（电力电子与电力传动专业论文）“超越”系列燃料电池轿车电动空调系统研制.pdf

安徽理i ：人学硕十学位论文 a b s t r a c t t h r o u g hr e v i e w i n ga n ds u m m a r i z i n g t h er e s e a r c hr e s u l t so ft h ea u t o m o b i l e a i r - c o n d i t i o n i n gs y s t e ms p e c i a l l yt h ea u t o m o b i l ea u t o m a t i ca i r - c o n d i t i o n i n gs y s t e m ， b a s e do ut h em a s s i v ec h i n e s ea n df o r e i g nl i t e r a t u r ea n de x p e r i m e n t a ld a t a ，t h i sa r t i c l e e s t a b l i s h e da u t o m a t i cc e n t r e im o d e lo ft h ef u e lc e l lv e h i c l e “s t a r t ”e l e c t r i c a i r - c o n d i t i o n i n gs y s t e m s ，d i s c o v e r e dt h ek e yf a c t o r sw h i c hi n f l u e n c e st h ea u t o m a t i c c o n t r o lo ft h ef u e lc e l lv e h i c l ee l e c t r i ca i r - c o n d i t i o n i n g , h o wt od e s i g nt h ea i r c o n d i t i o n i n gc o n t r o l l e ra n d t h ee l e c t r i c - c o m p r e s s o rd r i v e rr e a s o n a b l yw a s v e r y i m p o r t a n t ，a n dw h e t h e rt h es y s t e mc o u l dr u ne c o n o m i c a l l ya n ds t a b l yw a sa b o u tt o d i r e c t l yd e t e r m i n et h ed e s i g no ft h ee l e c t r i ca i r - c o n d i t i o n i n gw h e t h e rs u o c c 豁o rf a i l u r e i nt h ed e v e l o p m e n tc o u r s eo ft h ee l e c t r i ca i r - c o n d i t i o n i n gc o n t r o l l e r , u t i l i z e dt h e a d v a n c e di n t e l l i g e n c ec o n t r o lm e t h o da n dt h ep r a c t i c a le x p e r i e n c e , t h i sd e s i g nh a d d e t e r m i n e dt h ep r e c e p to ft h ep r i m a r yf u n c t i o no ft h ee l e c t r i ca i r - c o n d i t i o n i n g t o e n h a n c et h ec o m f o r t a b l e n e s so ft h ee l e c t r i ca i r - c o n d i t i o n i n g ，t h ed e s i g na l s oh a d d e s i g n e dm a n yc o m p e n s a t o r yf u n c t i o n s ，a n dh a dc o n f i r m e dn o to n l yt h ea c c u r a c yo f t h ec o n t r o ls t r a t e g yb u ta l s ot h ep r e c i s i o nt h r o u g ht h ea i r - c o n d i t i o n i n gp e r f o r m a n c et e s t o ft h ee n t i r ev e h i c l e t h i sp r o j e e lw h i c hb e l o n g st os h a n g h a if u e lc e l lv e h i c l ep o w e r t r a i nc o ，l i da n d t o n g j iu n i v e r s i t yw a st h ea c t u a lp r o d u c td e v e l o p m e n t c o o r d i n a t i n gw i t ht h ep e c u l i a r r u n n i n gc i r c u m s t a n c eo ft h ef u e lc e l lv e h i c l e ，t h i sd e s i g nh a dd e v e l o p e dt h ea u t o m a t i c a i r - c o n d i t i o n i n gs y s t e m m a s s i v ee x p e r i m e n t a ls t u d i e sc o n f i r m e dt h a tt h ed e s i g no ft h e a u t o m a t i ca i r - c o n d i t i o n i n gs y s t e mw a sr e a s o n a b l e ，t h ep e r f o r m a n c ew a sr e l i a b l e ，a n d t h ef u n c t i o ns a t i s f i e da l lr e q u i r e m e n t sc o m p l e t e l y i th a da c h i e v e dt h ea n t i c i p a t e d d e s i g ng o a l m o r e o v e r ，t h ed e c r e a s e d - t e m p e r a t u r ep e r f o r m a n c ea n dt h e c o m f o r t a b l e n e s so ft h ee n t i r ev e h i c l ew a sb e t t e rt h a nt h ee x i s t i n ga i r c o n d i t i o n i n g s y s t e m t h ed e s i g nh a dm a d ec o n t r i b u t i o n st ot h ec o m f o r t a b l e n e s so ft h ef u e lc e l l v e h i c l e t o o kt h ef u e lc e l lv e h i c l e “s t a r t ”a st h ep r o t o t y p e 。t h ea u t o m a t i c a i r - c o n d i t i o n i n gs y s t e ma l r e a d yh a db e e ns u c c e s s f u l l ya p p l i e dt om a n yk i n d so f v e h i c l e s ，a n dt h ee l e c t r i ca i r - c o n d i t i o n i n gs y s t e md e s i g n e db yt h ea u t h o rh a db e e n i n s t a l l e di nap a s s e lo ft h ef u e ic e l lv e h i c l e “s t a r t ” 摘要 f i g u r e 【4 6 】t a b l e 【7 】r e f e r e n c e 【5 3 】 k e y w o r d s ：t h ee l e c t r i ca i r - c o n d i t i o n i n gs y s t e m ，t h ef u e lc e l lv e h i c l e ，f u z z yc o n t r o l ， t h eb r u s h l e s sd cm o t o r c h i n e s eb o o k sc a t a l o g ：t p 3 0 2 1 1 l i ， 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方以外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 塞徼堡工太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示谢意 学位论文作者签名：备垒日期：圣立年一占月j 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解塞邀堡王太堂有保留、使用学位论文 的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属于 塞筮堡王太堂学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的 复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅本人授权安徽理工大学 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采 用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文( 保密的学位 论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：辛辱纬签字日期) 年翻6 日 导师签名：蛳签字日期：沙哆年多月牙日 引 言 引言 为了应对环境和能源问题，汽车行业已经开发和生产了大量的电动、混合动 力和燃料电池汽车。因为燃料电池汽车以氢为燃料，通过氢和氧的反应产生电能 供给动力系统，尾气只有水蒸气，所以堪称“零污染”的理想环保车与燃油汽 车一样，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，提高其舒适性从节能方面考虑，热电空调系统因效率太低而无法被 电动车所接受；从市场方面要求，希望汽车空调装置能够进一步降低成本，空调 控制系统能够实现自动化、智能化；从乘客和驾驶员方面要求，车内温度要合理 分布，要求操作简便，空调装置应向全季节型发展。因此，国家8 6 3 电动汽车重 大专项项目组提出了电动空调课题。新能源电动汽车的驱动力都来之于大功率直 流电机，而不是传统的发动机，驱动方式的改变必须有与之匹配的压缩机，直流 无刷电机驱动的电动压缩机的出现满足了这一类车的空调需求。针对超越系列燃 料电池轿车开发出的一套空调系统，主体正是采用了直流无刷电机驱动的压缩制 冷系统，试验结果表明，其性能与普通燃油汽车空调系统基本相当 安徽理工大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 本课题国内外研究现状及发展趋势 1 1 1 汽车空调国内外研究现状 我国的汽车空调起步较晚，技术含量低于国外先进水平，面1 临着产品升级换 代的问题。我国现有主要汽车空调生产厂家( 中外合资企业) ，如：上海德尔福汽 车空调系统有限公司、上海三电贝洱汽车空调有限公司等，他们绝大部分是引进 国外的生产线和生产设备，根据自己的空调系统生产配套的空调控制器。随着我 国汽车配件市场的逐步开放，国内汽车空调生产厂家面临国外同行的严重挑战 因此，国内汽车空调生产厂家如何走上专业化、规模化经营之路，将成为我国未 来几年汽车空调业迫切需要解决的问题长期以来，国外的许多相关厂家一直致 力于汽车空调的改进与新产品的研制，并且投入了大量的人力物力，同时得益于 微机控制、微电子技术的发展，取得了相当的成就欧洲，日本等汽车工业发达 国家的汽车公司相继开发出了各自的自动空调系统目前，美国生产的轿车3 2 装备了自动空调系统，只要预先设定好温度，机器就能自动地在设定的温度范围 内工作，有6 2 的轿车装备了手动空调系统【1 0 1 传统的汽车自动空调系统主要是对采暖系统和通风系统进行控制，而对制冷 系统的运行仅起监测和保护作用具体内容如下：控制进风风门的开度，改善车 内空气质量和提高车内温度变化速率；控制鼓风机的开停，避免冬季采暖时因发 动机水温过低，冷空气直接进入车内；控制鼓风机转速，调节出风速度；控制温 度调节风门的开度，调节出风温度；控制模式风门的开关，调节出风角度，满足 吹面、吹脚、除霜等要求：控制暖风水阀的开闭，满足最大制冷模式的要求；时 刻监测制冷系统压力，保护制冷系统安全运行，并通过调节冷凝风扇的转速和压 缩机启停来确保系统在正常压力范围内工作。 上世纪九十年代以后，随着单片机控制技术的不断发展及其在汽车上的广泛 应用，在一些中、高级轿车上，相继出现了由单片机控制的汽车全自动空调系统。 因其采用了微处理器和存储器，可根据固化在内部的控制程序实现精度更高和功 能更强大的自动控制。同时用光电二极管式阳光传感器代替了仪表板温度传感器， 使对车室内热负荷影响最大的太阳辐射强度感知更加灵敏准确。它不仅可以自动 控制出风温度和风量，而且还可以自动控制出风模式和进风模式，乘客只需设定 自己喜好的温度，便可不再进行任何操作，大大减轻了操作强度，是真正意义上 2 - 1 绪论 的汽车全自动空调系统。这种汽车全自动空调系统以微型计算机为控制中心，结 合各种传感器对汽车发动机的有关运行参数( 如水温、转速等) 、车外的气候条件 ( 如气温、空气湿度、日照强度等) 、车内的气候条件( 如平均温度、湿度等) 、空 调的送风模式( 如送风温度、送风口的选择等) 等多种参数进行实时检测，并与操 作面板送来的信号( 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，通过相应的执行机构( 如真空电磁 阀、风门电机和继电器等) 做及时的调整和修正，以实现对车内空气环境进行全季 节、全方位、多功能的最佳控制和调节。同时它还具备自我诊断、保护和容错功 能 近几年才诞生的新型数字式汽车全自动空调系统除了可以实现传统的汽车自 动空调系统的功能外，还可实现对制冷系统的控制即通过对压缩机的排量和节 流阀开度的控制，实现对制冷系统内制冷剂流量控制。从而提高了控制精度并实 现了节能 现在国内轿车空调系统的风机转速、出风温度、新风风量及送风模式等功能 一般多为驾驶员手动操纵和调节标致5 0 5 型轿车空调的电子控制系统输入参数 有5 个：车内温度、环境温度、蒸发器温度、送风温度及人为设定值，可以控制 风机转速、压缩机离合及热水阀，其控制不是经过计算而是通过一些比较器进行 电位比较来进行相应的控制。奥迪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，压缩机离合根据蒸发器温度控制。奥拓轿车空调就更为简单， 没有舒适性控制用的传感器，温度均靠人为控制【矧而国外的轿车空调控制系统 相对高级得多，其中日本丰田的高档车【麒慨l s 4 0 0 u c f l 0 型轿车空调控制较为典 型，该车型有6 个传感器，分别测车内温度、车外环境温度、蒸发器温度、冷却 水水箱温度以及阳光辐射强度、压缩机转速等参量，其执行器包括控制压缩机磁 吸、风机转速和各种风门伺服马达，各马达分别控制温度混合风门、新风风门和 模式风门在自动功能下该空调e c i j ( 电子控制单元) 首先计算送风温度，并根据 送风温度控制风机转速、混合风门开度、压缩机离合及送风模式 目前，国内外轿车空调大多存在蒸发器运行时的结霜、轿车动力与空调动力 相矛盾等问题。考虑到轿车空调控制的不足之处，从发展全自动微机控制轿车空 调系统出发。我们在轿车空调制冷系统中引入电脑型节流元件一电子膨胀阀。在 结合适合轿车空调系统的多输入多输出控制算法的基础上，有望取得较好的控制 效果。 3 安徽理工大学硕士学位论文 1 1 2 汽车空调发展趋势 汽车是高速移动的物体，为保证其基本功能：定额载人( 货) 、高速安全行驶， 汽车要求自身重量尽量轻、有效载人( 货) 空间尽量大、部件可靠性好、耐振动、 效率高空调作为汽车的种部件，与其它部件一样，应尽量满足上述要求，所 以，“结构紧凑( 体积小) 、重量轻、效率高、功耗低、可靠性好、空调性能好” 一直是汽车空调发展的基本目标。为此，对汽车空调结构和系统配置不断地进行 改进。通过采用高效率、紧凑型换热器结构形式和高效管片结构、减薄管片厚度、 用铝代替铜等措施，使蒸发器和冷凝器的重量及体积大幅度降低。通过采用多缸 化结构、用铝代铁、取消平衡块或油泵等、采用先进的加工工艺、简化压缩机连 接支架等方法使压缩机的重量及体积大为减小，通过改进压缩机内部结构，采用 高效率机型等办法不断降低压缩机功耗。通过对系统匹配的改进、自控程度的提 高，使空调系统的性能日趋完善。中国汽车空调协会有关人士预测说，我国未来 汽车空调将会朝以下几个方向发展1 2 2 l ： 1 全自动空调将得到广泛的普及。 全自动空调能通过计算机判别汽车内外空气条件、日照、车速及发动机水温， 并可自动调节温度、湿度、风量、风向。自动除霜、降低噪声的新型汽车空调系 统，预计在未来的3 5 年内，全自动空调在高档乘用车上的普及程度将达到8 0 以上。 2 无刷直流电机驱动的电动压缩机和涡旋式压缩机将得到更大的发展。 旋叶式压缩机由于成本比较低，将占据着微型车市场，而对于电动汽车、燃 料电池车、混合驱动车等新动力汽车，采用电动压缩机是最好的出路电动汽车 空调也将随着新能源轿车的普及将获得很大程度的发展。 3 空调功耗进一步降低。 无论从环保、节能、减少对汽车动力性影响、降低空调设备成本等任何一个 角度出发，尽量降低空调功耗都是未来的发展方向 4 空调市场将进一步细分。 目前在国内，货车及一些专用车的空调普及率还不高，为这类车辆提供配套 的空调生产企业也比较少随着汽车生产企业及用户在这方面的意识逐渐加强， 他们对这类汽车空调的要求也将逐步提高。 5 形成专业化配套生产，并且提升维修后市场空问 在产品保证品质的前提下，价格成为影响消费者决定的关键因素，由于4 s 4 1 绪论 店的产品价格过高，专业化的后市场配套服务在汽车社会将会形成一个巨大的市 场。 1 2 课题研究的主要内容 本课题为工程实际项目。是同济大学、上海燃料电池汽车动力系统有限公司 和上海儒竞电子科技有限公司合作开发的电动空调控制系统。学习借签国内外较 成熟的应用技术和先进经验，根据产品要求，大体确定以下研究内容： 1 系统整体方案的设计 仔细分析国外先进的全自动电动空调控制系统的特点，借鉴他们的成功经验， 结合我国的实际情况，进行总体方案的设计对以往的轿车空调控制系统的温度 设定，真空操作等部分进行改进，开发出具有风口自动转换，温度范围可调，满 足一定湿度及清洁度的空调控制系统。另外，根据燃料电池轿车的特殊要求，对 电动压缩机的无刷直流电机传动系统进行了探讨 2 控制系统的硬件电路的设计 空调控制器控制系统采用了p 8 9 c 3 8 单片机为主控单元，还包括模拟信号采集 电路、压缩机运行频率控制、压缩机启停控制、压缩机状态检测、c a n 通讯、人 机接口单元、伺服机构控制等 3 模糊控制理论的研究以及模糊控制技术的应用 学习模糊控制的基础，并结合汽车空调控制系统的实际情况，将模糊控制技 术初步用于空调控制器 4 系统软件的设计 软件主要是指系统主程序的设计，此外，为了弥补硬件抗干扰能力的不足， 还进行了软件抗干扰的设计。 5 台架的试验调试及初步装车 进行台架的实验调试和整车环境模拟试验，确定各种控制参数并进行优化 检验开发出的电动空调系统是否达到设计要求，运行是否准确可靠。 1 3 论文预期成果的理论意义和应用价值 目前国内轿车空调控制系统都很简单，大部分都是手动控制，凭人的感觉来 调节开关，因而温度、湿度及风量难以控制并且国内外生产的轿车空调绝大部 分不具备同时制冷、制热、除湿、通风等功能，而我们所研制的燃料电池汽车空 调控制系统采用了先进的电子技术以及模糊控制技术，使得空调系统的控制效果 5 安徽理工大学硕士学位论文 日趋完善。该控制系统根据燃料电池轿车的特殊性，采用了直流无刷电机直接驱 动的电动压缩机，克服原来产品的不足，增加了许多功能，加之采用了先进的控 制方法使得它具有节能、智能化、自动化等优点，运用这种空调系统能进行全天 候的空气调节，在人为设定的温度情况下，该系统可根据外界环境的变化及其它 情况的变化进行多档位、多模式的微调，从而达到设定的最佳值，使车内始终保 持舒适的人工气候环境该系统能够广泛应用于燃料电池轿车、混合动力等各种 电动汽车上，对提高新能源轿车的竞争力有很大意义【n 】由于成本增加不多，也 可以用于传统汽车的技术升级，因此，燃料电池轿车电动空调项目同样具有产业 化现实意义。 - 6 2 燃料电池轿车超越三号电动空调系统 2 “超越”系列燃料电池轿车电动空调系统 要对某个系统进行控制时，必须要对这个控制对象有一定的认识和了解，熟 悉整个系统各个组成部分的结构、功能特点以及各个组成部分之间的内部联系， 对燃料电池轿车空调系统的控制也不例外。为了对燃料电池轿车空调系统进行有 效的控制，先对燃料电池轿车以及该空调系统做一个简单的介绍。 2 。1 “超越”系列燃料电池轿车介绍 目前，发达国家如美国、日本、法国和德国，都在潜心致力于燃料电池轿车 的研究最新统计资料表明，己经有近2 0 家汽车公司1 0 0 余种车型的燃料电池汽 车闯世他们中的大多数已经告别了研发阶段，迈入千辆级水平的小批量生产阶 段。据了解，奔驰公司今年将生产用燃料电池驱动的5 0 0 辆轿车、4 0 0 辆工具车 和1 0 0 辆大巴，其价值估计比一般的汽车高出1 0 左右。日本的丰田、本田两家 公司也已经走在前头，率先实现了混合动力汽车的产业化i 切。对于中国而言，研 究燃料电池汽车是一个可以发展汽车事业但又聪明避开劣势的绝好机会，把握得 好，将来中国就会拥有纯正中国血统的汽车。 图1 。超越”系列燃科电池轿车 f i g 1f u e l c e l lv e h i c l e 。s t a r t ” 图1 所示为“超越”系列氢能燃料电池轿车( f i 擅v ) ，它是由同济大学、上海 燃料电池汽车动力系统有限公司、上海大众等多家公司联合开发推出的一款新能 源轿车，它采用电一电混合动力系统和自承载底盘，以5 0 k w 燃料电池发动机为 主要动力源，配以1 5 a h 高功率锂离子电池，能够回收下坡和制动能量。在巴黎 举行的“2 0 0 6 年米其林必比登清洁能源汽车挑战赛”上，两辆“超越三号”参加 了氢能燃料组比赛，并获得了比赛优胜奖此次参加挑战赛的“超越三号”参加 了燃油经济性、污染物排放、二氧化碳排放、噪声、障碍、加速、制动等全部共 7 个项目的严格测试。其中，能源经济性测试要求环保车辆在高速环路、公路道 7 安徽理工大学硕士学位论文 路和城市道路三种不同道路环境、不同时速下进行测试。“超越三号”以百公里 耗氢仅1 0 4 千克，折合汽油能耗仅3 5 9 升的超低能耗获得a 级( 最高评级) 评价 此外，“超越三号”还在噪声、污染物排放、二氧化碳捧放测试中获得了a 级的 好成绩，在绕障碍蛇行试验中得分为“b ”。 表1 中列出了“超越三号”的主要性能指标。 表1 “超越三号”主要性能 t a b l e l “s t a r ti i i p r i m a r yp e r f o r m a n c e 技术指标超越三号- $ 3 0 0 0 最高时速( i r a h ) 1 2 2 加速时间( s ) 0 - 1 0 01 9 爬坡度 2 0 续驶里程( 1 【m )2 3 0 燃料经济性( k g 百公里) 1 0 4 燃料电池是一种将储存在燃料和氧化剂中的化学能，直接转化为电能的装置。 当源源不断地从外部向燃料电池供给燃料和氧化剂时，它可以连续发电【1 5 l 。燃料 电池轿车类型根据其燃料电池自身的不同又可细分为多种情况：碱性燃料电池 ( a f c ) 、磷酸型燃料电池( p a f c ) 、熔融碳酸盐燃料电池( m c f c ) 、固体氧化 物燃料电池( s o f c ) 及质子交换膜燃料电池( p e m f c ) 等。 质子交换膜燃料电池以磺酸型质子交换膜为固体电解质，无电解质腐蚀问题， 能量转换效率高，无污染，可室温快速启动。质子交换膜燃料电池在固定电站、 电动车、军用特种电源、可移动电源等方面都有广阔的应用前景，尤其是电动车 的最佳驱动电源。它已成功地用于载人的公共汽车和轿车上。“超越”系列燃料电 池轿车上采用的正是这一种燃料电池。 8 2 燃料电池轿车超越三号电动空调系统 t ， h - o l t2 r 。 ， h ，o 图2 质子交换膜燃料电池原理 f i g 2p r i n c i p l eo f p e m f c 质子交换膜燃料电池将氢气送到燃料电池的阳极板( 负极) ，经过催化剂( 铂) 的作用，氢原子中的一个电子被分离出来，失去电子的氢离子( 质子) 穿过质子 交换膜，到达燃料电池阴极板( 正极) ，而电子是不能通过质子交换膜的，这个电 子，只能经外都电路，到达燃料电池阴极板，从而在外电路中产生电流，电子到 达阴极板后，与氧原子和氢离子重新结合为水由于供应给阴极板的氧，可以从 空气中获得，因此只要不断地给阳极板供应氢，给阴极板供应空气，并及时把水 蒸气带走，就可以不断地提供电能。燃料电池反应堆发出的电，经逆变器、控制 器等装置，给电动机供电，再经传动系统、驱动桥等带动车轮转动，就可使车辆 在路上行驶图3 为质子交换膜燃料电池系统构成框图1 4 0 l 。 图3 质子交换膜燃料电池系统构成框图 f i g 3s t r u c t u r ef i g u r eo fp e m f c s y s t e m 9 安徽理工大学硕士学位论文 燃料电池轿车与传统内燃机轿车相比，其优势体现在以下几个方面1 4 6 1 1 绿色环保 燃料电池没有燃烧过程，以电化学方式一“冷燃烧”进行能量转化，氢氧燃 料电池的产物为水，没有其他排放物，属于零排放。而采用其它富氢有机化合物 为燃料的燃料电池，除水之外还可能有少量的c 0 2 等，其排放接近零排放。燃料 电池在汽车上使用大大降低了c 0 2 的排放量 2 能量转换效率高 燃料电池与内燃机的工作机理不同，化学能转化为电能的过程中，不受卡诺 循环的限制，能量转换效率较高由于燃料电池的效率远高于内燃机，因此燃料 电池汽车的效率明显高于内燃机汽车在新欧洲循环工况( n e we u r o p e a nd r i v i n g c y c l e ，n e o c ) 下，1 9 9 9 年戴姆勒莱斯勒推出的概念车n e c a r 4 的整车效率为 3 7 1 7 ，目前性能较好的汽油机车和柴油机车的整车效率分别是1 6 1 8 和 2 2 2 4 。 3 过载能力强 燃料电池除了在较宽的工作范围内具有较高的工作效率外，其短时过载能力 可达额定功率的2 0 0 或更大。 4 低噪音 燃料电池属于静态能量转换装置，无运动部件，因此在运行过程中基本没有 噪音和振动。虽然整个系统中有冷却及供气机构，但是与传统内燃机汽车相比较， 行驶噪音明显降低 5 设计方便性 燃料电池的模块化结构将改变传统的汽车设计概念，可根据重量分配均衡和 空间有效利用的原则机动灵活的配置。 以上是各类燃料电池轿车所具有的共性优点，其中又以各种燃料的p e m f c 电 动汽车为最佳 以氢为燃料的燃料电池电动汽车还具有以下的优点： 根据氢氧燃料电池的反应机理可知，使用氢燃料的燃料电池电动汽车实现了 真正意义的零排放、无污染，该类型的燃料不需要重整过程，故此以氢为燃料的 燃料电池的效率最高。 由于氢氧燃料电池系统不需要重整设备，降低了燃料电池系统的重量、体积、 制造成本及结构的复杂性；从长远来看，氢是燃料电池燃料的最佳选择。以氢为 燃料的燃料电池电动车具有许多优点，但是氢的供给设施、随车储存、安全性等 1 0 2 燃料电池轿车超越三号电动空调系统 问题是以氢为燃料的燃料电池电动汽车推广应用的障碍。 2 2 “超越”系列燃料电池轿车空调系统介绍 2 2 1 “超越”系列燃料电池轿车空调功能 燃料电池汽车全自动空调系统具有以下功制3 j ： 1 空气自动调节功能包括车内温度自动调节、进风和出风模式自动控制， 空调系统运转方式( 制冷和制热) 的自动化、换气量控制等。当通过操作键盘设 定好车内温度以后，汽车空调便以自动方式运行，这时空调控制器将不断地检测 各种传感器送来的信号并对出风温度、出风速度进行及时调整和修正，同时根据 情况，自动选择进风方式和出风口，以保持车内空气的最佳调节状态。 2 经济运行方式。在该运行方式下，电控单元e c u 会在尽可能短的时间内启 动制冷压缩机，甚至不启功制冷压缩机的情况下保持车内的温度状态，如在春、 秋两季，车外温度与设定温度较接近时便可在该方式下运行，以达到节能的目的 3 完善的显示功能。通过安装在仪表板上的空调系统显示屏，可随时显示当 时车内温度、车外温度及空调的运行方式、送风速度、进风口和出风口的自动切 换情况等空调运行参数，可使驾驶员及时了解空调系统的工作情况。 4 故障检测和保护功能。由于e c u 会对所有的传感器和执行机构进行实时监 控，因而很容易实现对空调系统进行故障自诊断检测，有助于对空调系统的检修 和维护同时，当系统出现故障时，会及时采取相应的保护措施，以免故障进一 步扩大。 d d 图4 。超越”系列燃料电池轿车汽车空调系统 f i g 4e l e c t r i ca i r - c o n d i t i o ns y s t e mo f f u e lc e l lv e h i c l e “s t a r t ” 安徽理工大学硕士学位论文 如图4 所示，“超越”系列燃料电池轿车汽车空调系统是由电动压缩机及其驱 动器、换热器、节流机构、自动控制等部件构成，按功能可分为五个子系统：制 冷系统、采暖系统、通风系统、空气净化系统和操纵控制系统。操纵控制系统主 要是对制冷系统、采暖系统和通风系统进行控制，其首要任务是在热负荷及外部 条件变化时，及时通过适当的控制作用保证空调系统要求的温度指标。并使空调 系统的运行工况始终维持在合理安全的范围内，其进一步的任务是尽可能提高空 调系统在各种变动工况下的经济性、安全性。 2 2 2 “超越”系列燃料电池轿车空调制冷系统 电动汽车空调制冷系统主要由制冷循环及电气、控制两大部分组成 1 制冷循环主要由电动压缩机、冷凝器、储液干燥器、膨胀阀、蒸发器、输 液( 气) 软管，以及风机( 冷凝器风扇、蒸发器风机) 组成，其中冷凝器与冷凝 风扇可各自独立，也可组成冷凝机组，蒸发器、冷却风机、膨胀阀、恒温器以及 调速电阻器等可在一起组成冷风机或称蒸发箱。还有一些压力调节元件也属制冷 循环。 2 电气、控制部分主要包括电源开关、电磁离合器( 也有把它与压缩机组 成一体的) ，风机转换开关及电阻器、各种温度控制器( 或称恒温器) 、高低压开 关、怠速继电器、加速延迟器、真空阀门控制及操纵装置等。 移至纠冷谢 图5 制冷的循环理论图解 f i g 5s c h e m ao fr e f r i g e r a t i o nc y c l ep r i n c i p l e - 1 2 - 2 燃料电池轿车超越三号电动空调系统 本设计在后面章节着重介绍后者，首先，让我们先来了解制冷循环的原理。 制冷的方式有很多种，汽车空调主要采用蒸汽压缩式制冷，其原理是利用液态制 冷剂汽化吸热产生冷效应。制冷的循环理论图解如图5 所示。 汽车空调工作时分四个过程【” 1 蒸发吸热过程。液态制冷剂经过膨胀阀节流降压后，变成低温低压的饱和 液体，输送到蒸发器，吸收蒸发器外空间的热量而变成饱和蒸汽，形成沸腾汽化 这时，汽化需要吸收大量的汽化潜热，使蒸发器空间空气温度迅速降低。风机将 冷空气输送到车室外，降低车室内的温度，而车内的热量转移到制冷剂。 2 压缩过程。液态制冷剂吸热汽化后，变成低温低压过热蒸汽，经过压缩机 的绝热压缩，变成高温高压的过热蒸汽通过压缩机对制冷系统做功、消耗了电 动机的功率，使低温低压的过热蒸汽变成高温高压的过热蒸汽。 3 冷凝放热过程高温高压的过热蒸汽高于环境的温度制冷剂在冷凝器自 发地将车内的热量和压缩机的机械功转来的热量向环境转递，这时高温高压的过 热蒸汽放热后变成饱和液体。饱和液体的温度一般有5 5 6 0 还高于环境的温 度，在冷凝器继续向外界自发转递热量，全部变成高温高压的液体 4 降压降温过程。为了能吸收低温物体的热量，制冷剂的饱和温度一定要低 于低温物体的温度，过程才能自发进行。必须对冷凝器出来的高温高压的过冷液 体进一步的降温降压才能使其饱和温度低于低温物体。降低的压力越大，过冷度 越大，吸收的汽化潜热越多。在汽车空调中，制冷剂都是通过节流阀的绝热膨胀 来达到降压降温的目的。通过节流阀的绝热膨胀。制冷剂变成低温低压的饱和液 体，在蒸发器里进行低温沸腾汽化，完成了一个制冷循环 2 2 3 “超越”系列燃料电池轿车空调采暖系统 “超越”系列燃料电池轿车空调系统的采暖是利用电机循环冷却水来提供热 能的，其工作原理为：从电动机出来的热冷却水分流一部分进加热器芯子，冷空 气被鼓风机强迫吹过加热器芯子，被加热后送向车厢进行取暖和车窗除霜。加热 器芯子中的冷却水被带走热量后，被水泵抽回电动机，离开加热器，完成一次循 环。由于电动机冷却要求进入的冷却水温度约为7 1 ( 2 ，而采暖所需热的冷却水约 为8 0 ，因此，在不同功率时所需的冷却水量是不同的，燃料电池轿车通过在不 同功率下控制冷却水的流量，来保证一定的冷却水出口温度，风机与制冷合用， 前排上部热风口设在仪表板上，足部送风口在暖风机壳体上，后部暖风从安放在 前排座椅底下的扁管送出 1 3 安徽理工大学硕士学位论文 2 2 4 “超越”系列燃料电池轿车空调通气系统 图4 清楚地示出了燃料电池轿车空调空气处理系统，该系统由五部分组成【i l 。 第一部分是空气进风段，由进风罩壳、滤网、风门及风门作动器( 真空电磁 阀+ 真空作动器) 组成。它的作用是让空调系统处于外循环状态( 车外新鲜空气进 入) 或内循环状态( 不进入车外新鲜空气，空调器吸入的是车内的循环空气) 。若 是引进新风，则对新风进行过滤，防止灰尘进入车内。 第二部分是风机，由电动机、叶轮、蜗壳组成它的作用是将车外或车内的 空气强制通过蒸发器或热水器，并压向( 吹向) 出风口，将风送到所需降温或加 热的部位对它的要求有四点，风速能调整( 一般是通过电阻器) ；工作噪声小； 有足够的风量和风压；有较高的效率，即耗电量要较小。 第三部分是空气调制段，即将吸入的空气降温、去湿或升温，由风门控制风 流经热水器或不流过热水器。这部分主要由空调壳体，风门组成，蒸发器和热水 器置于其中 第四部分是空气分配段，将调制过的气流( 冷风或热风) 通过控制风门、送 风管道或出风口，送向需要的部位，例如将热风送向风窗除霜口、脚部出风口及 后座送风管，将冷风送向中央出风口及两侧送风口。这部分由控制风门、中央出 风管、两侧送风管、向后热风关机机组可调的出风口组件组成 第五部分是控制部分，包括风速控制( 风速调节旋钮及电阻器) 、风门控制、 模式控制( 采暖、制冷、自动、除霜等几种模式及进新风或内循环的选择) ，及空 调开关。 2 3 本章小结 本章在介绍电动空调系统之前，先对“超越”系列燃料电池轿车进行了介绍， 分析了燃料电池轿车的优缺点节能、转换效率高、不需要石油燃料；排放达到 零污染；车辆性能接近内燃机汽车；结构简单、运行平稳是它的可取之处同时， 燃料种类单一；要求高质量的密封：比功率还要进一步提高；造价太高这些都是 需要改进的地方。“超越”系列轿车电动空调制冷系统是本章介绍的重点所在，制 冷循环是后面章节的一个重要基础。制冷系统中的电气、控制部分则是本文的核 心 1 4 3 燃料电池轿车电动空调系统控制策略 3 燃料电池轿车电动空调系统控制策略 3 1 模糊控制技术在空调控制器中的应用 随着汽车工业和微电子技术的发展，轿车空调的应用己越来越普及，同时， 人们对轿车空调设备和系统的性能要求也越来越高。一方面，要求轿车空调设备 和系统有优良的技术性能和控制性能，以满足人体舒适性的要求；另一方面，由 于用于轿车空调的能耗日益增加，轿车空调设备和系统的节能也显得更加重要 自动控制的应用是达到这两方面要求的一个重要途径自动控制包括传统的控制 技术和智能控制技术，智能控制是控制理论发展的高级阶段，它的产生来源于被 控系统的高度复杂性、高度不确定性及人们要求越来越高的控制性能。由于人体 舒适感的模糊性和轿车空调系统的复杂性，人们难于建立关于轿车空调自动控制 的控制目标和控制对象精确的数学模型。这样，以精确数学模型为必要条件的现 代控制理论，应用于轿车空调系统已有许多不能解决的问题。而智能控制技术， 具有不需要知道控制目标和对象的精确数学模型，适于具有大滞后和非线性时变 系统等优点，己越来越引起人们的关注，目前应用最广泛的智能控制主要有模糊 控制和神经网络控制。本系统中采用基于模糊理论的控制技术来对空调温度进行 控制。 3 1 1 模糊控制理论基础 1 模糊控制理论的产生与发展 模糊控制的概念是由美国加利福尼亚大学著名教授l a z a d e h 在其f u z z y s e t s ，f u z z y a l g o d t h m 和a r a t i o n a l e f o rf u z z yc o n t r o l 等著名论著中首先提出的 为了加快模糊控制理论的研究，1 9 7 2 年以日本东京大学为中心，发起成立了“模 糊系统研究会”。1 9 7 4 年在加利福尼亚大学的美日研究班上，进行了有关“模糊 集合及其应用”的国际学术交流。1 9 7 8 年在国际上开始发行f u z z ys e t sa n d s y s t e m s 专业杂志。1 9 8 4 年i f s a ( i n t e m a t i o n a lf u z z y s y s t e m a s s o c i a t i o n ) 正式成立， 并己召开了几届模糊系统会议。从1 9 9 2 年起，i e e e f u z z y s y s t e m s 国际会议每年 举办一次1 9 9 3 年，i e e et r a n s o nf u z z ys y s t e m s 开始出版1 3 5 j 。 我国对模糊控制理论的研究起步较晚，但发展较快，诸如在模糊控制、模糊 辨识、模糊聚类分析、模糊图像处理、模糊信息论、模糊模式识别等领域取得了 不少有实际影响的效果。1 9 7 9 年李宝缓、刘志俊等人开始用连续数字仿真方法研 - 1 5 安徽理r 大学硕士学位论文 究典型模糊控制器的性能。1 9 8 1 年成立了中国模糊系统和模糊数学学会，并创办 了当时世界上第二份模糊专业学术杂志模糊数学，1 9 8 1 年易名为模糊系统 与数学。但在应用的深度和水平上还不高，模糊逻辑技术的开发工具落后。我国 政府也十分重视模糊控制理论与应用研究，并在1 9 8 8 年将模糊理论研究正式列入 国家自然科学基金项目和“8 6 3 ”计划项引5 1 l 。 2 模糊控制应用概况 最早取得应用成果的是英国伦敦大学教授e h m a m d a n i ，1 9 7 4 年他利用模糊 控制语句构成了模糊控制器，首次将模糊控制理论应用于蒸汽机及锅炉的控制， 并取得了比传统的直接数字控制( d d c ) 更好的效果。其控制方法的特点是把人的 经验转化为控制策略，为模型未知的复杂系统控制提供了简便的模式此项研究 开创了模糊控制理论在工程上获得成功的先河1 9 7 7 年帕皮斯( c p a p p i s ) 和马达 尼( e h m a m d a n i ) 等人用模糊控制的方法很好地实现了十字路口的交通管理【9 l 。近 年来，日本兴起了模糊控制热，目前模糊控制已经渗透到冰箱，空调器，微波炉 等行业。据统计，日本采用模糊控制的变频冰箱、变频空调器己占到市场的8 0 以上随着科学技术的发展，模糊逻辑和模糊控制的应用越来越多，越来越广泛 国内在模糊控制应用方面也同样取得了显著的成果。1 9 8 6 年都志杰等人用单 片机研制了工业用模糊控制器，随后，何钢、能秋思、李友善等人相继将模糊控 制方法成功地应用在碱熔釜反应温度、气炼机、玻璃窑炉、锅炉与甜菜制糖控制 系统中可以预料，随着模糊控制理论的不断完善，其应用领域将会更加广泛 3 模糊控制系统基本原理 在实际生产过程中，有经验的操作人员，虽然不懂被控对象或被控过程的数 学模型，却能凭借经验采取相应的决策， 以用一系列的具有模糊性的语言来表达， 很好的完成控制过程这里人的经验可 这就是模糊条件语句。再用模糊推理对 系统的实时输入状态观测量进行处理，则可产生相应的控制决策，这就是模糊控 制。模糊控制系统的工作原理如图6 所示嗍 图6 模糊控制系统原理示意图 f i g 6p r i n c i p i cd i a g r a mo ff u z z yc o n t r o ls y s l c m 1 6 3 燃料电池轿车电动空调系统控制策略 最基本的模糊控制系统结构如图7 所示从图中可以看出，它和传统的控制 系统结构没有多大区别，只是用模糊控制器取代传统的数字控制器。在模糊控制 系统中