一种实现电动汽车空调系统多学科多目标优化的方法
【技术领域】
[0001] 本发明专利涉及到一种汽车空调系统优化设计方法。尤其涉及汽车空调系统在结 构设计和控制器设计的多学科目标的优化设计方法。
【背景技术】
[0002] 随着科技的进步和经济的发展，汽车作为一种必不可少的交通工具正日益走进人 们日常生活的方方面面。汽车空调作为影响汽车舒适性和安全性能的主要部件之一，它主 要是对汽车车厢内的空气质量进行调节。为汽车提供制冷、取暖、除霜、除雾、空气过滤和湿 度控制等功能，使驾驶员与乘客在车内感觉舒适。
[0003] 汽车车厢温度控制，借助于温度传感器并结合其他辅助传感器采集必要的信息传 输给控制器，控制器通过预先设置的控制算法对执行机构进行控制，从而达到车内温度的 有效控制，满足车内乘客舒适度的需求。
[0004] 汽车车厢空气质量控制，伴随着现代汽车的发展，对汽车密封性要求较高，与之相 对的汽车空调自动换气系统的发展。车内环境污染源较多，其中主要有车内乘客呼吸产生 的、车内蒸发器、冷凝器由于长时间工作于潮湿环境所滋生的细菌、车内装饰所产生的甲醛 和苯类物质等。车内换气系统一般以车内浓度为指标，对车内浓度进行控制，满足车内对新 风的要求，改善车内环境质量。
[0005] 通常需要对汽车空调系统(压缩机、冷凝器、蒸发器、换热器)进行结构优化与参数 匹配。以提高汽车空调本体制冷/制热效率，提高制冷剂的利用率进而减少环境污染。
[0006] 汽车空调风道系统是汽车空调系统与汽车车厢的连接结构，其结构将直接影响车 内流场分布，进而影响乘客的舒适性。优化汽车空调风道结构对汽车车厢舒适性和客户满 意度有着非常重要的作用。
[0007]但是，上述4条均只是对汽车空调个子系统进行优化，并未进行系统级别的优化， 由于汽车空调系统是一种多学科交叉，相互耦合的系统，在这种情况下很难采用传统的优 化方法实现汽车空调系统的整体优化，故而本发明专利采用了基于协同优化算法C0 (Collaborative optimization)的多学科优化MDO (Mul t idi sc ipl inary Design Optimization)理论和方法、设计变量灵敏度分析等手段对汽车空调系统进行分析，并在此 基础上设计了汽车空调系统的多学科优化模型，为后续汽车空调系统的设计应用建立了基 础。〇
【发明内容】
[0008] 本发明专利所要解决的技术问题是要提供汽车空调系统级设计，改善汽车空调系 统控制精度，完善汽车空调风道结构设计，实现汽车空调系统的多学科多目标优化设计方 法。
[0009] 本发明所采用的技术方案是：
[0010] -种实现电动汽车空调系统多学科多目标优化的方法，基于车内环境与制冷系统 之间的关系，在此基础上完成汽车车厢内温度子系统、汽车车厢风道布局、汽车车厢环境浓 度子系统、空调本体制冷、制热子系统多学科多目标仿真分析，基于模拟退火算法等对其进 行多学科，多目标优化设计得到汽车空调系统的最优解，实现车内温度、浓度、空调系统换 热性能、空调系统能耗等多目标的综合最优;包括如下的步骤：
[0011] (1)开始，读取目标汽车空调系统统的综合指标，包括:乘客舒适度、能源消耗控 制，空调制冷/制热效率控制目标；
[0012] (2)依照学科标准对汽车空调系统进行分类，其主要可分为如下几部分:车厢温度 子系统、车内环境子系统、制冷/制热系统子系统以及车内流场子系统；
[0013] (3)根据（1)定义乘客舒适度、压缩机及其他电动部件的功率损耗、制冷效率为全 局设计变量，并针对各个子系统单独设计局部变量，考虑各子系统之间的耦合关系，设计中 间变量；
[0014] (4)将系统中的设计变量和状态变量分配到各子系统中，并制定实验方案。保存仿 真实验数据。对涉及到子系统的变量均只在各子系统内部进行独立的优化，各子系统保留 独立的学科目标和设计变量。并根据子系统最优解确定系统级优化设计变量的初始值和上 下限；
[0015] (5)加载实验或仿真数据；
[0016] (6)构建各个子系统需考察的目标响应量的多项式响应面代理模型；
[0017] (7)采用相对均方根误差方法对该响应面代理模型进行检验，判断结果是否满足 精度要求;否，则返回第(6)步骤;是，则进入下一步骤；
[0018] (8)根据设计要求，综合考虑人体舒适性(温度、环境浓度、迎风阻力）、功率损耗、 制冷效率等性能指标，构建汽车空调系统优化的评价目标函数；
[0019] (9)根据各子系统的设计过程，选择汽车空调系统的优化设计变量；
[0020] (10)根据(6)设定汽车空调系统的多学科优化的约束条件；
[0021] (11)采用多目标模拟退火算法对汽车空调系统进行多目标优化，得到汽车空调系 统各项性能的最优解集；
[0022] (12)从系统级最优解集，选取合适的最优解，并对其进行仿真分析或实验验证，判 断是否到达设计要求;否，则返回步骤⑵;是，则进入下一步骤；
[0023] (13)结束。
[0024] 本发明基于车内环境与制冷系统之间的关系，在此基础上完成汽车车厢内温度子 系统、汽车车厢风道布局、汽车车厢环境(浓度)子系统、空调本体制冷、制热子系统等多学 科多目标仿真分析。基于模拟退火算法等对其进行多学科，多目标优化设计。从而得到汽车 空调系统的最优解，实现车内温度、浓度、空调系统换热性能、空调系统能耗等多目标的综 合最优。其可以用于指导并实现汽车空调系统的高效开发和设计改进。
[0025] 本发明专利的有益效果在于:有效的避免了汽车空调设计阶段，过分陷入局部子 系统最优化，忽略了系统角度的综合最优。同时采用协同优化算法并行计算，又可大大节约 时间成本，提高工作效率，同时提高了设计精度，兼顾了人体对汽车空调的舒适性要求与空 调自身节能环保的需求，改善了汽车空调整体综合性能。
【附图说明】
[0026] 图1为本发明的汽车空调系统多学科优化模型图；
[0027] 图2为本发明汽车空调多学科多目标优化的流程图。。
【具体实施方式】
[0028] 下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明 而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人 员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定 的范围。
[0029]下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。
[0030] 如图1和图2所示，本发明提供了一种实现汽车空调系统多学科多目标优化的方 法，该优化方法步骤如下：
[0031] (1)开始，确立系统的综合目标，在汽车空调系统中以乘客舒适度、减少能源消耗， 提尚空调制冷/制热效率为最终目标；
[0032] (2)依照学科标准对汽车空调系统进行分类，其主要可分为如下几部分:传热子模 块、环境控制子模块、流体子模块以及其他子模块。其中传热子模块主要体现在两方面，其 一是车厢传热，主要考察车厢内温度变化情况，研究不同工况下的车内热负荷与冷负荷;其 二是制冷系统，主要考察制冷系统中制冷剂与空气侧的传热变化，考察蒸发器出口处的温 度、湿度;制冷剂流量的多少，进而考察制冷效率。环境子模块主要考察车内环境的好坏，其 主要以车内C0 2浓度为标准，综合考虑车内细菌浓度、有害气体浓度等多个指标，控制新风 的进入，改善车内环境。流体子模块主要考察车内风道的布局，车内空气流动分布，乘客(主 要是头部和脚部)的空气阻力，改善乘客乘坐舒适性。其他子模块则主要考察制冷系统各部 件的寿命、压缩机振动噪声等；
[0033] (3)根据（1)定义乘客舒适度、压缩机及其他电动部