摘    要

與內(nèi)燃機汽車相比，電動汽車(EV)面臨著獨特的挑戰(zhàn)。其中客艙供暖和空調(diào)尤為突出，尤其是在寒冷天氣下的客艙供暖，因為它對車輛的行駛里程有巨大的影響?？团摕嵯到y(tǒng)的有效管理有可能在不影響乘客舒適度的情況下提高車輛的行駛里程。本文提出了一種通過有效利用車輛上的太陽能負(fù)荷來改善客艙熱系統(tǒng)調(diào)節(jié)的方法。該方法利用連通性和地圖數(shù)據(jù)來預(yù)測未來一段時間內(nèi)的太陽能負(fù)荷。通常，太陽能負(fù)載被視為一個不可測量的外部干擾，用控制來補償。然而，它可以被視為具有實現(xiàn)預(yù)測控制潛力的估計量。太陽能負(fù)荷預(yù)測與乘客熱舒適模型相結(jié)合，可以對路線進(jìn)行先發(fā)制人的熱系統(tǒng)控制。采用基于太陽能負(fù)荷預(yù)覽信息的預(yù)測控制體系結(jié)構(gòu)生成客艙熱系統(tǒng)執(zhí)行器的HVAC控制輸入。該框架有效地利用了可連接的預(yù)測，并建立了將太陽能負(fù)載納入客艙熱控制的新方法。仿真研究表明了該方法在提高溫度調(diào)節(jié)性能方面的有效性。

01  前    言

客艙熱系統(tǒng)控制調(diào)節(jié)客艙溫度，直接影響乘員舒適度。保持客艙溫度對乘客的舒適度至關(guān)重要。通常，當(dāng)溫度明顯偏離設(shè)定值時，乘客會選擇改變設(shè)定值，這反過來又會導(dǎo)致更多的能源使用。在電動汽車的背景下，客艙熱系統(tǒng)的供暖和空調(diào)需求由電池來滿足。因此，客艙熱能的使用有可能顯著降低電動汽車的行駛里程。[1]因此，重要的是使用所有可用的工具，以盡量減少客艙熱系統(tǒng)的能源消耗，同時保持乘客的舒適度。在這項工作中，我們提出了一種這樣的方法，通過連接來改善客艙溫度調(diào)節(jié)。

目前車輛暖通空調(diào)控制的做法是使用反饋控制，如PID，包括預(yù)先校準(zhǔn)的操作圖，被動地調(diào)節(jié)座艙溫度。這種控制模式使用安裝在擋風(fēng)玻璃上的太陽能強度傳感器來估計當(dāng)前的太陽能負(fù)荷。然后用這個估計來估計對客艙溫度的影響。值得注意的是，這種方法無法深入了解車輛上的太陽能負(fù)載隨時間的演變，因此，它只能在測量后糾正座艙溫度偏差。使本文所提出的工作成為可能的關(guān)鍵觀點是，車輛熱系統(tǒng)上的太陽能負(fù)荷直接取決于太陽相對于車輛的位置。解決太陽能位置相對于車輛，并與模型轉(zhuǎn)換太陽能位置的車輛上的太陽能負(fù)荷，這是可能的，以估計對客艙溫度的影響。此外，利用車輛的路線規(guī)劃，可以估計未來一段時間內(nèi)車輛上的太陽能負(fù)荷，作為HVAC控制器的預(yù)覽。

模型預(yù)測控制在之前的研究用于降低客艙熱系統(tǒng)的能耗。相關(guān)研究中制定了座艙熱系統(tǒng)控制以考慮電池的健康狀況。車輛預(yù)覽信息已經(jīng)被研究用于車輛能量優(yōu)化。也使用強化學(xué)習(xí)方法研究了HVAC操作與車輛路線的協(xié)調(diào)。本文的工作建立在預(yù)覽信息的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步表征太陽能負(fù)荷對能源使用的影響，主要強調(diào)通過更好的暖通空調(diào)控制干擾補償來改善瞬態(tài)暖通空調(diào)響應(yīng)。車輛暖通空調(diào)控制中的太陽負(fù)荷不確定性問題可以通過利用連接性和數(shù)據(jù)計算太陽相對于車輛的位置來預(yù)測太陽負(fù)荷來解決。這些包括地圖，GNSS，路線，一天中的時間，天氣狀況，車輛的太陽能負(fù)荷模型，車輛的機艙熱模型。連接使太陽能負(fù)荷的預(yù)測成為可能，反過來，使客艙熱系統(tǒng)的預(yù)測和搶先控制成為可能。圖1舉例說明了車輛穿越計劃路線時太陽位置的變化。本文的其余部分組織如下:方法部分提供了用于實現(xiàn)基于太陽能負(fù)荷預(yù)覽的控制的預(yù)測和預(yù)測控制框架的詳細(xì)信息。結(jié)果部分給出了基于預(yù)覽的控制將座艙溫度調(diào)節(jié)誤差降低50%以上的示例。最后，結(jié)束語部分概述了這項工作，局限性和我們未來工作的范圍。

圖1 計劃路線上的太陽定位預(yù)測

02  方法

本文的新穎思想是預(yù)測車輛在一條路線上的太陽能負(fù)荷，并利用該信息作為太陽能負(fù)荷干擾預(yù)覽輸入到HVAC控制器，以改善瞬態(tài)客艙熱行為。整個過程有多個相互關(guān)聯(lián)的步驟:首先，使用地圖、全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)、程序路線和一天中的時間計算太陽相對于車輛的位置。接下來，這些信息被用于使用車輛的太陽能負(fù)荷模型來估計車輛上的太陽能負(fù)荷。最后，將預(yù)估太陽能負(fù)荷用于預(yù)測HVAC控制，以改善客艙舒適度的瞬態(tài)響應(yīng)。本節(jié)介紹每個步驟，從機艙熱模型及其校準(zhǔn)開始，然后是太陽能定位計算和路線上的太陽能負(fù)荷預(yù)測，最后是使用太陽能負(fù)荷預(yù)覽的控制算法。本文中提出的方法的流程如圖2所示。

圖2 基于預(yù)覽的座艙溫度控制流程圖

03  客艙熱系統(tǒng)控制

本文中使用的暖通空調(diào)模型捕獲了客艙熱行為和暖通空調(diào)功率。它包括一個艙室模型，可以跟蹤艙室熱流、艙室溫度和相應(yīng)的電池功率，以及一個閉環(huán)控制系統(tǒng)，以保持所需的艙室溫度。

座艙溫度動力學(xué)建模為公式1-3所述的集總兩態(tài)系統(tǒng)，如圖3所示。艙室溫度(Tcabin)和面板溫度(Tpanel)描述了艙室周圍和外部的表面，相互交換熱量和周圍的空氣。座艙與面板之間的換熱系數(shù)為kcab，面板與周圍空氣之間的換熱系數(shù)為kamb，其中參數(shù)kamb隨車速的增加而減小?？团摵兔姘鍖?yīng)的熱容量分別用Cc和Cp表示。

機艙接收來自太陽輻射的能量，以及建模為熱量輸入Qsolar?？团撆照{(diào)控制器依靠進(jìn)入客艙的氣流速率和進(jìn)入客艙的空氣溫度來調(diào)節(jié)客艙空氣溫度。在本工作中，將暖通空調(diào)控制器簡化為座艙熱輸入QHVAC。

圖3 暖通空調(diào)艙室模型圖

客艙熱輸入在閉環(huán)中進(jìn)行調(diào)制，以保持客艙溫度在其期望的設(shè)定點(Ts)附近?？团摕崃鹘Y(jié)合了兩個控制杠桿，即進(jìn)入客艙的供氣的流速和溫度。然后通過執(zhí)行器液位控制來控制相應(yīng)的所需流量和流量溫度。閉環(huán)HVAC控制系統(tǒng)實際上消除了由于外部條件和太陽能負(fù)載造成的客艙熱損失，并保持所需的客艙溫度設(shè)定點。艙室熱流決定了從電池獲得的瞬時功率(PHVAC)。向客艙傳遞熱量的效率由ηHVAC來表示，它取決于客艙熱流和車速。采用實驗車輛數(shù)據(jù)對兩態(tài)客艙熱模型進(jìn)行標(biāo)定，對比如圖4所示。

太陽定位估計

太陽在一天中穿過天空，它的軌跡可以用當(dāng)?shù)貢r間來確定。太陽位置是使用日期、緯度和經(jīng)度定義的位置以及本節(jié)詳細(xì)介紹的時區(qū)來計算的。小數(shù)年份γ由式4確定，其中DD∈(1,365)是一年中的一天，hh∈(0,24)是一天中的小時。

用分?jǐn)?shù)年計算時間方程teq如式5所示，太陽赤緯角θdec如式6所示：

以分鐘為單位的真太陽時tst由式7計算，其中mm為分鐘。Ss是秒，tzone是時區(qū)，單位是小時，lon是位置的經(jīng)度分量。

太陽時角用于計算地理地平線上的太陽仰角φ，如式8所示，其中l(wèi)at為位置的緯度分量。

總之，太陽相對于地平線和北方的位置由元組(θ， φ)決定。太陽相對于車輛的位置(θv， ?v)是通過投射車輛相對于北方的位置，θveh和車輛俯仰的位置來獲得的，如公式10所示。

公式4到10可以根據(jù)車輛的位置和當(dāng)?shù)貢r間計算出太陽相對于車輛的位置。這里使用的太陽定位模型也校正了大氣折射。

04  預(yù)測地平線上車輛的太陽能負(fù)荷

車輛太陽能負(fù)荷的預(yù)測對基于預(yù)演的座艙熱系統(tǒng)控制至關(guān)重要。太陽能負(fù)荷預(yù)測需要在一段時間內(nèi)或一段時間內(nèi)相對于車輛的太陽能位置。這種預(yù)測依賴于兩種時變現(xiàn)象:1)太陽相對于某一地點的位置隨時間變化;2)車輛在行駛路線上的位置和方向隨時間變化。

假定車輛的路線計劃是已知的，其中包括以經(jīng)緯度集合的形式表示的路線，以及開始旅行的時間。公式11定義了路線，其中每段路線的位置由lat、lon定義，索引為s。

請注意，緯度和經(jīng)度集是地理位置，本身沒有時間組件。位置通過每段的行進(jìn)速度和長度d(s = 1 ~ N)與時間相關(guān)。車輛未來在路線段上的行駛速度無法確定，但可以使用歷史駕駛數(shù)據(jù)和當(dāng)前平均交通流速度進(jìn)行一定程度的估計。這些數(shù)據(jù)可以通過查詢在線地圖數(shù)據(jù)庫獲得。利用每段路線的行駛速度信息V(s = 1 ~ N)，確定車輛到達(dá)某一位置的時間，如式12所示。

利用公式12可以將公式11中需要按時間索引的路由重新表述為公式13所示。

公式13中的路線定義是車輛沿著路線行駛時的lat、lon和t的序列。這些信息也足以計算太陽能相對于車輛在路線上的位置，作為{θv (t)， ?v (t)}的序列，使用公式x1到x7。圖5顯示了八月早上7點從美國MI Pontiac出發(fā)的路線示例。從HERE地圖數(shù)據(jù)庫中查詢路段的行駛速度。整個行程預(yù)計用時2134秒。

圖6顯示了相對于車輛的太陽方位角(θv)和仰角(?v)。方位角圖形以顏色編碼表示車輛的不同側(cè)面，并在右側(cè)標(biāo)注。所有的方向都是駕駛員看到的，例如，前面對應(yīng)的是駕駛員看到的前方方向，左邊對應(yīng)的是駕駛員一側(cè)的窗戶。方位角隨著時間的推移而變化，因為車輛在行駛時改變了它的方位。在旅行期間，隨著太陽在天空中升起，海拔也會增加。在本例中，假設(shè)道路坡度為零，忽略車輛俯仰的影響。請注意，對于固定的車輛，只有仰角會改變，而方位角對于太陽能定位是恒定的。

路線的太陽能位置，以相對于車輛的直角坐標(biāo)顯示，如圖7所示。為了圖解簡單起見，省略了時間分量。

圖5  路線示意圖

圖6  太陽相對于車輛的位置

圖7  太陽在笛卡爾坐標(biāo)中的位置

路線上的太陽位置提供了太陽輻射的方向，然而，重要的是還包括公式14[8]中描述的太陽日照模型，該模型提供了車輛所經(jīng)歷的太陽輻射的大小。日照模式考慮到達(dá)地表的太陽輻射的大氣損失，并以太陽仰角φ作為參數(shù)。

太陽能位置和日照量被用作車輛太陽能負(fù)荷模型的輸入，類似于[9]中描述的模型。太陽能負(fù)荷模型將太陽輻射對車輛各部分的影響集中為座艙熱模型Qsolar的凈能量輸入，如式1所示。在圖5所描述的路線上，車輛所承受的太陽能負(fù)荷如圖8所示。該圖還顯示了太陽能負(fù)載對艙內(nèi)溫度的影響，這是由一個無功PI控制器調(diào)節(jié)的。

圖8  太陽能負(fù)荷和艙內(nèi)溫度變化

建議的控制體系結(jié)構(gòu)如圖9所示?？团摕彷斎朐陂]環(huán)中進(jìn)行調(diào)制，以保持客艙溫度在其期望的設(shè)定點(Ts)附近。相應(yīng)的所需流量和流量溫度則由低水平的執(zhí)行器控制裝置進(jìn)行控制，本文對此不作討論。

圖9  提出了具有太陽能負(fù)荷預(yù)覽的控制體系結(jié)構(gòu)

基線控制器結(jié)構(gòu)為PI控制器，該控制器利用溫度誤差在反饋中修正期望的艙室熱流輸入。注意Qsolar是艙室熱輸入的加性擾動，影響閉環(huán)溫度調(diào)制期間的溫度動態(tài)響應(yīng)。在沒有太陽負(fù)荷估計的情況下，該擾動項通過溫度誤差進(jìn)行了反應(yīng)性補償。在基于預(yù)估信息的預(yù)測控制中，路徑上估計的太陽能負(fù)荷被預(yù)估項直接抵消，從而改善了暫態(tài)響應(yīng)。太陽能負(fù)荷預(yù)測是由地點、時間、天氣和車輛的路線計劃通知的。

基于太陽能負(fù)荷預(yù)估的客艙熱系統(tǒng)控制由式15實現(xiàn)，其中Ep = Tc?Ts, EI =∑(Tc?Ts)分別為比例誤差和積分誤差，w為控制增益，Epre為基于預(yù)估的誤差項。Epre的計算方法如式16所示，在一個水平線上作為不含式15中預(yù)覽項的殘差。式中，hp表示預(yù)測范圍，n表示當(dāng)前時間步長。

Epre項的計算分兩個階段進(jìn)行:1)在每個時間步長，在系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)初始化HVAC模型，并以預(yù)測的太陽能負(fù)荷為擾動，對預(yù)測區(qū)間內(nèi)的HVAC模型進(jìn)行及時正演模擬;2)在Epre中積累了地平線以上艙室溫度的誤差。該過程類似于模型預(yù)測控制框架，但利用了商用車輛控制中常見的現(xiàn)有PI控制框架。

06  結(jié)果和討論

圖5所示的示例路線用于說明基于太陽能負(fù)荷預(yù)覽的客艙熱系統(tǒng)控制的效用。這條路線大約30英里長，大約需要35分鐘，假設(shè)旅程從早上7點開始。這條路線的太陽能負(fù)荷預(yù)測是從方法學(xué)部分描述的程序中獲得的，并用于座艙熱控制。圖10比較了PI控制器和建議的基于預(yù)覽的控制器控制的座艙溫度。兩個控制器都試圖將機艙溫度調(diào)節(jié)到22攝氏度的設(shè)定值。PI控制器對太陽能負(fù)載引起的艙內(nèi)溫度偏移作出反應(yīng)?；陬A(yù)覽的控制先發(fā)制人地應(yīng)用補償控制輸入，從而對座艙溫度進(jìn)行更嚴(yán)格的調(diào)節(jié)。

溫度偏差在表1中用均方根度量(RMSE)量化。算例表明，基于預(yù)覽的控制使座艙溫度的RMSE降低了54%。

通過對車輛所承受的太陽能負(fù)荷施加200瓦加性白噪聲的座艙模型進(jìn)行仿真，探討了基于預(yù)估控制的座艙溫度調(diào)節(jié)對太陽能負(fù)荷預(yù)測精度的敏感性。圖 11 顯示了模擬結(jié)果，表明即使在太陽能負(fù)荷預(yù)測存在不確定性的情況下，控制器也能將機艙溫度的均方根誤差降低 50%。

到目前為止，艙內(nèi)溫度調(diào)節(jié)的改進(jìn)只適用于早上7點開始的旅行的太陽能負(fù)載情況。在一天的過程中，由于車輛窗戶的位置和形狀以及太陽的位置，太陽能負(fù)載剖面會發(fā)生變化。表2給出了同一路線不同出發(fā)時間下的仿真結(jié)果。結(jié)果表明，在整個時間范圍內(nèi)，基于預(yù)覽的控制器能夠比基線PI控制器更好地調(diào)節(jié)座艙溫度。然而，在中午(1200到1400)期間，基于預(yù)覽的控制在改進(jìn)基線PI控制器方面效果較差，但它仍然是對基線PI控制器的改進(jìn)。這種現(xiàn)象歸因于正午太陽能負(fù)荷的影響較小。雖然在此期間太陽強度較高，但太陽能位置直接在車輛頂部，并且車輛的車頂阻擋了大部分太陽輻射進(jìn)入車輛。因此，太陽能負(fù)載對溫度偏離設(shè)定值的影響減小，因此基于太陽能負(fù)載預(yù)覽的控制器效果較差。這種現(xiàn)象將是不同的車輛配備了天窗或敞篷敞篷車。

圖10 基于太陽能負(fù)荷估算的艙室溫度控制

圖11 基于預(yù)覽的座艙溫度控制-不確定的太陽能負(fù)荷

表1    基于太陽能負(fù)荷預(yù)覽的控制

表2   客艙溫度RMS誤差

07  結(jié)    論

本文提出了一種利用連接預(yù)測車輛太陽能負(fù)荷并利用預(yù)測實現(xiàn)基于預(yù)覽的控制的方法。太陽能負(fù)荷的確定無需使用車輛上的太陽能強度傳感器，而是依賴于車輛的計劃路線、一天中的時間和位置等輸入。所提出的方法被證明是有效的，通過模擬，在各種太陽能負(fù)荷剖面和存在預(yù)測不確定性的情況下，減少客艙溫度調(diào)節(jié)誤差。文中給出的算例表明，該系統(tǒng)的座艙溫度調(diào)節(jié)誤差降低了56%。然而，這種調(diào)節(jié)誤差的改善并不會導(dǎo)致更高的能源使用，因此，該方法是對機艙溫度控制工具的有價值的補充。此外，本文所描述的方法可用于改進(jìn)車輛的能耗估計和里程預(yù)測，并可用于為節(jié)能路線選擇提供信息。

雖然該方法在改善座艙溫度調(diào)節(jié)方面是有效的，但溫度偏差問題可能并不適用于所有車輛應(yīng)用。一個簡單的解決方案可能是接受由太陽能負(fù)荷引起的溫度偏差。然而，在控制其他客艙熱舒適指標(biāo)(如等效均勻溫度(EHT)或預(yù)測平均投票(PMV)[10])時，這種方法變得很重要，這些指標(biāo)將太陽能負(fù)荷直接與乘客舒適度聯(lián)系起來。這項工作的計劃擴展之一是調(diào)節(jié)EHT而不是艙室溫度。這項工作的另一個限制是缺乏對當(dāng)?shù)貧夂虻目紤]，可能包括下雨，多云天氣，霧等。在未來的工作中，我們將通過公開的天氣預(yù)報報告來檢測這些因素，并將對太陽能負(fù)荷的影響作為太陽日照模型的加權(quán)因子進(jìn)行建模。