汽车空调压缩机排量控制方法的实验研究

第42卷第8期　2008年8月上海交通大学学报J OU RNAL OF SHAN GHA I J IAO TON G UNIV ERSIT YVol.42No.8　Aug.2008　收稿日期:2007208224作者简介:赵　宇(19852),男,河南驻马店市人,硕士生,主要从事汽车空调系统及部件研究.陈江平(联系人),男,教授,博士生导师,电话(Tel.):021*********;E 2mail :jpchen @. 文章编号:100622467(2008)0821274203汽车空调压缩机排量控制方法的实验研究赵　宇,　祁照岗,　陈江平(上海交通大学制冷与低温工程研究所,上海200240)摘　要:以获得最佳舒适温度为目标,利用环境温度、蒸发器表面温度等参数来控制压缩机排量输出,建立了适用于自动控制汽车空调系统的外控变排量压缩机排量控制方法.系统的环模实验和道路实验结果表明,在不同的环境条件下,该控制方法能够较好较快地使得车室内温度达到设定温度.与定排量压缩机自动汽车空调相比,该控制方法的稳定性更好,车室内降温速度更快.关键词:汽车空调;外控变排量压缩机;控制方法;设定温度中图分类号:TB 65 文献标识码:AExperimental Study on a Control Method for Compressor Displacementin Mobile Air Conditioning SystemZ H A O Yu ,　Q I Zhao 2g ang ,　C H EN J i ang 2pi ng(Instit ute of Ref rigeration and Cryogenics ,Shanghai Jiaotong University ,Shanghai 200240,China )Abstract :A new cont rol logic was set up for an externally 2cont rolled variable displacement compressor (EVDC )which is assembled in air conditioning system of auto 2controlled mobile.The environmental tem 2perat ure and evaporator surface temperat ure and so on are taken into account in t he cont rol logic to achieve t he optimum comfortable in 2car temperat ure.The t unnel and road test s result s show t hat t he in 2car envi 2ronment can reach t he set temperat ure quickly by using t he designed cont rol logic.The stability of control logic is better and t he cool 2down time is shorter t han t hat of t he mobile air conditioning system wit h t he fixed displacement comp ressor (FDC ).Key words :mobile air conditioning (MAC );externally 2cont rolled variable displacement compressor (EVDC );cont rol met hod ;set temperat ure 现代汽车技术的发展,已经使得人们不再仅仅满足汽车空调冷热效果,而是向着智能化、自动化和舒适性发展.目前,在一些国外比较高档的汽车上一般都装有自动空调系统.国内外很多学者在汽车空调系统的控制方法和室内舒适性等方面进行了深入研究.在控制方法方面,传统的单输入单输出控制方法已经无法适用于工作环境变化迅速和系统复杂的汽车空调系统.为了更好地反映汽车空调运行特性,多输入多输出方法被应用到空调系统中来[1,2],但是这样的控制模型往往使得控制系统复杂而不稳定.在室内和人体舒适性方面,较多的研究都是基于数学模型.他们一般都是通过建立不同的人体模型、车体模型来研究环境对人体温度、心理波动等方面的动态和静态仿真[3,4].在国内,很多学者都是基于对变排量压缩机的控制来研究汽车空调系统.他们在变排量压缩机的控制阀件[5,6],膨胀阀特性影响[7]及变排量压缩机的特性对系统的影响上作了较多的研究[8,9].国内的研究人员主要注重于部件的研究,对系统的整体和控制方法上的研究比较缺乏.本文将影响车室内温度的参数整合到对外控变排量压缩机的控制中去,提出了一个较简单的控制压缩机排量的方法,对自动控制汽车空调系统的整体性能进行了实验研究.1　控制方法汽车空调运行工况复杂多变,它是一个多变量非线性的耦合系统.在实际运行过程中,环境温度、蒸发器表面温度、太阳辐射等因素对车室内环境的影响尤为明显.在自动空调系统中,越来越多的场合使用外控变排量压缩机.但是外控变排量压缩机的传统控制方式需要检测压缩机排气压力和吸气压力或者是排气温度或者吸气温度等,这就使得系统中必须添加昂贵的压力传感器和管路温度传感器.这样使得系统成本增加,同时使得控制电路部分复杂.在实际控制过程中,可以认为,所有的控制结果都归结为对压缩机的控制,因为它是整个系统的运动部件.因此,将各种对系统的影响因素转化为对压缩机排量输出影响,将会省去大量的传感器,并且会简化系统控制方法.在本文设计的控制方法中,用车室内环境温度和蒸发器表面温度代替压缩机吸排气温度或吸排气压力,利用设定的蒸发器表面温度的上下限来达到节能的效果,因此,外控变排量压缩机排量输出的控制方法可表示为:V dis=α(θe,surf-θe,surf,lower)θe,surf,upper-θe,surf,lower+V min+β(θin-car-θset)+K其中:V dis为压缩机排量输出;θe,surf和θin-car分别为通过温度传感器获得的蒸发器表面温度和车室内温度;θset为乘员所想达到的舒适温度;α和β分别为蒸发器表面温度和车室内温度对压缩机排量的影响因子,其数值通过试验获得且随着系统和压缩机的不同而不同;V min为压缩机运行的最小排量,以防止蒸发器结霜;K为发动机转速变化带来的排量补偿修正,这是因为低发动机转速时的压缩机排量与定转速排量有差异,必须给予修正;θe,surf,upper和θe,surf,lower 分别为设定的蒸发器表面温度的上下限,在实际过程中,可以通过改变这两个值来使得系统节能.图1所示为控制参数位置和系统组成.在控制过程中,来自室内的温度信号和蒸发器表面的温度信号传入空调控制器,经过单片机计算之后输出压缩机排量信号至压缩机控制阀,达到控制压缩机排量的目的.图1　变排量压缩机汽车空调系统图Fig.1　Schematic of automobile air conditioning system with EVDC2　实　验为了测试系统的稳态和动态运行的效果,对装有变排量压缩机的自动控制空调系统分别进行了系统环境模拟实验和道路实验.系统环模实验的原理如图2所示.而道路实验主要是在国内具有典型气候意义的地区进行的,如海南等.图2　环模实验原理图Fig.2　Schematic of tunnel test equipment ofmobile air conditioning(MAC)3　结果分析在本次实验研究中,环模实验的目的主要是测试稳定状态中环境条件变化时的系统响应和车室内温度的变化.图3所示为装有变排量压缩机的自动控制空调在太阳辐射强度增大时的车室内温度变化情况.由图可见,在取样时间内,车室内温度保持较好的稳定,围绕设定温度24℃波动,且波动范围小于1℃,即使在太阳辐射强度突然增大到1kW/m2的情况下.这样的实验结果表明,在环模条件下,系统中所使用的压缩机排量控制方法能够对于环境条件的变化有快速的响应.表1给出了在整个环模实验中车室内实测的平均温度与标准平均温度的对比.在各种环境条件下,该控制方法能够保证车室内环境温度都比标准温度低,满足人体舒适性要求.5721　第8期赵　宇,等:汽车空调压缩机排量控制方法的实验研究 图3　环模实验时车室内温度变化曲线(变排量压缩机)Fig.3　In 2car temperature curve of auto 2controlledMAC in tunnel test (EVDC )表1　环模实验各个时段平均温度对比T ab.1　Comparison of in 2car temperature at eachmeasured period in tunnel testst /min 车速和风速.(km ・h -1)空气循环模式标准车室内平均温度[10].℃实测车室内平均温度.℃2050内循环≤2423.64080内循环≤22206050外循环≤26258080外循环≤2423.61100(怠速)内循环≤3332.6130110外循环≤2423.81600(怠速)外循环≤4039 图4给出了装有定排量压缩机的自动控制空调系统的环模实验结果.由图可见,当环境条件变化时(太阳辐射强度突然增加到1kW/m 2),车室内温度有很明显的波动,而且一直低于设定温度24℃,最大波动达到4℃以上.实验结果表明,一方面较低的温度会降低车室内的舒适性要求,另一方面较低的温度需要更多的冷量而不利于系统节能.图4　环模实验时车室内温度变化曲线(定排量压缩机)Fig.4　In 2car temperature curve of auto 2controlledMAC in tunnel test (FDC ) 图5所示为海南城市道路实验下系统的降温曲线.由图可见,在环境温度33℃左右且设定温度为24℃时,车室内能够较快地达到设定温度,大概在10min 左右,这比定排量压缩机的系统时间要短.同时在整个测试时间内,车室内温度波动范围很小,这使得车室内能够很好地保持人体所需要舒适性.图5　道路实验时车室内温度变化曲线(变排量压缩机)Fig.5　In 2car temperature curve of auto 2controlledMAC in road test (EVDC )4　结　论(1)在分析了自动控制空调系统中变排量压缩机的控制特性的基础上,提出了以车室内温度、设定温度和蒸发器表面温度为参数的全新的压缩机排量输出的控制方法.改变其中的参数可以获得节能的效果,同时该控制方法能够省却掉系统中的昂贵的压力和温度传感器,大大降低了系统成本.(2)环模实验和道路实验结果表明,该控制方法能够较快地达到车室内设定温度,满足人体舒适性要求.在各种环模条件下的车室内温度都能够满足标准设定的温度要求.(3)与定排量压缩机系统对比结果表明,该控制方法能够在各种情况下保持车室内温度的稳定,提高了系统和控制方法的整体可靠性.参考文献:[1]　H E Xiang 2dong ,Liu S ,Asada H.Multivariablefeedback design for regulating vapor compression cy 2cles[C ]//Proceedings of the American Control Con 2ference .Seattle :AACC ,1995:4331-4335.[2]　H E Xiang 2dong ,L IU Sheng ,AsadaHaruhiko.Modeling of vapor compression cycles for multivari 2able feedback control of HVAC systems[J ].Journal of Dynamic Systems ,Measurement ,and Control ,1997,119:183-191.[3]　K aynakli O ,Pulat E ,K ilic M.Thermal comfort duringheating and cooling periods in an automobile [J ].H eat and M ass T ransfer ,2005,41(5):449-458.(下转第1281页)6721上　海　交　通　大　学　学　报第42卷　参考文献:[1]　Tather M,Tantekin2Ersolmaz B,Erdem2SenatalarA.A novel approach to enhance heat and mass trans2fer in adsorption heat pumps 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