一种空调电量计算方法与流程

本发明属于空调技术领域，具体涉及一种空调电量计算方法。

背景技术：

当下空调已经成为常用电器，在家用电器中，空调的耗电量一直都比较高，用户在使用空调时就比较关心空调的耗电量，而现今市场上的空调计算耗电量的方法大多为外置电表，这大大增加了用户的安装成本，或在空调上外加额外的电量模块实现，这又增加了厂家的空调制造成本。

即使有能够在不增加额外电量计量模块的情况下计算空调的耗电量的功能，大多只能粗略估计当前电量，误差都比较大，无法准确计算耗电量，对于空调耗电量的研究和用户节约电费的指导意义不大。如在专利cn107622105a，一种空调用电量的获取方法和系统中提出的空调用电量的获取方法，其特征在于，所述方法应用于包括终端设备、空调设备和服务器的系统中，所述方法包括：所述终端设备向所述服务器发送查询消息，所述查询消息中携带有所述空调设备的标识信息；所述服务器根据所述标识信息，确定所述空调设备的类型；所述终端设备向所述空调设备发送用于指示所述空调设备上报运行状态的指示消息；所述空调设备根据所述指示消息，按照预设周期，将当前的运行状态发送给所述服务器；所述服务器根据所述类型，获得所述空调设备当前的瞬时功率；所述服务器根据所述瞬时功率和所述运行状态，获得目标时长内的用电量；所述服务器将所述目标时长内的用电量发送给所述终端设备。该技术方案中所提出的空调用电量获取方法，服务器对用电量的查询是通过判断空调类型及运行状态获取对应的空调瞬时功率再根据瞬时功率和运行状态来计算目标时长内的空调用电量，此种方法获取的瞬时功率为该运行状态下的额定瞬时功率，并非实时产生的瞬时功率，因此此种用电量计算方法并不准确。

技术实现要素：

针对现有技术中所存在的不足，本发明提供了一种无需额外设置电表、采用实时产生的瞬时功率来计算电量、电量计算准确、有效节省成本的空调电量计算方法。

一种空调电量计算方法，包括如下步骤：

s1：计算室外机除交流风机以外部分的功率：通过pfc电路对输入电压和电流进行采样，采样的值分别为瞬时电压ui和瞬时电流ii，利用公式iavg(t)＝α·isample(t)对采样电流进行补偿修正，其中α为电流修正系数，iavg为实际电流等效波形，isample为实际采样电流波形；利用公式求得室外机除交流风机以外部分的功率p1，其中n为采样次数；

s2：若室外风机是交流风机，则利用公式获取输入电压有效值u，根据室外交流电机功率曲线模型p2(u)＝a0+a1u+a2u²计算室外机交流电机功率p2，其中a0、a1、a2为曲线模型权重参数，执行步骤s3；若室外风机是直流风机，则取p2＝0，执行步骤s3；

s3：计算室内风机功率：若室内风机是交流风机，则从步进电机步数获取风门的开启角度a，获取输入电压有效值u，根据室内交流电机功率曲线模型p3(a,u)＝a0+a1*a+a2*u+a3*a*u+a4*a²+a5*u²计算室内机交流电机功率p3，其中a0、a1、a2、a3、a4、a5为曲线模型权重参数，执行步骤s4；若室内风机是直流风机，则利用室内机直流风机转速反馈脉冲计算直流风机转速rs，从步进电机步数获取风门的开启角度a，再根据室内直流电机功率曲线模型p3(rs,a)＝a0+a1*a+a2*rs+a3*a*rs+a4*a²+a5*rs²计算室内机直流电机功率p3，其中a0、a1、a2、a3、a4、a5为曲线模型权重参数，执行步骤s4；

s4：计算室内机电加热功率：获取输入电压有效值u，获取步骤s3中计算的室内机风机功率pf＝p3，获取室内蒸发器温度t1和室温t2的差值δt＝|t1-t2|，根据室内机电加热功率曲线模型p4(u,pf,δt)＝a0+a1u+a2pfδt+a3upfδt+a4u(pfδt)²计算室内机电加热功率p4，其中a0、a1、a2、a3、a4为曲线模型权重参数；

s5：获取空调其他部分的功率p5；

s6：计算整机功率和整机耗电量：整机功率p＝∑pi，其中pi为空调各部分的功率，i＝1,2,3,4,5；由此得到空调整机耗电量q＝∑p·δt，其中δt为计算功率的时间间隔。

进一步地，所述步骤s3中，若室内风机是直流风机，则在计算室内直流电机功率p3时增加一个与电压相关的补偿量δp3(δu)＝k1*δu²+k0，其中k0、k1为修正系数，δu为输入电压有效值u与电机额定电压的差值；此时室内直流电机功率p3＝p3(rs,a)+δp3(δu)。

进一步地，所述步骤s5中，其他部分的功率p5＝p5a+p5b+p5c，其中步进电机功率p5a＝n·pm，pm为单个步进电机的额定功率，n为正在运行的步进电机的个数；其中显示屏功率p5b＝∑pl*ρ，pl为显示屏单个led灯的额定功率，ρ为显示亮度；p5c为空调在待机状态下测得的其他器件功率。

相比于现有技术，本发明具有如下有益效果：

1、通过将对输入电压和电流进行采样获得的瞬时电压和电流换算得到输入电压有效值以及室外机除交流风机以外部分的功率，并和根据与空调各部分功率相关的参数分别建立的功率曲线模型相结合计算空调各部分的功率，然后通过各部分功率之和计算一段时间内的总耗电量。由于采用实际瞬时功率来计算得到总耗电量，相对于不设外置电表的传统的电量计算方法(如利用额定功率来计算)，其计算的精确性显著提高，对于后续采用耗电量值进行其他操作和计算的控制方法也提供了很好的帮助以及进行精确控制的可能性；相对于设置外置电表的空调安装方案，其节省了用户的安装成本；相对于在空调上设置额外电量模块的方案，节省了空调的生产成本。

2、通过在计算室内直流风机功率时增加一个与电压相关的补偿量，可有效解决直流电机因输入电压变化导致的效率变化的问题，有效消除了电压波动对输入功率的影响，进一步提高了室内直流风机瞬时功率计算的精确性。

附图说明

图1为本发明pfc控制下的电流波形图；

图2为本发明pfc控制下包括电流的采样点构成的波形的电流波形图；

图3为本发明空调电量计算的关系图；

图4为本发明方法流程图。

具体实施方式

为了使发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。

一种空调电量计算方法，包括如下步骤：

s1：计算室外机除交流风机以外部分的功率：通过pfc电路对输入电压和电流进行采样，采样的值分别为瞬时电压ui和瞬时电流ii，利用公式iavg(t)＝α·isample(t)对采样电流进行补偿修正，其中α为电流修正系数，iavg为实际电流等效波形，isample为实际采样电流波形；利用公式求得室外机除交流风机以外部分的功率p1(如果室外风机是直流风机，则p1包含了室外直流风机的功率)，其中n为采样次数；

s2：若室外风机是交流风机，则利用公式获取输入电压有效值u，根据室外交流电机功率曲线模型p2(u)＝a0+a1u+a2u²计算室外机交流电机功率p2，其中a0、a1、a2为曲线模型权重参数，执行步骤s3；若室外风机是直流风机，则取p2＝0，执行步骤s3；

s3：计算室内风机功率：若室内风机是交流风机，则从步进电机步数获取风门的开启角度a，获取输入电压有效值u，根据室内交流电机功率曲线模型p3(a,u)＝a0+a1*a+a2*u+a3*a*u+a4*a²+a5*u²计算室内机交流电机功率p3，其中a0、a1、a2、a3、a4、a5为曲线模型权重参数，执行步骤s4；若室内风机是直流风机，则利用室内机直流风机转速反馈脉冲计算直流风机转速rs，从步进电机步数获取风门的开启角度a，再根据室内直流电机功率曲线模型p3(rs,a)＝a0+a1*a+a2*rs+a3*a*rs+a4*a²+a5*rs²计算室内机直流电机功率p3，其中a0、a1、a2、a3、a4、a5为曲线模型权重参数，执行步骤s4；

s4：计算室内机电加热功率：获取输入电压有效值u，获取步骤s3中计算的室内机风机功率pf＝p3(不论交流风机或直流风机皆可)，获取室内蒸发器温度t1和室温t2的差值δt＝|t1-t2|，根据室内机电加热功率曲线模型p4(u,pf,δt)＝a0+a1u+a2pfδt+a3upfδt+a4u(pfδt)²计算室内机电加热功率p4，其中a0、a1、a2、a3、a4为曲线模型权重参数；

s5：获取空调其他部分的功率p5，如步进电机功率和显示屏功率等；

s6：计算整机功率和整机耗电量：整机功率：p＝∑pi，其中pi为空调各部件的功率(此处为p1～p5)，由此得到空调整机耗电量q＝∑p·δt，其中δt为计算功率的时间间隔。

本发明中的计算空调整机功率和耗电量的步骤，由于是将各部分功率分开计算并最后求和，除了步骤s4中的室内机电加热功率的计算依赖于步骤s3的室内风机功率以及s6为最后一步外，其他没有直接关联的步骤之间交换执行顺序也是可以的，对顺序的要求并不严格。

在本发明中，要计算得到耗电量，首先要计算得到室外机功率、室外机交流风机功率、室内机交流风机功率、室内机直流风机功率、室内机电加热器功率等，其具体原理如下：

①计算室外机除交流风机以外部分的功率(包含室外直流风机的功率)：

功率计算的典型公式如下：

由于mcu不可能采到连续的电压、电流波形，对于离散点的功率计算公式如下：

由于室外机均有pfc(powerfactorcorrection，功率因数校正)功能，能够获取输入电压波形和输入电流波形。

如图1所示的pfc控制下的电流波形，图中ireal表示电流实际波形，imax由电流波形每个pfc控制周期内的最大值点构成，imin由电流波形每个pfc控制周期内的最小值点构成，iavg表示实际电流等效波形，图中iavg可用以下公式表示：

在常用mcu控制中，采样频率和pfc控制频率存在一定关系，就会导致电流采样波形失真，通常pfc控制频率是采样频率的倍频。

如图2所示，图中的isample曲线为pfc控制下电流的采样点构成的波形。

实际采样电流波形isample可以用以下公式表示：

联立式(3)和式(4)可得：

通常情况下，电流对称，所以式(5)中的bsample和bavg均为0，故式(5)可简化为：

式中称之为电流修正系数，记做α。

α的获取方法如下：先获取电流的采样值，从而获取采样电流波形isample；再从功率计或其他设备获取电流的有效值，利用电流有效值获取电流的等效波形iavg；α＝等效波形的最大值/采样波形的最大值。

通过观测大量实验数据发现，尽管α在不同空调结构中的取值不同，但在具体某个空调结构中，α值较稳定，可视为定值(例如根据本实施例的某次实验数据，α经过计算可采用1.18)。

联立式(2)和式(6)，基于电压电流采样的实时功率计算公式如下：

由于通常室外机的交流风机的电流不过pfc电路，故pfc采样电流中不包括室外机交流电机电流，直流风机和其他部分的电流均过pfc电路，所以这里计算的功率p1也包含了室外机直流风机(如果有的话)的功率。

②计算室内交流风机的功率：

根据室外机mcu采集的电压值，输入电压的有效值可用下式表示：

根据输入电压有效值可得电网当前实际电压，再联合内机风门角度，可准确估算出室内机交流风机的功率。

室内机交流风机的功率(p)与风门角度(a)、实际输入电压(u)的关系可用下式表示：

p2(a，u)＝a0+a1*a+a2*u+a3*a*u+a4*a²+a5u²(9)

式中a0、a1、a2、a3、a4、a5为曲线模型权重参数，u为输入电压有效值，a为风门角度。所述曲线模型权重参数，可采用不同的实际输入电压、风门角度，并通过多次检测风机的功率值来确定，对于有多个风速档位的电机，每个档位的模型权重参数a0、a1、a2、a3、a4、a5不同，本文中其他地方出现的权重参数也是通过类似的方法来确定。

③计算室内机电加热功率：

观测大量实验数据，发现电加热的功率与输入电压有效值，室内风机转速，室内机风门开启角度，室内蒸发器温度和室温的差值，存在相关性；利用上述数据对数据进行曲线拟合。

室内机电加热功率可由以下公式估算：

p3(u，pf，δt)＝a0+a1u+a2pfδt+a3upfδt+a4u(pfδt)²(10)

式中a0、a1、a2、a3、a4为曲线模型权重参数，u为输入电压有效值，pf为室内风机功率(交流风机或直流风机均可)，δt为室内蒸发器温度和室温的差值。

④计算室外机交流风机功率：

观测大量实验数据，发现室外机交流风机的功率与输入电压有效值存在相关性；利用上述数据对数据进行曲线拟合。室外机交流风机的功率可用以下公式估算：

p4(u)＝a0+a1u+a2u²(11)

式中a0、a1、a2为曲线模型权重参数，u为输入电压有效值，对于有多个风速档位的电机，每个档位的模型权重参数a0、a1、a2不同。

⑤计算室内机直流风机功率：

观测大量实验数据，发现室内机直流风机功率与电机转速、风门开启角度存在相关性；利用上述数据对数据进行曲线拟合。室内机直流风机功率可用以下公式估算：

p5′(rs，a)＝a0+a1*a+a2*rs+a3*a*rs+a4*a²+a5rs²(12)

式中a0、a1、a2、a3、a4、a5为曲线模型权重参数，rs为直流电机转速，a为风门开度。

由于直流电机的效率受输入电压的影响较大，因此本方法在对直流电机功率计算时考虑电压波动对输入功率的影响，可对上式(12)所计算的室内机直流风机功率增加一个与电压相关的补偿量：

δp5(δu)＝k1*δu²+k0(13)

式中k0、k1为修正系数，δu为输入电压有效值u与电机额定电压的差值。所述修正系数k0、k1的值可以通过在设置一定的δu的情况下检测直流风机的功率变化，并采用多次测试来获得。

综上室内机直流风机的功率为：

p5(rs，a，δu)＝p5′(rs，a)+δp5(δu)(14)

⑥计算其他部分的功率：

对步进电机功率估算：

对于步进电机的功率估算可用如下公式表示：

p6＝n·pm(15)

式中pm为单个步进电机的额定功率，n为正在运行的步进电机的个数。

对显示屏功率估算：

对显示屏的功率估算可用如下公式表示：

p7＝∑pl*ρ(16)

式中pl为显示屏单个led灯的额定功率,ρ为显示亮度。

空调其他器件的功率相对较小，一般只有几瓦，可用一个定值(p8)来进行补偿，p8的值由空调器在待机状态下在实验室测量获得(例如某机型某次测量得到的2w)。

结合上述功率可的空调器整机瞬时功率，对该功率在时间上累积(积分)即可获得空调器整机耗电量，本发明中空调电量计算流程可参见图3和图4。

本空调电量计算方法中的权重参数对不同的空调结构其具体数值有所不同，所述权重参数的确定可通过对功率以及具有相关性的测量数据进行多次检测再通过相应计算得到，具体操作属于本领域的公知常识，在此不再赘述。电量计算方法中的权重参数和修正系数都是在空调出厂前就已经测试过并设置成合适的取值，在用户使用空调的过程中可以直接用来计算瞬时功率以及耗电量。本申请的电量计算方法虽然采用的是最常见的单个室内风机和单个室外风机的结构，但是其原理对室外机或室内机采用多个风机的情况依然适用。

本发明中的通过将对输入电压和电流进行采样获得的瞬时电压和电流换算得到输入电压有效值以及室外机除交流风机以外部分的功率，并和根据与空调各部分功率相关的参数分别建立的功率曲线模型相结合计算空调各部分的功率，然后通过各部分功率之和计算一段时间内的总耗电量。由于采用实际瞬时功率来计算得到总耗电量，相对于不设外置电表的传统的电量计算方法，其计算的精确性显著提高，对于后续采用耗电量值进行其他操作和计算的控制方法也提供了很好的帮助以及进行精确控制的可能性；相对于设置外置电表的空调安装方案，其节省了用户的安装成本；相对于在空调上设置额外电量模块的方案，节省了空调的生产成本。

通过在计算室内直流风机功率时增加一个与电压相关的补偿量，可有效解决直流电机因输入电压变化导致的效率变化的问题，有效消除了电压波动对输入功率的影响，进一步提高了室内直流风机瞬时功率计算的精确性。

以上所述仅为本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅限于上述实施方式，凡是属于本发明原理的技术方案均属于本发明的保护范围。对于本领域的技术人员而言，在不脱离本发明的原理的前提下进行的若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。