劉 克，關(guān)樸芳

(福建船政交通職業(yè)學(xué)院 機(jī)械工程系，福州 350003)

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基于回差技術(shù)的汽車空調(diào)制冷系統(tǒng)控制電路的設(shè)計(jì)

劉 克，關(guān)樸芳

(福建船政交通職業(yè)學(xué)院 機(jī)械工程系，福州 350003)

各種原因引起的蒸發(fā)器溫度波動(dòng)，造成汽車空調(diào)系統(tǒng)的核心部件壓縮機(jī)不合理的頻繁啟動(dòng)和停止，影響了制冷效力。為避免此種情況，有效保障壓縮機(jī)正常運(yùn)行，研究了一種基于回差技術(shù)且適合經(jīng)濟(jì)型汽車空調(diào)系統(tǒng)使用的控制電路。

回差技術(shù)；汽車空調(diào)制冷系統(tǒng)；控制電路；壓縮機(jī)

汽車空調(diào)制冷系統(tǒng)主要由壓縮機(jī)、冷凝器、蒸發(fā)器等機(jī)構(gòu)組成，制冷方式主要通過壓縮制冷劑來完成。其制冷過程：從壓縮機(jī)出來的高溫高壓制冷劑由高壓軟管進(jìn)入冷凝器，制冷劑大量吸熱而汽化，成為低溫低壓濕蒸汽進(jìn)入蒸發(fā)器，通過熱交換使得蒸發(fā)器溫度降低，產(chǎn)生了制冷降溫的效果；汽化了的制冷劑被壓縮機(jī)抽吸壓縮，又變成高溫高壓狀態(tài)的氣體，通過高壓軟管送至冷凝器，從而完成一個(gè)制冷系統(tǒng)的熱力循環(huán)。在此循環(huán)中，壓縮機(jī)扮演著促使制冷劑在制冷系統(tǒng)管路中循環(huán)流動(dòng)、完成氣液兩態(tài)轉(zhuǎn)換而達(dá)到制冷目的的重要角色，它是制冷系統(tǒng)的心臟[1]。

1 汽車空調(diào)壓縮機(jī)的運(yùn)行機(jī)理

經(jīng)濟(jì)型汽車空調(diào)制冷系統(tǒng)通常采用的是非獨(dú)立式手動(dòng)空調(diào)。所謂非獨(dú)立式的空調(diào)制冷系統(tǒng)是指壓縮機(jī)的驅(qū)動(dòng)動(dòng)力來自于汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)。離合器是發(fā)動(dòng)機(jī)向壓縮機(jī)傳遞動(dòng)力的關(guān)鍵部件，通過控制離合器電磁線圈的得電、失電，實(shí)現(xiàn)離合器與發(fā)動(dòng)機(jī)的吸合或分離，從而決定壓縮機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)或停止[2]。

在手動(dòng)式汽車空調(diào)制冷系統(tǒng)中，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)和壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)正常，且串接于壓縮機(jī)電源電路的四個(gè)開關(guān)——空調(diào)器開關(guān)(A/C)、鼓風(fēng)機(jī)開關(guān)、壓力開關(guān)、恒溫開關(guān)都處于閉合狀態(tài)時(shí)，汽車用的空調(diào)放大器就有電壓輸出，驅(qū)動(dòng)離合器線圈得電，使發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)壓縮機(jī)工作[3]。

2 恒溫開關(guān)的作用

恒溫開關(guān)(蒸發(fā)器的傳感器)感受蒸發(fā)器的表面溫度，是溫度控制的開關(guān)元件。當(dāng)蒸發(fā)器表面溫度上升到設(shè)定值時(shí)，開關(guān)導(dǎo)通，離合器閉合，壓縮機(jī)工作；當(dāng)蒸發(fā)器表面溫度低于設(shè)定值時(shí)，開關(guān)脫開，離合器分離，壓縮機(jī)停止工作。

這個(gè)傳感器一般采用具有負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻[4]，其阻值與蒸發(fā)器表面溫度成反比，如表1所示。

表1 熱敏電阻的溫度-阻值變化表

3 問題的提出

壓縮機(jī)和離合器的損壞在汽車空調(diào)制冷系統(tǒng)故障率中的占比較高[2]，其中一個(gè)重要因素是沒有正確選擇好溫控開關(guān)的控制方式。

在理想條件下，汽車空調(diào)壓縮機(jī)在高于溫度控制值(本研究設(shè)定為3.5 ℃)時(shí)運(yùn)行，低于溫度控制值時(shí)停止，其運(yùn)行過程如圖1所示。

圖1 理想條件下壓縮機(jī)的運(yùn)行過程

但在實(shí)際運(yùn)行過程中，由于各種因素的干擾，溫度在控制值附近產(chǎn)生波動(dòng)，壓縮機(jī)會(huì)發(fā)生如下現(xiàn)象：短時(shí)間里當(dāng)溫度在控制值附近上下波動(dòng)時(shí)，離合器的分合就會(huì)在極短的時(shí)間內(nèi)發(fā)生，造成離合器燒毀、壓縮機(jī)產(chǎn)生大的啟動(dòng)沖擊電流以及電路經(jīng)歷頻繁的“換路過程”，如此將會(huì)縮短離合器和壓縮機(jī)的使用壽命、降低電路的抗電磁能力。溫度在控制值附近波動(dòng)時(shí)壓縮機(jī)的運(yùn)行過程如圖2所示。

圖2 溫度波動(dòng)時(shí)壓縮機(jī)的運(yùn)行過程

為此，我們基于回差技術(shù)為汽車空調(diào)制冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一款經(jīng)濟(jì)實(shí)用的控制電路來避免上述現(xiàn)象的發(fā)生。

4 溫度回差控制設(shè)計(jì)

4.1 模型分析

設(shè)定溫度控制的上閾值(5 ℃)和下閾值(2 ℃)，應(yīng)用回差控制技術(shù)在反饋電路中形成一個(gè)溫度回差區(qū)域。溫度回差控制傳輸特性如圖3所示。

圖3 溫度回差控制傳輸特性

當(dāng)蒸發(fā)器溫度從低溫區(qū)域逐步上升至下閾值時(shí)，壓縮機(jī)保持原狀態(tài)，溫度繼續(xù)上升，當(dāng)達(dá)到上閾值時(shí)，離合器閉合，壓縮機(jī)啟動(dòng)(如圖3所示實(shí)芯箭頭指示的方向)；當(dāng)蒸發(fā)器溫度從高溫區(qū)域逐步下降至上閾值時(shí)，壓縮機(jī)保持原狀態(tài)，溫度繼續(xù)下降，當(dāng)達(dá)到下閾值時(shí)，離合器分離，壓縮機(jī)停止(如圖3所示非實(shí)芯箭頭指示的方向)。

由于采用了回差溫度區(qū)域，這樣實(shí)際溫度在原控制值附近發(fā)生溫度變化時(shí)，不會(huì)造成壓縮機(jī)在短時(shí)間里的頻繁啟動(dòng)或停止，由此克服了大電流的沖擊，減少了電路的“暫態(tài)過程”。回差溫度控制狀態(tài)下壓縮機(jī)的運(yùn)行過程如圖4所示。

圖4 回差溫度控制狀態(tài)下壓縮機(jī)的運(yùn)行過程

4.2 回差電路的設(shè)計(jì)與分析

基于回差技術(shù)設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)型汽車空調(diào)壓縮機(jī)的運(yùn)行控制電路如圖5所示。

圖5 經(jīng)濟(jì)型汽車空調(diào)壓縮機(jī)運(yùn)行控制電路

電路各組成部分的功能如下：

(1)INGN+V，D1，C1，ZD1：直流電源。

(2)R1，R2：運(yùn)算放大器的負(fù)輸入端電壓(參考電壓)的采樣電阻。

(3)R3，R9，RT，R6：運(yùn)算放大器的正輸入端電壓的采樣電阻。其中RT是熱敏電阻，R6是反饋電阻(運(yùn)算放大器輸出電壓反饋到其正輸入端)。

(4)LM2904：電壓比較器。

(5)BST52：離合器線圈的驅(qū)動(dòng)三極管。

由于反饋電阻的存在，使電路從一個(gè)簡(jiǎn)單的單限比較方式變?yōu)橐环N具有回差性質(zhì)的控制電路[5]。

運(yùn)算放大器的輸入端電壓的計(jì)算過程如下。

設(shè)定電路供電電壓(INGN+V)為7.5 V，運(yùn)算放大器的負(fù)輸入端電壓U-為固定值：

運(yùn)算放大器有兩個(gè)正輸入端電壓值U+：當(dāng)運(yùn)算放大器輸出為H(正向飽和電壓)時(shí)，其值為式(1)的計(jì)算結(jié)果；當(dāng)運(yùn)算放大器輸出為L(zhǎng)(負(fù)向飽和電壓)時(shí)，其值為式(2)的計(jì)算結(jié)果。

(1)

(2)

查看表1在不同溫度時(shí)所對(duì)應(yīng)的熱敏電阻值RT和圖5所示的各電阻值，代入式(1)和式(2)中進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如表2所示。

表2 運(yùn)算放大器的輸入端電壓及其比較

從表2中的“計(jì)算數(shù)據(jù)”看：運(yùn)算放大器的正輸入端電壓值U+為3.8V時(shí)，其對(duì)應(yīng)的蒸發(fā)器溫度是不同的，它們分別是5 ℃(放大器低電平輸出時(shí))和2 ℃(放大器高電平輸出時(shí))，這樣形成了兩個(gè)比較值，即上閾值和下閾值，它們之間有3 ℃的回差值，可以有效控制外部因素對(duì)溫度的影響。

5 實(shí)驗(yàn)的結(jié)果分析

對(duì)電路中運(yùn)算放大器的正輸入端電壓測(cè)試得到表2中的“實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)”，將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)“U+”與“U-”進(jìn)行比較分析：

(1)當(dāng)運(yùn)算放大器輸出為L(zhǎng)時(shí)，U+L都小等于U-，BST52三極管截止，離合器線圈失電，壓縮機(jī)不工作；但當(dāng)蒸發(fā)器溫度將從2 ℃繼續(xù)回升到5 ℃時(shí)，U+L等于U-，運(yùn)算放大器輸出從L翻轉(zhuǎn)為H，BST52三極管飽和，離合器線圈得電，壓縮機(jī)工作(如圖3中實(shí)芯箭頭指示的方向)。

(2)當(dāng)運(yùn)算放大器輸出為H時(shí)，U+H都大于U-的電壓，BST52三極管飽和，離合器吸合，壓縮機(jī)運(yùn)行；但當(dāng)蒸發(fā)器溫度從5 ℃繼續(xù)下降到2 ℃時(shí)，U+H等于U-，則運(yùn)算放大器輸出就會(huì)從H翻轉(zhuǎn)為L(zhǎng)，BST52三極管截止，離合器線圈失電，壓縮機(jī)停止工作(如圖3中非實(shí)芯箭頭指示的方向)。

從2 ℃到5 ℃溫度上升的過程中，運(yùn)算放大器輸出只能在上閾值點(diǎn)(5 ℃)翻轉(zhuǎn)(運(yùn)算放大器輸出從L→H，壓縮機(jī)啟動(dòng))；從5 ℃到2 ℃溫度下降的過程中，運(yùn)算放大器輸出只能在下閾值點(diǎn)(2 ℃)翻轉(zhuǎn)(運(yùn)算放大器輸出從H→L，壓縮機(jī)停止)。此為溫度回差控制過程。因此，回差控制技術(shù)的使用解決了由于蒸發(fā)器溫度的波動(dòng)造成的壓縮機(jī)急速振蕩，保證了壓縮機(jī)的制冷效果以及汽車空調(diào)系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

[1] 毛翼，張海煥，張磊.定排量壓縮機(jī)節(jié)能控制策略[J].汽車工程師，2016(1)：27-30.

[2] 廖鵬程.汽車空調(diào)壓縮機(jī)用電磁離合器動(dòng)態(tài)特性試驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)[J].西南師范大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2014，35(2)：190-196.

[3] 張建峰.淺談汽車空調(diào)的電路控制技術(shù)[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2010(32)：96.

[4] 三浦宏文.機(jī)電一體化實(shí)用手冊(cè)[M].北京：科學(xué)出版社，2007：201-205.

[5] 童詩(shī)白，華成英.模擬電子技術(shù)[M].北京：高等教育出版社，2001：412-417.

(責(zé)任編校：李秀榮)

On the Design of Control Circuit for Automotive Air Conditioning System Based on Hysteresis Technique

LIU Ke， GUAN Pu-fang

(Department of Mechanical Engineering， Fujian Shipping & Transportation Vocational College， Fujian 350003， China)

Due to the evaporator temperature vibration caused by various factors， the compressor，the most essential component of the automotive air conditioning system， has to start and stop frequently， affecting the cooling efficiency. In order to avoid this situation and ensure the normal operation of the compressor， the authors of this paper have developed a control circuit for the air conditioning system of economical vehicles based on hysteresis technology.

hysteresis voltage method； control circuit； compressor； vehicle air conditioner

福建省教育廳B類課題(JB13289)

劉克(1961-)，男，河南南陽人，副教授，主要從事機(jī)電產(chǎn)品開發(fā)研究。

TP29

A

1672-349X(2016)06-0037-04

10.16160/j.cnki.tsxyxb.2016.06.010