本发明属于跨临界二氧化碳系统领域，特别涉及一种新能源汽车跨临界co2空调系统的及其优化控制方法。
背景技术：
新能源汽车克服了燃油汽车的化石燃料依赖问题，能源利用多元化，安静环保，代表着未来汽车发展的趋势。新能源汽车不同于燃油汽车，在低环境温度下，无发动机余热可利用于加热车厢空气，因此目前纯新能源汽车冬季基本采用ptc电加热供暖，然而纯新能源汽车的车载电池蓄电能力有限，采用电加热供暖势必会影响汽车的续驶里程。热泵型空调系统运行的制热系数在1以上，与电加热供暖相比，其高效节能的特点更有利于纯新能源汽车的发展。传统的汽车空调系统使用最广泛的制冷剂为r134a，环保性能差，已经逐渐被淘汰，汽车在行驶过程中，环境多变，遇到严重堵车情况、雨雪以及大雾等天气，根据道路规定，需按要求降低行驶速度，气体冷却器风量减少，对汽车空调制热性能要求更高，因此对于传统工质来讲，也是一个很大的考验，难以满足实际要求。而co2作为一种天然的制冷剂，优势明显。跨临界co2热泵循环具有独特的优势，其放热过程温度较高且存在一个相当大的温度滑移(约80～100℃)。研究表明：在蒸发温度为0℃时，水温可以从0℃加热到60℃，其热泵cop可达到4.3，比电热水器和燃气热水器能耗降低75％上。在寒冷地区，传统空气源热泵的制热量和效率随环境温度的降低下降很快，热泵的使用受到限制。而co2热泵系统在低温环境下能维持较高的供热量及很高的出水温度，大大节约辅助加热设备所耗费的能量。
跨临界二氧化碳循环在超临界状态下循环的特殊之处在于可以通过控制高压侧的压力的方法来控制系统的cop达到最大值，必要时还可以采取进一步控制高压侧压力值达到更大的方法，以更高的能耗为代价，获取更强的制冷能力。系统在强制冷能力下工作，制冷量大，车厢内的温度降低更迅速，但是相对应的功耗也更大，因此，在汽车开始启动与平稳运行中，合理的控制汽车空调的工作状态是十分必要的，可以在尽可能短的时间内达到乘客的舒适度要求的同时，做到降低能耗，节约能源。
目前已有的跨临界二氧化碳汽车空调系统，在控制方式上缺少一个有效的控制逻辑，也缺乏相应的高效高精度的控制系统，难以使空调系统在不同的环境工况下均能运行在其最优性能所对应的状态下，达到实时运行最优的目的。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种新能源汽车跨临界co2空调系统及其优化控制方法，使空调系统在不同的环境工况下均能运行在其最优性能所对应的状态下，以解决上述技术问题。
为了实现上述目的，采用如下技术方案：
一种新能源汽车跨临界co2空调系统，包括：压缩机、四通换向阀、车内换热器、回热器、电子膨胀阀、车外换热器、三通阀和储液器；
压缩机出口连接四通换向阀的d口，四通换向阀的a口连接车外换热器的一端，四通换向阀的c口依次连接车内换热器、电子膨胀阀、回热器的第一换热管路和车外换热器的另一端，四通换向阀的b口连接三通阀的c口，三通阀的a口通过回热器的第二换热管路连接储液器的进口，三通阀的b口与回热器的第二换热管路共同连接储液器的进口，储液器的出口连接压缩机的进口。
进一步的，采用多变量极值搜索控制方法进行优化，包括：
四个目标参数：空调系统的性能系数cop值、制冷量qc、制热量qh和空调出风温度tout；
四个优化参数：空调系统的运行高压值ph、车外换热器的风量vgasc、蒸发温度te和有效过热度tsup；
四个目标参数为多变量极值搜索控制方法的目标量，四个优化参数为多变量极值搜索控制方法的控制量；
夏季制冷模式时：多变量极值搜索控制方法的目标量分别为空调系统的性能系数cop值、制冷量qc、和空调出风温度tout，控制量为系统的运行高压值ph、车外换热器的风量vgasc、蒸发温度te和有效过热度tsup；空调系统的制冷量qc和空调出风温度tout的设定值分别为qc0和tout0，多变量极值搜索控制方法在满足制冷量不低于设定值的前提下，寻找到使得系统的性能参数cop达到最大值时的四个控制变量的最优值；并以最优值控制新能源汽车跨临界co2空调系统运行；
冬季制热模式时：多变量极值搜索控制方法的目标量分别为空调系统的性能系数cop值、制热量qh和空调出风温度tout，控制量为系统的运行高压值ph、车外换热器的风量vgasc、蒸发温度te和有效过热度tsup；空调系统的制热量qh和空调出风温度tout的设定值分别为qh0和tout0，多变量极值搜索控制系统在满足制热量和出风温度不低于设定值的前提下，寻找到使得系统的性能参数cop达到最大值时的四个控制变量的最优值；并以最优值控制新能源汽车跨临界co2空调系统运行。
进一步的，在变量的搜索过程中，同时对多个变量的极值寻优，以便寻找到任意条件下的性能最佳的空调系统输入问题：
(ph-opt(t),vgasc-opt(t),te-opt(t)，tsup-opt(t))＝argminf(ph，pl,vgasc,te,tsup,t)
其中：ph，vgasc,te，tsup分别为输入控制变量；
ph-opt(t),vgasc-opt(t),te-opt(t),tsup-opt(t)分别为输出寻优值；
f(ph，vgasc,te,tsup,t)为针对静态或者缓慢时变的非线性系统性能函数。
进一步的，夏季制冷模式时：以多变量极值搜索控制方法的输出量最优运行高压ph-opt、最优车外换热器风量vgasc-opt、最优蒸发温度te-opt以及最优有效过热度tsup-opt为初值，分别获取空调系统的制冷量qc和空调出风温度tout；
若制冷量和出风温度不满足qc≥qc0、tout≤tout0，则以△ph＝0.1mpa，△vgasc＝10m3/h、△te＝0.2℃、△tsup＝0.2℃为梯度，分别取四个优化参数的第i阶数值，即ph-opt-i、vgasc-opt-i、te-opt-i、tsup-opt-i和ph-opt+i、vgasc-opt+i、te-opt+i、tsup-opt+i；
其数值由以下公式确定：
ph-opt-i＝ph-opt-i·δph
vgasc-opt-i＝vgasc-opt-i·δvgasc
te-opt-i＝te-opt-i·δte
tsup-opt-i＝tsup-opt-i·δtsup
ph-opt+i＝ph-opt+i·δph
vgasc-opt+i＝vgasc-opt+i·δvgasc
te-opt+i＝te-opt+i·δte
tsup-opt+i＝tsup-opt+i·δtsup
其中，i＝1,2,3
步骤一、当i＝1时，四个优化参数分别有3个值：ph-opt、ph-opt-1、ph-opt+1、vgasc-opt、vgasc-opt-1、vgasc-opt+1、te-opt、te-opt-1、te-opt+1、tsup-opt、tsup-opt-1、tsup-opt+1，对每个优化参数随机取值，进行排列组合得到共34种情况，分别获取每种情况下新能源汽车跨临界co2空调系统的制冷量qc和空调出风温度tout，若满足qc≥qc0、tout≤tout0，则输出该组的四个优化参数值，若多组工况满足条件，则输出满足条件的工况中所对应cop最大的一组优化参数值；
步骤二、若步骤一得到的结果均未满足qc≥qc0、tout≤tout0，则令i＝2，此时四个优化参数分别增加两个数值，即ph-opt-2、ph-opt+2、vgasc-opt-2、vgasc-opt+2、te-opt-2、te-opt+2、tsup-opt-2、tsup-opt+2，然后再次对每个优化参数随机取值进行排列组合得到54种情况，分别获取每种情况下新能源汽车跨临界co2空调系统的制冷量qc和空调出风温度tout，若满足qc≥qc0、tout≤tout0，则输出该组的四个优化参数值，若多组工况满足条件，则输出满足条件的工况中所对应cop最大的一组优化参数值；
步骤三、若步骤二得到的结果均未满足qc≥qc0、tout≤tout0，则再令i＝3，此时四个优化参数分别增加两个数值，即ph-opt-3、ph-opt+3、vgasc-opt-3、vgasc-opt+3、te-opt-3、te-opt+3、tsup-opt-3、tsup-opt+3分别共有七个值，然后再次对每个优化参数随机取值进行排列组合，得到74种情况，分别获取每种情况下，新能源汽车跨临界co2空调系统的制冷量qc和空调出风温度tout，若满足qc≥qc0、tout≤tout0，则输出该组的四个优化参数值，若多组工况满足条件，则输出满足条件的工况中所对应cop最大的一组优化参数值；
步骤四、若均步骤三得到的结果未满足qc≥qc0、tout≤tout0，则增大梯度值，取△ph1＝2△ph，△vgasc1＝2△vgasc、△te1＝2△te、△tsup1＝2△tsup，重复以上步骤一、二、三，若满足qc≥qc0、tout≤tout0，则输出该组的四个优化参数值，若多组工况满足条件，则输出满足条件的工况中所对应cop最大的一组优化参数值；
步骤五、若步骤四得到的结果均未满足qc≥qc0、tout≤tout0，则再次增大梯度值，取△ph2＝4△ph，△vgasc2＝4△vgasc、△te2＝4△te、△tsup2＝4△tsup，重复以上步骤一、二、三，若满足qc≥qc0、tout≤tout0，则输出该组的四个优化参数值，若多组工况满足条件，则输出满足条件的工况中所对应cop最大的一组优化参数值；
步骤六、若步骤五得到的结果均未满足qc≥qc0、tout≤tout0，则该空调系统设计不合理，不存在满足制冷量或制热量、出风温度条件的最优工况。
进一步的，冬季制热模式时：以多参数极值搜索控制方法的输出量：最优运行高压ph-opt，最优车外换热器风量vgasc-opt、最优蒸发温度te-opt以及最优有效过热度tsup-opt为初值，分别获取空调系统的制热量qh和空调出风温度tout；
若制热量和出风温度不满足qc≥qc0，tout≥tout0，则以△ph＝0.1mpa，△vgasc＝10m3/h、△te＝0.2℃、△tsup＝0.2℃为梯度，分别取四个优化参数的第i阶数值：ph-opt-i、vgasc-opt-i、te-opt-i、tsup-opt-i和ph-opt+i、vgasc-opt+i、te-opt+i、tsup-opt+i；其数值由以下公式确定：
ph-opt-i＝ph-opt-i·δph
vgasc-opt-i＝vgasc-opt-i·δvgasc
te-opt-i＝te-opt-i·δte
tsup-opt-i＝tsup-opt-i·δtsup
ph-opt+i＝ph-opt+i·δph
vgasc-opt+i＝vgasc-opt+i·δvgasc
te-opt+i＝te-opt+i·δte
tsup-opt+i＝tsup-opt+i·δtsup
其中，i＝1,2,3
步骤一、当i＝1时，四个优化参数分别有3个值，即ph-opt、ph-opt-1、ph-opt+1、vgasc-opt、vgasc-opt-1、vgasc-opt+1、te-opt、te-opt-1、te-opt+1、tsup-opt、tsup-opt-1、tsup-opt+1，对每个优化参数随机取值进行排列组合得到34种情况，分别获取每种情况下新能源汽车跨临界co2空调系统的制热量qh和空调出风温度tout，若满足qc≥qc0，tout≥tout0，则输出该组的四个优化参数值，若多组工况满足条件，则输出满足条件的工况中所对应cop最大的一组优化参数值；
步骤二、若步骤一得到的结果均未满足qc≥qc0，tout≥tout0，则再令i＝2，此时四个优化参数分别增加两个数值：ph-opt-2、ph-opt+2、vgasc-opt-2、vgasc-opt+2、te-opt-2、te-opt+2、tsup-opt-2、tsup-opt+2，分别共有五个值，然后再次对每个优化参数随机取值进行排列组合得到共有54种情况，分别获取每种情况下，新能源汽车跨临界co2空调系统的制热量qh和空调出风温度tout，若满足qc≥qc0，tout≥tout0，则输出该组的四个优化参数值，若多组工况满足条件，则输出满足条件的工况中所对应cop最大的一组优化参数值；
步骤三、若步骤二得到的结果若均未满足qc≥qc0，tout≥tout0，则再令i＝3，此时四个优化参数分别增加两个数值：ph-opt-3、ph-opt+3、vgasc-opt-3、vgasc-opt+3、te-opt-3、te-opt+3、tsup-opt-3、tsup-opt+3分别共有七个值，然后再次对每个优化参数随机取值进行排列组合得到共有74种情况，分别获取每种情况下，新能源汽车跨临界co2空调系统的制热量qh和空调出风温度tout，若满足qc≥qc0，tout≥tout0，则输出该组的四个优化参数值，若多组工况满足条件，则输出满足条件的工况中所对应cop最大的一组优化参数值；
步骤四、若步骤三得到的结果均未满足qc≥qc0，tout≥tout0，则增大梯度值，取△ph1＝2△ph，△vgasc1＝2△vgasc、△te1＝2△te、△tsup1＝2△tsup，重复以上步骤，若满足qc≥qc0，tout≥tout0，则输出该组的四个优化参数值，若多组工况满足条件，则输出满足条件的工况中所对应cop最大的一组优化参数值；
步骤五、若步骤四得到的结果均未满足qc≥qc0，tout≥tout0，则再次增大梯度值，取△ph2＝4△ph，△vgasc2＝4△vgasc、△te2＝4△te、△tsup2＝4△tsup，重复以上步骤，若满足qc≥qc0，tout≥tout0，则输出该组的四个优化参数值，若多组工况满足条件，则输出满足条件的工况中所对应cop最大的一组优化参数值；
步骤六、若步骤五得到的结果均未满足qc≥qc0，tout≥tout0，则该空调系统设计不合理，不存在满足制冷量或制热量、出风温度条件的最优工况。
进一步的，新能源汽车跨临界co2空调系统冬季制热模式下的性能系数coph的计算公式如下：
coph为冬季制热模式空调系统的性能系数，无单位；
qh为空调系统的制热量，单位kw；
wc为空调系统的压缩机耗功，单位kw；
wf为空调系统的车内外换热器的风机总耗功，单位kw。
进一步的，新能源汽车跨临界co2空调系统夏季制冷模式下的性能系数copc的计算公式如下：
copc为夏季制冷模式空调系统的性能系数，无单位；
qc为空调系统的制热量，单位kw；
wc为空调系统的压缩机耗功，单位kw；
wf为空调系统的车内外换热器的风机总耗功，单位kw。
进一步的，三通阀为开度可调节阀；
得到最优的系统的运行高压值ph-opt、车外换热器的风量vgasc-opt、蒸发温度te-opt和有效过热度tsup-opt后，控制控制新能源汽车跨临界co2空调系统运行在最优值的工况下；
其中，控制新能源汽车跨临界co2空调系统的运行高压值ph由电子膨胀阀控制、车外换热器的风量vgasc由车外换热器的风机控制、蒸发温度te由压缩机的转速控制、有效过热度tsup-opt由通过回热器的质量流量来控制；通过调节三通阀的开度来调节通过回热器的制冷剂流量，从而控制过热度。
相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：
1.新能源汽车空调制冷剂主要是r134a，环保性能差，已经逐渐面临被淘汰的局面。本发明的新能源汽车空调系统采用的制冷剂为天然工质二氧化碳，环境友好；
2.本发明首先提出了采用多参数极值搜索控制算法与自学习神经网络相结合的控制系统，对空调系统的四个优化参数进行寻优，然后进一步提出了四个优化参数的具体控制策略。
3.保证了在各种多变复杂的驾驶环境工况下，新能源汽车空调始终可以迅速的进行自我调节，在最低的能耗下、最短的时间内满足乘客对车厢的舒适度要求，缓解未来的能源危机。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是本发明一种新能源汽车跨临界co2空调系统的结构示意图；
图2是本发明一种新能源汽车跨临界co2空调系统的多目标多参数优化控制方法逻辑框图；
其中：1压缩机、2四通换向阀、3车内换热器、4回热器、5电子膨胀阀、6车外换热器、7三通阀、8储液器。
具体实施方式
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
以下详细说明均是示例性的说明，旨在对本发明提供进一步的详细说明。除非另有指明，本发明所采用的所有技术术语与本申请所属领域的一般技术人员的通常理解的含义相同。本发明所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而并非意图限制根据本发明的示例性实施方式。
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
请参阅图1所示，本发明提供一种新能源汽车跨临界co2空调系统，主要包含以下部件：压缩机1、四通换向阀2、车内换热器3、回热器4、电子膨胀阀5、车外换热器6、三通阀7和储液器8。压缩机1出口连接四通换向阀2的d口，四通换向阀2的a口连接车外换热器6的一端，四通换向阀2的c口依次连接车内换热器3、电子膨胀阀5、回热器4的第一换热管路和车外换热器6的另一端，四通换向阀2的b口连接三通阀7的c口，三通阀7的a口通过回热器4的第二换热管路连接储液器8的进口，三通阀7的b口与回热器4的第二换热管路共同连接储液器8的进口，储液器8的出口连接压缩机1的进口。
夏季制冷工况时，四通换向阀2的a端口和d端口连通，b端口与c端口连通，三通阀7的a和c端口连通，b端口关闭，制冷剂在压缩机1中被压缩至高温高压状态，通过四通换向阀2的d端和a端进入室外换热器6，与空气换热后，进入回热器4的高压入口，与回热器4的低压通道中的低温流体进行换热，再经过电子膨胀阀5节流后，成为低温低压的两相态流体，流向车内换热器3，与空气进行换热为车厢提供冷量，降低车厢温度，而后经过四通换向阀2的c和b端口，流进三通阀7的c端口，再从三通阀7的a端口流向回热器4的低压入口，与回热器4的高压通道中的高温流体进行换热升温后进入储液器8中，最后回到压缩机1的吸气端。
冬季制热工况时，四通换向阀2的c端口和d端口连通，a端口与b端口连通，三通阀7的c和b端口连通，a端口关闭，制冷剂在压缩机1中被压缩至高温高压状态，通过四通换向阀2的d端和c端进入车内换热器3，与空气换热，与空气进行换热为车厢提供热量，升高车厢温度，而后经过电子膨胀阀5的节流后，成为低温低压的两相态流体，进入回热器4的高压入口，由于回热器4的低压通道已经被三通阀7旁通，所以制冷剂在回热器中基本无换热。制冷剂继续流向车外换热器6与环境换热后，经过四通换向阀2的a和b端口，流进三通阀7的c端口，再从三通阀7的b端口进入储液器8中，最后回到压缩机1的吸气端。
新能源汽车跨临界co2空调热泵系统包含以下四个目标参数：空调系统的性能系数、制冷量、制热量和空调出风温度(tout)；以及以下四个优化参数：系统的运行高压值(ph)、车外换热器6的风量(vgasc、蒸发温度te和有效过热度tsup)。其中，四个目标参数为多变量极值搜索控制方法的目标量，四个优化参数为多变量极值搜索控制方法的控制量。由于空调系统主要有夏季制冷和冬季制热两种模式，故具体控制逻辑按照空调系统的功能分为以下两种：
当跨临界二氧化碳新能源汽车空调处于夏季制冷模式时：多变量极值搜索控制系统的目标量分别为空调系统的性能系数(即cop值)、制冷量(qc)、和空调出风温度(tout)，控制量为系统的运行高压值(ph)、车外换热器的风量(vgasc)、蒸发温度(te)和有效过热度(tsup)。空调系统的制冷量(qc)和空调出风温度(tout)由厂家或用户设定，分别为qc0和tout0，多变量极值搜索控制系统在满足制冷量不低于设定值(即qc≥qc0)、出风温度不高于设定值的前提下(即tout≤tout0)，寻找到使得系统的性能参数cop达到最大值时的四个控制变量的最优值。
当跨临界二氧化碳新能源汽车空调处于冬季制热模式时：多变量极值搜索控制系统的目标量分别为空调系统的性能系数(即cop值)、制热量(qh)、和空调出风温度(tout)，控制量为系统的运行高压值(ph)、车外换热器的风量(vgasc)、蒸发温度(te)。空调系统的制热量(qh)和空调出风温度(tout)由厂家或用户设定，分别为qh0和tout0，多变量极值搜索控制系统在满足制热量和出风温度不低于设定值的前提下(即qc≥qc0，tout≥tout0)，寻找到使得系统的性能参数cop达到最大值时的四个控制变量的最优值。
多参数极值搜索控制是为了在变量的搜索过程中，同时对多个变量的极值寻优，以便寻找到任意条件下的性能最佳的空调系统输入问题，即：
(ph-opt(t),vgasc-opt(t),te-opt(t)，tsup-opt(t))＝argminf(ph，pl,vgasc,te,tsup,t)
其中：ph，vgasc,te，tsup分别为控制系统的输入控制变量；
ph-opt(t),vgasc-opt(t),te-opt(t),tsup-opt(t)分别为控制系统的输出寻优值；
f(ph，vgasc,te,tsup,t)为针对静态或者缓慢时变的非线性系统性能函数。
多参数极值搜索控制只能针对单目标寻优，即只能找出cop最大时的最佳优化参数值，因此无法确保空调系统的制冷/热量以及出风温度是否满足要求。故还需要附加自学习神经网络，具体控制逻辑如下：
请参阅图2所示，当跨临界二氧化碳新能源汽车空调处于夏季制冷模式时：以多参数极值搜索控制方法的输出量最优运行高压(ph-opt)，最优车外换热器风量(vgasc-opt)、最优蒸发温度(te-opt)以及最优有效过热度(tsup-opt)为初值，分别获取空调系统的制冷量(qc)和空调出风温度(tout)，若未满足制冷量不低于设定值(即qc≥qc0)、出风温度不高于设定值(即tout≤tout0)，则以△ph＝0.1mpa，△vgasc＝10m3/h、△te＝0.2℃、△tsup＝0.2℃为梯度，分别取四个优化参数的第i阶数值，即ph-opt-i、vgasc-opt-i、te-opt-i、tsup-opt-i和ph-opt+i、vgasc-opt+i、te-opt+i、tsup-opt+i。
其数值由以下公式确定：
ph-opt-i＝ph-opt-i·δph
vgasc-opt-i＝vgasc-opt-i·δvgasc
te-opt-i＝te-opt-i·δte
tsup-opt-i＝tsup-opt-i·δtsup
ph-opt+i＝ph-opt+i·δph
vgasc-opt+i＝vgasc-opt+i·δvgasc
te-opt+i＝te-opt+i·δte
tsup-opt+i＝tsup-opt+i·δtsup
其中，i＝1,2,3
当i＝1时，四个优化参数分别有3个值，即ph-opt、ph-opt-1、ph-opt+1、vgasc-opt、vgasc-opt-1、vgasc-opt+1、te-opt、te-opt-1、te-opt+1、tsup-opt、tsup-opt-1、tsup-opt+1，对每一个优化参数随机取值，进行排列组合，共34种情况，分别获取每种情况下，空调系统的制冷量(qc)和空调出风温度(tout)，若满足制冷量不低于设定值(即qc≥qc0)、出风温度不高于设定值(即tout≤tout0)，则输出该组的四个优化参数值，若多组工况满足条件，则输出满足条件的工况中所对应cop最大的一组；
若均未满足制冷量不低于设定值(即qc≥qc0)、出风温度不高于设定值(即tout≤tout0)，则再令i＝2，此时四个优化参数分别增加两个数值，即ph-opt-2、ph-opt+2、vgasc-opt-2、vgasc-opt+2、te-opt-2、te-opt+2、tsup-opt-2、tsup-opt+2分别共有五个值，然后再次对每个优化参数随机取值，进行排列组合，共有54种情况，分别获取每种情况下，空调系统的制冷量(qc)和空调出风温度(tout)，若满足制冷量不低于设定值(即qc≥qc0)、出风温度不高于设定值的前提下(即tout≤tout0)，则输出该组的四个优化参数值，若多组工况满足条件，则输出满足条件的工况中所对应cop最大的一组；
若均未满足制冷量不低于设定值(即qc≥qc0)、出风温度不高于设定值(即tout≤tout0)，则再令i＝3，此时四个优化参数分别增加两个数值，即ph-opt-3、ph-opt+3、vgasc-opt-3、vgasc-opt+3、te-opt-3、te-opt+3、tsup-opt-3、tsup-opt+3分别共有七个值，然后再次对每个优化参数随机取值，进行排列组合，共有74种情况，分别获取每种情况下，空调系统的制冷量(qc)和空调出风温度(tout)，若满足制冷量不低于设定值(即qc≥qc0)、出风温度不高于设定值的前提下(即tout≤tout0)，则输出该组的四个优化参数值，若多组工况满足条件，则输出满足条件的工况中所对应cop最大的一组；
若均未满足制冷量不低于设定值(即qc≥qc0)、出风温度不高于设定值(即tout≤tout0)，则增大梯度值，取△ph1＝2△ph，△vgasc1＝2△vgasc、△te1＝2△te、△tsup1＝2△tsup，重复以上步骤，若满足制冷量不低于设定值(即qc≥qc0)、出风温度不高于设定值的前提下(即tout≤tout0)，则输出该组的四个优化参数值，若多组工况满足条件，则输出满足条件的工况中所对应cop最大的一组；
若均未满足制冷量不低于设定值(即qc≥qc0)、出风温度不高于设定值(即tout≤tout0)，则再次增大梯度值，取△ph2＝4△ph，△vgasc2＝4△vgasc、△te2＝4△te、△tsup2＝4△tsup，重复以上步骤，若满足制冷量不低于设定值(即qc≥qc0)、出风温度不高于设定值的前提下(即tout≤tout0)，则输出该组的四个优化参数值，若多组工况满足条件，则输出满足条件的工况中所对应cop最大的一组；
若均未满足制冷量不低于设定值(即qc≥qc0)、出风温度不高于设定值(即tout≤tout0)，则该空调系统设计不合理，不存在满足制冷量或制热量、出风温度条件的最优工况，需要重新进行部件设计。
当跨临界二氧化碳新能源汽车空调处于冬季制热模式时：以多参数极值搜索控制方法的输出量最优运行高压(ph-opt)，最优车外换热器风量(vgasc-opt)、最优蒸发温度(te-opt)以及最优有效过热度(tsup-opt)为初值，分别获取空调系统的制热量(qh)和空调出风温度(tout)，若制冷量和出风温度不满足制热量和出风温度不低于设定值(即qc≥qc0，tout≥tout0)，则以△ph＝0.1mpa，△vgasc＝10m3/h、△te＝0.2℃、△tsup＝0.2℃为梯度，分别取四个优化参数的第i阶数值，即ph-opt-i、vgasc-opt-i、te-opt-i、tsup-opt-i和ph-opt+i、vgasc-opt+i、te-opt+i、tsup-opt+i。其数值由以下公式确定：
ph-opt-i＝ph-opt-i·δph
vgasc-opt-i＝vgasc-opt-i·δvgasc
te-opt-i＝te-opt-i·δte
tsup-opt-i＝tsup-opt-i·δtsup
ph-opt+i＝ph-opt+i·δph
vgasc-opt+i＝vgasc-opt+i·δvgasc
te-opt+i＝te-opt+i·δte
tsup-opt+i＝tsup-opt+i·δtsup
其中，i＝1,2,3
当i＝1时，四个优化参数分别有3个值，即ph-opt、ph-opt-1、ph-opt+1、vgasc-opt、vgasc-opt-1、vgasc-opt+1、te-opt、te-opt-1、te-opt+1、tsup-opt、tsup-opt-1、tsup-opt+1，对每一个优化参数随机取值，进行排列组合，共34种情况，分别获取每种情况下，空调系统的制热量(qh)和空调出风温度(tout)，若满足制热量和出风温度不低于设定值(即qc≥qc0，tout≥tout0)，则输出该组的四个优化参数值，若多组工况满足条件，则输出满足条件的工况中所对应cop最大的一组；
若均未满足制热量和出风温度不低于设定值(即qc≥qc0，tout≥tout0)，则再令i＝2，此时四个优化参数分别增加两个数值，即ph-opt-2、ph-opt+2、vgasc-opt-2、vgasc-opt+2、te-opt-2、te-opt+2、tsup-opt-2、tsup-opt+2分别共有五个值，然后再次对每个优化参数随机取值，进行排列组合，共有54种情况，分别获取每种情况下，空调系统的制热量(qh)和空调出风温度(tout)，若满足制热量和出风温度不低于设定值(即qc≥qc0，tout≥tout0)，则输出该组的四个优化参数值，若多组工况满足条件，则输出满足条件的工况中所对应cop最大的一组；
若均未满足制热量和出风温度不低于设定值(即qc≥qc0，tout≥tout0)，则再令i＝3，此时四个优化参数分别增加两个数值，即ph-opt-3、ph-opt+3、vgasc-opt-3、vgasc-opt+3、te-opt-3、te-opt+3、tsup-opt-3、tsup-opt+3分别共有七个值，然后再次对每个优化参数随机取值，进行排列组合，共有74种情况，分别获取每种情况下，空调系统的制热量(qh)和空调出风温度(tout)，若满足制热量和出风温度不低于设定值的前提下(即qc≥qc0，tout≥tout0)，则输出该组的四个优化参数值，若多组工况满足条件，则输出满足条件的工况中所对应cop最大的一组；
若均未满足制热量和出风温度不低于设定值(即qc≥qc0，tout≥tout0)，则增大梯度值，取△ph1＝2△ph，△vgasc1＝2△vgasc、△te1＝2△te、△tsup1＝2△tsup，重复以上步骤，若满足权利一所述的要求，即制热量和出风温度不低于设定值的前提下(即qc≥qc0，tout≥tout0)，则输出该组的四个优化参数值，若多组工况满足条件，则输出满足条件的工况中所对应cop最大的一组；
若均未满足制热量和出风温度不低于设定值(即qc≥qc0，tout≥tout0)，则再次增大梯度值，取△ph2＝4△ph，△vgasc2＝4△vgasc、△te2＝4△te、△tsup2＝4△tsup，重复以上步骤，若满足制热量和出风温度不低于设定值的前提下(即qc≥qc0，tout≥tout0)，则输出该组的四个优化参数值，若多组工况满足条件，则输出满足条件的工况中所对应cop最大的一组；
若均未满足制热量和出风温度不低于设定值(即qc≥qc0，tout≥tout0)，则该空调系统设计不合理，不存在满足制冷量或制热量、出风温度条件的最优工况，需要重新进行部件设计。
本发明中，针对每一组优化参数值，例如ph-opt、vgasc-opt、te-opt、tsup-opt获取空调系统的制热量(qh)和空调出风温度(tout)的方式为：汽车空调的车内换热器的风量由厂家设定范围，用户进行选择。因此当空调系统固定以上四个参数以及车内进风风量后，系统循环可由动态仿真或用户数据库查询获取。其中制冷量(qc)、制热量(qh)和空调出风温度(tout)三者均为系统固有参数计算，由系统本身而定。空调系统的性能系数(即cop值)的计算公式如下：
其中：coph为冬季制热模式空调系统的性能，无单位；
qh为空调系统的制热量，单位kw；
wc为空调系统的压缩机耗功，单位kw；
wf为空调系统的车内外换热器的风机总耗功，单位kw；
copc为夏季制冷模式空调系统的性能，无单位；
qc为空调系统的制热量，单位kw；
本发明中，三通阀7为开度可调节阀。当多变量极值搜索控制系统寻优后，即得到最优的系统的运行高压值(ph-opt)、车外换热器的风量(vgasc-opt)、蒸发温度(te-opt)和有效过热度(tsup-opt)后，控制空调系统运行在最优值的工况下。其中，系统的运行高压值(ph)由节流阀的开度控制、车外换热器的风量(vgasc)由车外换热器的风机控制、蒸发温度(te)由压缩机的转速控制、有效过热度(tsup-opt)由通过回热器的质量流量来控制，即通过调节三通阀7的开度来调节通过回热器的制冷剂流量，从而达到控制过热度的目的。
由技术常识可知，本发明可以通过其它的不脱离其精神实质或必要特征的实施方案来实现。因此，上述公开的实施方案，就各方面而言，都只是举例说明，并不是仅有的。所有在本发明范围内或在等同于本发明的范围内的改变均被本发明包含。
技术特征：
1.一种跨临界co2空调热泵系统，其特征在于，包括：压缩机(1)、四通换向阀(2)、车内换热器(3)、回热器(4)、电子膨胀阀(5)、车外换热器(6)、三通阀(7)和储液器(8)；
压缩机(1)出口连接四通换向阀(2)的d口，四通换向阀(2)的a口连接车外换热器(6)的一端，四通换向阀(2)的c口依次连接车内换热器(3)、电子膨胀阀(5)、回热器(4)的第一换热管路和车外换热器(6)的另一端，四通换向阀(2)的b口连接三通阀(7)的c口，三通阀(7)的a口通过回热器(4)的第二换热管路连接储液器(8)的进口，三通阀(7)的b口与回热器(4)的第二换热管路共同连接储液器(8)的进口，储液器(8)的出口连接压缩机(1)的进口。
2.权利要求1所述的一种跨临界co2空调热泵系统的优化控制方法，其特征在于，采用多变量极值搜索控制方法进行优化，包括：
四个目标参数：空调系统的性能系数cop值、制冷量qc、制热量qh和空调出风温度tout；
四个优化参数：空调系统的运行高压值ph、车外换热器的风量vgasc、蒸发温度te和有效过热度tsup；
四个目标参数为多变量极值搜索控制方法的目标量，四个优化参数为多变量极值搜索控制方法的控制量；
夏季制冷模式时：多变量极值搜索控制方法的目标量分别为空调系统的性能系数cop值、制冷量qc、和空调出风温度tout，控制量为系统的运行高压值ph、车外换热器的风量vgasc、蒸发温度te和有效过热度tsup；空调系统的制冷量qc和空调出风温度tout的设定值分别为qc0和tout0，多变量极值搜索控制方法在满足制冷量不低于设定值的前提下，寻找到使得系统的性能参数cop达到最大值时的四个控制变量的最优值；并以最优值控制新能源汽车跨临界co2空调系统运行；
冬季制热模式时：多变量极值搜索控制方法的目标量分别为空调系统的性能系数cop值、制热量qh和空调出风温度tout，控制量为系统的运行高压值ph、车外换热器的风量vgasc、蒸发温度te和有效过热度tsup；空调系统的制热量qh和空调出风温度tout的设定值分别为qh0和tout0，多变量极值搜索控制系统在满足制热量和出风温度不低于设定值的前提下，寻找到使得系统的性能参数cop达到最大值时的四个控制变量的最优值；并以最优值控制新能源汽车跨临界co2空调系统运行。
3.根据权利要求2所述的优化控制方法，其特征在于，在变量的搜索过程中，同时对多个变量的极值寻优，以便寻找到任意条件下的性能最佳的空调系统输入问题：
(ph-opt(t),vgasc-opt(t),te-opt(t)，tsup-opt(t))＝argminf(ph，pl,vgasc,te,tsup,t)
其中：ph，vgasc,te，tsup分别为输入控制变量；
ph-opt(t),vgasc-opt(t),te-opt(t),tsup-opt(t)分别为输出寻优值；
f(ph，vgasc,te,tsup,t)为针对静态或者缓慢时变的非线性系统性能函数。
4.根据权利要求2所述的优化控制方法，其特征在于，夏季制冷模式时：以多变量极值搜索控制方法的输出量最优运行高压ph-opt、最优车外换热器风量vgasc-opt、最优蒸发温度te-opt以及最优有效过热度tsup-opt为初值，分别获取空调系统的制冷量qc和空调出风温度tout；
若制冷量和出风温度不满足qc≥qc0、tout≤tout0，则以△ph＝0.1mpa，△vgasc＝10m3/h、△te＝0.2℃、△tsup＝0.2℃为梯度，分别取四个优化参数的第i阶数值，即ph-opt-i、vgasc-opt-i、te-opt-i、tsup-opt-i和ph-opt+i、vgasc-opt+i、te-opt+i、tsup-opt+i；
其数值由以下公式确定：
ph-opt-i＝ph-opt-i·δph
vgasc-opt-i＝vgasc-opt-i·δvgasc
te-opt-i＝te-opt-i·δte
tsup-opt-i＝tsup-opt-i·δtsup
ph-opt+i＝ph-opt+i·δph
vgasc-opt+i＝vgasc-opt+i·δvgasc
te-opt+i＝te-opt+i·δte
tsup-opt+i＝tsup-opt+i·δtsup
其中，i＝1,2,3
步骤一、当i＝1时，四个优化参数分别有3个值：ph-opt、ph-opt-1、ph-opt+1、vgasc-opt、vgasc-opt-1、vgasc-opt+1、te-opt、te-opt-1、te-opt+1、tsup-opt、tsup-opt-1、tsup-opt+1，对每个优化参数随机取值，进行排列组合得到共34种情况，分别获取每种情况下新能源汽车跨临界co2空调系统的制冷量qc和空调出风温度tout，若满足qc≥qc0、tout≤tout0，则输出该组的四个优化参数值，若多组工况满足条件，则输出满足条件的工况中所对应cop最大的一组优化参数值；
步骤二、若步骤一得到的结果均未满足qc≥qc0、tout≤tout0，则令i＝2，此时四个优化参数分别增加两个数值，即ph-opt-2、ph-opt+2、vgasc-opt-2、vgasc-opt+2、te-opt-2、te-opt+2、tsup-opt-2、tsup-opt+2，然后再次对每个优化参数随机取值进行排列组合得到54种情况，分别获取每种情况下新能源汽车跨临界co2空调系统的制冷量qc和空调出风温度tout，若满足qc≥qc0、tout≤tout0，则输出该组的四个优化参数值，若多组工况满足条件，则输出满足条件的工况中所对应cop最大的一组优化参数值；
步骤三、若步骤二得到的结果均未满足qc≥qc0、tout≤tout0，则再令i＝3，此时四个优化参数分别增加两个数值，即ph-opt-3、ph-opt+3、vgasc-opt-3、vgasc-opt+3、te-opt-3、te-opt+3、tsup-opt-3、tsup-opt+3分别共有七个值，然后再次对每个优化参数随机取值进行排列组合，得到74种情况，分别获取每种情况下，新能源汽车跨临界co2空调系统的制冷量qc和空调出风温度tout，若满足qc≥qc0、tout≤tout0，则输出该组的四个优化参数值，若多组工况满足条件，则输出满足条件的工况中所对应cop最大的一组优化参数值；
步骤四、若均步骤三得到的结果未满足qc≥qc0、tout≤tout0，则增大梯度值，取△ph1＝2△ph，△vgasc1＝2△vgasc、△te1＝2△te、△tsup1＝2△tsup，重复以上步骤一、二、三，若满足qc≥qc0、tout≤tout0，则输出该组的四个优化参数值，若多组工况满足条件，则输出满足条件的工况中所对应cop最大的一组优化参数值；
步骤五、若步骤四得到的结果均未满足qc≥qc0、tout≤tout0，则再次增大梯度值，取△ph2＝4△ph，△vgasc2＝4△vgasc、△te2＝4△te、△tsup2＝4△tsup，重复以上步骤一、二、三，若满足qc≥qc0、tout≤tout0，则输出该组的四个优化参数值，若多组工况满足条件，则输出满足条件的工况中所对应cop最大的一组优化参数值；
步骤六、若步骤五得到的结果均未满足qc≥qc0、tout≤tout0，则该空调系统设计不合理，不存在满足制冷量或制热量、出风温度条件的最优工况。
5.根据权利要求2所述的优化控制方法，其特征在于，冬季制热模式时：以多参数极值搜索控制方法的输出量：最优运行高压ph-opt，最优车外换热器风量vgasc-opt、最优蒸发温度te-opt以及最优有效过热度tsup-opt为初值，分别获取空调系统的制热量qh和空调出风温度tout；
若制热量和出风温度不满足qc≥qc0，tout≥tout0，则以△ph＝0.1mpa，△vgasc＝10m3/h、△te＝0.2℃、△tsup＝0.2℃为梯度，分别取四个优化参数的第i阶数值：ph-opt-i、vgasc-opt-i、te-opt-i、tsup-opt-i和ph-opt+i、vgasc-opt+i、te-opt+i、tsup-opt+i；其数值由以下公式确定：
ph-opt-i＝ph-opt-i·δph
vgasc-opt-i＝vgasc-opt-i·δvgasc
te-opt-i＝te-opt-i·δte
tsup-opt-i＝tsup-opt-i·δtsup
ph-opt+i＝ph-opt+i·δph
vgasc-opt+i＝vgasc-opt+i·δvgasc
te-opt+i＝te-opt+i·δte
tsup-opt+i＝tsup-opt+i·δtsup
其中，i＝1,2,3
步骤一、当i＝1时，四个优化参数分别有3个值，即ph-opt、ph-opt-1、ph-opt+1、vgasc-opt、vgasc-opt-1、vgasc-opt+1、te-opt、te-opt-1、te-opt+1、tsup-opt、tsup-opt-1、tsup-opt+1，对每个优化参数随机取值进行排列组合得到34种情况，分别获取每种情况下新能源汽车跨临界co2空调系统的制热量qh和空调出风温度tout，若满足qc≥qc0，tout≥tout0，则输出该组的四个优化参数值，若多组工况满足条件，则输出满足条件的工况中所对应cop最大的一组优化参数值；
步骤二、若步骤一得到的结果均未满足qc≥qc0，tout≥tout0，则再令i＝2，此时四个优化参数分别增加两个数值：ph-opt-2、ph-opt+2、vgasc-opt-2、vgasc-opt+2、te-opt-2、te-opt+2、tsup-opt-2、tsup-opt+2，分别共有五个值，然后再次对每个优化参数随机取值进行排列组合得到共有54种情况，分别获取每种情况下，新能源汽车跨临界co2空调系统的制热量qh和空调出风温度tout，若满足qc≥qc0，tout≥tout0，则输出该组的四个优化参数值，若多组工况满足条件，则输出满足条件的工况中所对应cop最大的一组优化参数值；
步骤三、若步骤二得到的结果若均未满足qc≥qc0，tout≥tout0，则再令i＝3，此时四个优化参数分别增加两个数值：ph-opt-3、ph-opt+3、vgasc-opt-3、vgasc-opt+3、te-opt-3、te-opt+3、tsup-opt-3、tsup-opt+3分别共有七个值，然后再次对每个优化参数随机取值进行排列组合得到共有74种情况，分别获取每种情况下，新能源汽车跨临界co2空调系统的制热量qh和空调出风温度tout，若满足qc≥qc0，tout≥tout0，则输出该组的四个优化参数值，若多组工况满足条件，则输出满足条件的工况中所对应cop最大的一组优化参数值；
步骤四、若步骤三得到的结果均未满足qc≥qc0，tout≥tout0，则增大梯度值，取△ph1＝2△ph，△vgasc1＝2△vgasc、△te1＝2△te、△tsup1＝2△tsup，重复以上步骤，若满足qc≥qc0，tout≥tout0，则输出该组的四个优化参数值，若多组工况满足条件，则输出满足条件的工况中所对应cop最大的一组优化参数值；
步骤五、若步骤四得到的结果均未满足qc≥qc0，tout≥tout0，则再次增大梯度值，取△ph2＝4△ph，△vgasc2＝4△vgasc、△te2＝4△te、△tsup2＝4△tsup，重复以上步骤，若满足qc≥qc0，tout≥tout0，则输出该组的四个优化参数值，若多组工况满足条件，则输出满足条件的工况中所对应cop最大的一组优化参数值；
步骤六、若步骤五得到的结果均未满足qc≥qc0，tout≥tout0，则该空调系统设计不合理，不存在满足制冷量或制热量、出风温度条件的最优工况。
6.根据权利要求2所述的优化控制方法，其特征在于，新能源汽车跨临界co2空调系统冬季制热模式下的性能系数coph的计算公式如下：
coph为冬季制热模式空调系统的性能系数，无单位；
qh为空调系统的制热量，单位kw；
wc为空调系统的压缩机耗功，单位kw；
wf为空调系统的车内外换热器的风机总耗功，单位kw。
7.根据权利要求2所述的优化控制方法，其特征在于，新能源汽车跨临界co2空调系统夏季制冷模式下的性能系数copc的计算公式如下：
copc为夏季制冷模式空调系统的性能系数，无单位；
qc为空调系统的制热量，单位kw；
wc为空调系统的压缩机耗功，单位kw；
wf为空调系统的车内外换热器的风机总耗功，单位kw。
8.根据权利要求2所述的优化控制方法，其特征在于，三通阀(7)为开度可调节阀；
得到最优的系统的运行高压值ph-opt、车外换热器的风量vgasc-opt、蒸发温度te-opt和有效过热度tsup-opt后，控制控制新能源汽车跨临界co2空调系统运行在最优值的工况下；
其中，控制新能源汽车跨临界co2空调系统的运行高压值ph由电磁膨胀阀(5)控制、车外换热器(6)的风量vgasc由车外换热器(6)的风机控制、蒸发温度te由压缩机(1)的转速控制、有效过热度tsup-opt由通过回热器(4)的质量流量来控制；通过调节三通阀(7)的开度来调节通过回热器(4)的制冷剂流量，从而控制过热度。
技术总结
本发明公开了一种跨临界CO2空调热泵系统及其优化控制方法，针对如何在不同的汽车驾驶环境工况下，快速精确地自适应性调节空调系统的性能，首先提出了采用多参数极值搜索控制算法与自学习神经网络相结合的控制方法，对空调系统的四个优化参数即系统运行高压(Ph)，车外换热器风量(Vgasc)、蒸发温度(Te)以及有效过热度(Tsup)进行寻优，然后进一步提出了四个优化参数的具体控制策略。保证了在各种多变复杂的驾驶环境工况下，新能源汽车空调始终可以迅速的进行自我调节，在最低的能耗下、最短的时间内满足乘客对车厢的舒适度要求，缓解未来的能源危机。
技术研发人员：殷翔;王静;曹锋;方健珉
受保护的技术使用者：西安交通大学
技术研发日：.07.17
技术公布日：.12.03
如果觉得《一种跨临界CO2空调热泵系统及其优化控制方法与流程》对你有帮助，请点赞、收藏，并留下你的观点哦！
