员舱的病毒感染风险评估模型；S3：建立与汽车空调系统和乘员舱的热耦合模型相匹配的模型预测控制器；S4：结合病毒风险感染评估模型，建立完整的针对乘员舱内驾驶员与乘客的舒适与健康的空调系统控制器。本发明专利技术采用模型预测控制，适合于多输入多输出的空调控制系统，控制器高效节能，且具有降低病毒感染风险的效果，在整个车辆行驶过程中为乘客的舒适安全保驾护航。个车辆行驶过程中为乘客的舒适安全保驾护航。个车辆行驶过程中为乘客的舒适安全保驾护航。

【技术实现步骤摘要】
基于热舒适和低病毒感染风险的电动汽车空调控制方法


[0001]本专利技术属于整车热管理
，涉及基于热舒适和低病毒感染风险的电动汽车空调控制方法。

技术介绍

[0002]考虑到乘员舱内驾驶员和乘客对舒适性、安全性和健康性的要求，暖通空调系统(HVAC)是车辆最重要的辅助系统之一。然而，暖通空调系统能耗较大，电动汽车面临着暖通空调系统带来的能耗困扰，导致电动汽车续航里程的下降。有关研究表明，HVAC系统可使电动汽车的续航里程减少30％-40％，在某些极端条件下，甚至可减少更多。在智能性方面，由于汽车智能化发展需求，汽车空调需要做到比传统空调更加智能来提升驾驶热舒适性。因此，如何减少电动汽车空调系统的能耗并且提高乘客的舒适性，是如今电动汽车热管理系统研究的重点之一。
[0003]近年来，甲型H1N1流感、新冠肺炎流行性疾病等在全球范围内传播迅速，尤其在空间狭小的室内环境中，疾病通过空气传播的效果较为明显。现在的新冠肺炎(COVID-19)已对各国造成了巨大的生命和经济损失。而车辆作为最常见的交通工具，在人们的日常生活中占据了大量的时间，狭小空间的乘员舱可成为该类型呼吸道疾病(包括COVID-19)轻易传播的完美场所。在降低室内疾病感染风险方面，加强通风被证明是一种有效的手段。因此，汽车暖通空调系统的合理外循环通风对乘客的健康和预防感染尤为重要。另外，暖通空调系统的能源成本相当高，外循环通风会进一步增加暖通空调在客舱温度控制方面的能耗。如何设计并实现智能控制是汽车空调系统的研究重点之一。
[0004]实现压缩机转速的精确控制是保障乘员舱温度精确控制的前提。电动汽车压缩机主要以电机带动的方式运行，不受车速和发动机转速影响，控制较为灵活精确。在控制领域中，现如今的控制方法类型多样。现在汽车空调系统主流的控制方法，是基于规则的开关控制器并根据相应的查表的方式进行控制，或者PID控制，模糊控制等一些较为传统的方法。这些传统的控制方法主要根据系统给予的反馈信号，利用目标值与反馈值的差值进行控制与调节。此类型的控制方法虽然简单，但是对于汽车系统而言，车速变化剧烈，工况多变。单单依靠传统的反馈信号的方式的效果往往具有一定局限性。另外，传统的纯反馈控制器没有涉及优化算法，因此在面对多输入多输出系统，尤其像汽车空调需同时控制压缩机转速、膨胀阀开度、风扇转速等多个控制变量，各个控制量很难实现高效合理的搭配，使得控制效果难以保证。当汽车工况迅速变化时，反馈回来的信号支持当前时间的系统，但系统状态变化迅速，当控制器最终作用在系统上时，往往已经不是最佳操作。或者说，即使反馈信号对于当前来说是最佳操作，但对于未来长远来说却不一定是最佳操作。因此，为了进一步提升控制器的效率与智能性，同时满足汽车空调系统多输入多输出控制需求，需要用更为具有预测性的控制器。
[0005]模型预测控制(MPC)是目前较为先进的控制方法，可通过建立被控系统的状态模型，根据所建立的状态模型可实现具有预测功能的预测控制。它能够实时在线地根据系统
的当前时刻的控制输入以及当前时刻的状态值，预测过程输出的未来值。进而通过优化计算，给出当前状态下最佳控制，使得整个控制过程更为准确高效，实现效率与智能性的提升。
[0006]同时，通风系统保证乘员舱空气质量也尤为重要，乘员舱内较好的空气质量能够提高舒适性并且有效的降低类似于新型冠状病毒(COVID-19)主要通过呼吸道传播的疾病感染风险。随着人们生活水平的提高，对汽车智能化和电气化的要求也在不断提高，对车内舒适温度和健康空气质量进行智能控制的需求日益明显。因此，以舒适温度控制、降低病毒感染风险和节能为目标，提出了一种电动汽车暖通空调系统智能协同控制策略。
[0007]目前，保证乘员舱热舒适性的同时控制乘员舱控制质量以降低疾病感染风险的智能控制方法尚未出现。

技术实现思路

[0008]有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种基于热舒适和低病毒感染风险的电动汽车空调控制方法。
[0009]为达到上述目的，本专利技术提供如下技术方案：
[0010]一种基于热舒适和低病毒感染风险的电动汽车空调控制方法，包括以下步骤：
[0011]S1：建立汽车空调系统和乘员舱的热耦合模型；
[0012]S2：建立基于乘员舱的病毒感染风险评估模型；
[0013]S3：建立与汽车空调系统和乘员舱的热耦合模型相匹配的模型预测控制器；
[0014]S4：结合病毒风险感染评估模型，建立完整的针对乘员舱内驾驶员与乘客的舒适与健康的空调系统控制器。
[0015]进一步，所述步骤S1具体包括以下步骤：
[0016]S11：建立一维汽车空调系统动态热数学模型，所述汽车空调系统包括压缩机，冷凝器，蒸发器和膨胀阀，其中蒸发器与冷凝器的动态模型基于移动边界法建立；
[0017]S12：建立简化的一维乘员舱系统动态热模型，并与空调系统模型耦合；
[0018]进一步，步骤S11中所述一维汽车空调系统动态热数学模型包括：
[0019]1)建立压缩机内制冷剂一维动态模型，表示如下：
[0020][0021][0022]其中，为压缩机的质量流量，η
v
为容积效率，ρ
r
为制冷剂密度，N
comp
为压缩机转速，V
d
为压缩机排量，h
c，o
为压缩机出口比焓值，h
c，i
为压缩机进口比焓值，h
is，o
为压缩机出口等熵比焓值，η
is
为等熵效率。
[0023]2)对于膨胀阀，由于膨胀阀中的膨胀过程可看作是绝热过程，故其动态过程中，通过膨胀阀制冷剂质量流量与其膨胀阀压降ΔP的关系由下式表示：
[0024][0025]其中，C
q
为膨胀阀的流量系数，ρ
v
为通过膨胀阀的制冷剂密度，A
v
为膨胀阀的最小
流通面积。
[0026]3)根据移动边界法，蒸发器中的气体和液体制冷剂满足质量守恒定律，故对于蒸发器的两相区的长度le的变化由下式得到：
[0027][0028]蒸发器中压力P
e
随时间的变化表示为：
[0029][0030]再根据能量守恒定律，蒸发器壁面温度的变化表示为：
[0031][0032]其中，ρ
le
是蒸发器中液体制冷剂的密度，h
lge
为蒸发器中制冷剂的气化潜热，A
e
为蒸发器的扁管微通道总的截面积，为蒸发器两相区的平均空隙率，h
ge
、h
le
和h
ie
分别表示在当前压力下蒸发器中气体、液体以及进口的制冷剂的比焓值，a
ie
是两相区中蒸发器内壁与制冷剂间的换热系数，D
ie
是蒸发器扁管内部的直径，T
we
为蒸发器壁面温度，T
re
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于热舒适和低病毒感染风险的电动汽车空调控制方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：S1：建立汽车空调系统和乘员舱的热耦合模型；S2：建立基于乘员舱的病毒感染风险评估模型；S3：建立与汽车空调系统和乘员舱的热耦合模型相匹配的模型预测控制器；S4：结合病毒风险感染评估模型，建立完整的针对乘员舱内驾驶员与乘客的舒适与健康的空调系统控制器。2.根据权利要求1所述的基于热舒适和低病毒感染风险的电动汽车空调控制方法，其特征在于：所述步骤S1具体包括以下步骤：S11：建立一维汽车空调系统动态热的数学模型，所述汽车空调系统包括压缩机，冷凝器，蒸发器和膨胀阀，其中蒸发器与冷凝器的动态模型基于移动边界法建立；S12：建立简化的一维乘员舱系统动态热模型，并与空调系统模型耦合。3.根据权利要求2所述的基于热舒适和低病毒感染风险的电动汽车空调控制方法，其特征在于：所述步骤S11中，一维汽车空调系统动态热数学模型包括：1)建立压缩机内制冷剂一维动态模型，表示如下：1)建立压缩机内制冷剂一维动态模型，表示如下：其中，为压缩机的质量流量，η
v
为容积效率，ρ
r
为压缩机入口处的制冷剂密度，N
comp
为压缩机转速，V
d
为压缩机排量，h
c，o
为压缩机出口比焓值，h
c，i
为压缩机进口比焓值，h
is，o
为压缩机出口等熵比焓值，η
is
为等熵效率；2)对于膨胀阀，其动态过程中，通过膨胀阀制冷剂质量流量与其膨胀阀压降ΔP的关系由下式表示：其中，C
q
为膨胀阀的流量系数，ρ
v
为通过膨胀阀入口处的制冷剂密度，A
v
为膨胀阀的流通面积，ΔP为压降，即膨胀阀入口与出口压差；3)根据移动边界法，蒸发器中的气体和液体制冷剂满足质量守恒定律，故对于蒸发器的两相区的长度le的变化由下式得到：蒸发器中压力P
e
随时间的变化表示为：再根据能量守恒定律，蒸发器壁面温度的变化表示为：其中，ρ
le
是蒸发器中液体制冷剂的密度，h
lge
为蒸发器中制冷剂的气化潜热，A
e
为蒸发
器的扁管微通道总的截面积，为蒸发器两相区的平均空隙率，h
ge
、h
le
和h
ie
分别表示在当前压力下蒸发器中气体、液体以及进口的制冷剂的比焓值，a
ie
是两相区中蒸发器内壁与制冷剂间的换热系数，D
ie
是蒸发器扁管内部的直径，T
we
为蒸发器壁面温度，T
re
是蒸发器当前压力下制冷剂的饱和温度，L
e
是蒸发器扁管的总长度，(C
p
m)
we
表示蒸发器材料的比热和蒸发器的质量，a
o
是空气与蒸发器壁面间的换热系数，A
oe
为蒸发器的迎风面积，T
ae
是当前蒸发器周围空气的温度，该变量与通风风门开启与关闭状态有关联，其变化表示为：其中，T
a
为乘员舱温度，T
ac
为乘员舱外界环境温度；4)对于冷凝器，其换热原理与蒸发器相似，利用质量守恒和能量守恒定律，故有：4)对于冷凝器，其换热原理与蒸发器相似，利用质量守恒和能量守恒定律，故有：4)对于冷凝器，其换热原理与蒸发器相似，利用质量守恒和能量守恒定律，故有：为简化模型，假定空调系统制冷剂在整个制冷循环管路中没有泄露，则系统中总的制冷剂的质量保持不变，则蒸发器和冷凝器中制冷剂总的质量视为常数，故有：其中，ρ
lc
是冷凝器中液体制冷剂的密度，h
lgc
为冷凝器中制冷剂的气化潜热，A
c
为冷凝器的扁管微通道总的截面积，为冷凝器两相区的平均空隙率，h
gc
、h
lc
和h
ic
分别表示在当前压力下冷凝器中气体、液体以及进口制冷剂的比焓值，a
ic
是两相区中冷凝器内壁与制冷剂间的换热系数，D
ic
冷凝器扁管内部的直径，T
wc
为冷凝器壁面温度，T
rc
是冷凝器当前压力下制冷剂的饱和温度，L
c
是冷凝器扁管的总长度，(C
p
m)
wc
表示冷凝器材料的比热和的质量，a
oc
是空气与冷凝器壁面间的换热系数，A
oc
为冷凝器的迎风面积，T
ac
是当前冷凝器周围空气的温度，即环境温度，∑表示常数；冷凝器空气侧换热系数a
oc
由外部风速影响，在汽车行驶中，冷凝器外部风速由车速影响，故a
oc
与车速的关系由实验拟合出，表示为：a
oc
f
p2
(V
car
)其中，车速V
car
由驾驶员决定，而非空调系统控制器调节，在空调系统控制中，车速看作为扰动输入。4.根据权利要求2所述的基于热舒适和低病毒感染风险的电动汽车空调控制方法，其特征在于：所述步骤S12中，建立一维乘员舱系统热模型并与空调系统模型耦合包括：汽车乘员舱的总热负荷表示为：在行车期间，车舱与外界对流换热量受车速V
car
和环境温度T
ac
影响，并且这两个
变量是不受控制器控制的输入扰动，在换热模型中，由下式计算：其中T
s
为乘员舱外围的结构的温度，基于能量守恒定律，外围结构的温度的动态变化由下式表达：由能量守恒定律知，乘员舱的空气温度动态变化表示为：其中，为车身表面结构的换热，为太阳辐射热负荷，为通风引起的热负荷，为人体热负荷，为机械和仪表热负荷，T
cab
为汽车车舱的温度，为单位时间空调系统传入客舱的制冷量，M
a
为汽车车舱体积范围内的空气质量，cp
a
为空气比热，h
o
是外部车舱外围结构外侧与空气侧的换热系数，由车速决定，S为汽车车舱外表面结构的总的表面积，h
i
为汽车车舱内表面与空气的换热系数，M
s
和C
ps
分别是车舱外围封闭结构的质量和比热；通过以上数学模型，最终建立乘员舱和空调系统的耦合动态模型，模型中的状态变量表示为：X＝[l
e P
e T
we P
c T
wc T
s T
a
]
T
。5.根据权利要求1所述的基于热舒适和低病毒感染风险的电动汽车空调控制方法，其特征在于：所述步骤S2具体包括以下步骤：S21：建立乘员舱病毒感染风险评价模型；乘员舱是一个狭窄的室内环境，它是病毒传播的较为理想的场所；针对控制车内空气中病毒载体quanta浓度以降低病毒感染风险的问题，建立了风险评估模型来量化空气传播感染风险：上式中，R为人员感染的风险率，该值为乘员舱空调控制系统的控制目标之一；IR为易感染者的吸气速率，T为易感染者的暴露总时长，C
q
为病毒载体quanta的体积浓度，其计算由下式表示：其中，V为乘员舱体积，ER
q
为感染者的病毒载体quanta发射速率，是导致病毒感染风险率R上升的原因，在感染者打喷嚏时其作用尤为明显；R
d
为感染者呼出的气溶胶颗粒物沉积速率，R
i
为病毒灭活率，AER为乘员舱换气率，该值在通风风门开启时与蒸发器风扇转速N
fan
成正比，在通风风门关闭时为0。6.根...

【专利技术属性】
技术研发人员：谢翌，欧景志，刘钊铭，李夔宁，
申请(专利权)人：重庆大学，
类型：发明
国别省市：