熊世寬
(一汽轎車股份有限公司產(chǎn)品部,吉林 長春 130012)
乘用車空調控制器的模塊化設計
熊世寬
(一汽轎車股份有限公司產(chǎn)品部,吉林 長春 130012)
以空調控制器為例,通過采用將“黑盒子”與控制面板分離、軟件與硬件分離等方法和理念,最大程度地實現(xiàn)空調控制器的模塊化開發(fā),以提升產(chǎn)品通用化水平。該設計方法和理念對其它控制器進行模塊化開發(fā)也具有參考意義。
空調控制器;平臺化開發(fā);模塊化設計
當前,汽車行業(yè)競爭空前激烈,企業(yè)成本壓力日益增大,如何有效地降低零部件開發(fā)成本成為擺在各大主機廠研發(fā)部門面前的重大課題??照{控制器作為空調系統(tǒng)的一個重要零部件,隨著市場的變化和行業(yè)的發(fā)展,以往缺乏平臺化、模塊化布局的開發(fā)方式,不但研發(fā)成本高、周期長,而且已經(jīng)無法快速響應產(chǎn)品的多樣化需求,不能滿足企業(yè)的生存與發(fā)展的需要。在此背景之下,模塊化設計方法應運而生。
空調控制器的模塊化設計,是指在對汽車空調系統(tǒng)的各項功能進行深入的、有前瞻性的市場研究和分析的基礎上,設計功能模塊,通過對各個模塊的選擇和組合,構成不同的控制器產(chǎn)品。模塊化開發(fā)在前期就將各個模塊單獨開發(fā)完成,具體到車型時,專注于模塊組合,無需擔心模塊內部問題,可使產(chǎn)品通用化水平顯著提高,成本顯著降低,開發(fā)驗證周期顯著減少。
分析空調控制器的特性,影響其實現(xiàn)模塊化設計的主要因素有3點:①空調面板人機界面造型多變;②空調新功能不斷增加,新技術加速普及;③不同車型空調標定的數(shù)據(jù)無法通用。
針對上述模塊化設計的制約因素,一個有效的解決方案為:首先將空調面板與控制器分離,解決控制器因造型變化而無法通用的問題;其次將控制器軟件與硬件分離,并依據(jù)平臺功能定義,將軟件和硬件分別作為獨立的零件進行模塊化設計;最后將相同平臺的結構件、硬件和不同模塊的軟件進行組合,形成不同的控制器,來滿足產(chǎn)品的多樣化、差異化需求。通過這種多次“分離+組合”的方式,可以顯著提升控制器的通用化水平??照{控制器的模塊化設計構想流程見圖1。
圖1 空調控制器的模塊化設計思路
2.1 平臺選定及功能模塊定義
在開展空調控制器的模塊化設計之前,首先需要根據(jù)車型的現(xiàn)狀選擇系統(tǒng)平臺,不同的平臺空調系統(tǒng)結構不同,功能差異也較大。按照功能配置不同,汽車空調系統(tǒng)可分為手動空調和自動空調2種。自動空調根據(jù)控制溫區(qū)的差異又可分為單區(qū)自動空調、雙區(qū)自動空調以及三區(qū)以上自動空調等類型。平臺選定之后,即可根據(jù)平臺的功能需求以及對汽車空調未來發(fā)展趨勢的研究,定義并設計各個功能子模塊的參數(shù)指標和接口,為實現(xiàn)控制器的軟件、硬件模塊化開發(fā)提供基準。
平臺功能模塊的設計應具有一定的前瞻性,所定義的系統(tǒng)功能模塊除應涵蓋當前平臺的所有功能需求,還要有足夠的預留,以方便未來功能的擴展。表1和表2定義了2種不同平臺空調控制系統(tǒng)的功能模塊,其中表1適用于雙區(qū)自動空調及以下平臺,表2適用于三區(qū)自動空調及以上平臺。
表1 雙區(qū)自動空調以下平臺的功能模塊
表2 三區(qū)自動空調及以上平臺的功能模塊
2.2 空調面板與控制模塊分離
傳統(tǒng)空調控制器的操作面板和控制模塊一般是集成一體的。這種結構由于受面板造型多變性影響,控制器的通用化難以保證,弊端是顯而易見的。
與之相反,采用面板與控制模塊分離的開發(fā)方法,不但可以增加面板造型設計的自由度和靈活性,而且使控制器的平臺化、模塊化設計也成為可能。在兩者分離之后,空調操作面板既可以作為一個獨立的零件進行開發(fā),也可以根據(jù)實際需要與音響娛樂面板集成,從而減少整體零部件的數(shù)量。
圖2提供了2種空調面板和控制器分離之后,網(wǎng)絡架構實現(xiàn)的不同方案。2種方案各有利弊,具體項目開發(fā)時,應根據(jù)項目實際情況進行選擇。
圖2 空調面板與控制器分離方案
2.3 軟件與硬件分離
將空調控制器軟件作為單獨的零部件,相同平臺的硬件和不同的軟件組成不同的控制器,實現(xiàn)平臺功能的差異化。硬件開發(fā)需要測試、產(chǎn)品認可,開發(fā)驗證周期長、成本高,但軟件的變型相對驗證周期短、成本低。通過軟硬件分離的方法,既保證了硬件的通用性,又通過軟件的差異化來對應同平臺但有差異功能的變型車需求。
在生產(chǎn)過程中,車型1和車型2采用同一硬件,2個控制器具有硬件可互換性和通用性,硬件的規(guī)?;a(chǎn)生成本的節(jié)約。在售后領域,更換控制器時只需要重新刷新軟件即可,不用拆卸和更換整個控制器,節(jié)省工時和備件成本。
2.4 硬件的模塊化設計
硬件的模塊化設計是對各硬件子模塊進行設計和組合的過程。平臺硬件的設計應按空調平臺定義的最大功能需求開展,并完成相應的測試驗證工作;變型車設計時,可在其基礎上進行必要的刪減。如果某些功能不需要,可在PCB制作時,不安裝與該功能相關的硬件子模塊或元器件,以省去該功能模塊的元器件費用。
硬件子模塊的詳細設計依托于平臺功能模塊的定義而開展。以某乘用車雙區(qū)自動空調為例,該空調控制器硬件平臺主要包括以下模塊。
1)單片機系統(tǒng),采用飛思卡爾MC9S12G128為核心的主控芯片,64個針腳,F(xiàn)lash容量128 K,硬件接口及內存均有一定的預留量,可用于未來功能的擴展和軟件升級。
2)電機控制采用NCV7719芯片,可驅動4路直流電機(左/右溫度電機、模式電機、內外循環(huán)電機),同時具有低靜態(tài)電流及過流、過溫保護特性,可滿足雙區(qū)空調平臺電機控制需求。
3)電源模塊采用NCV4275芯片,可提供精度為±%2的5 V電壓輸出。
4)高速CAN通信采用TJA1043芯片,滿足CAN 2.0標準;LIN通信采用TJA1021,滿足LIN 2.1協(xié)議。
圖3為某雙區(qū)自動空調控制器硬件平臺的系統(tǒng)框圖。根據(jù)系統(tǒng)功能要求,該平臺空調控制器硬件模塊包括一個16位MC9S12G128單片機及14個功能不同的子模塊。MCU與特定的硬件子模塊組合,可以完成不同的控制任務。
基于該平臺做變型車開發(fā)時,由于平臺硬件已經(jīng)開發(fā)成熟,變型車硬件只需對平臺硬件做適當裁減即可。例如,假設該變型車為單區(qū)自動空調,普通定排量壓縮機(采用硬線控制),高速CAN通信,無空氣凈化、PTC加熱功能,則該車型的硬件系統(tǒng)開發(fā)方案可參考圖4方案進行。其中,灰色部分為對應被裁減的子模塊。
2.5 結構件的通用化設計
圖3 某雙區(qū)自動空調控制器硬件平臺系統(tǒng)框圖
圖4 某單區(qū)自動空調控制器硬件系統(tǒng)框圖
同一平臺空調控制器的結構件(包括前后蓋、印制電路板、插接件等)應采用通用化設計,以避免重復開發(fā)和多次開模。通過減少設計工時、開模費用和批量采購,可降低結構件成本。
2.6 軟件分層設計
軟件通過分層設計實現(xiàn)模塊化開發(fā)。
根據(jù)程序對象不同,將空調控制器軟件分為底層軟件和應用層軟件(含標定數(shù)據(jù))2部分。底層軟件由于硬件平臺已經(jīng)固定,基本不會有太大變化,可以和硬件、結構件當做一個零部件,由零部件供應商直接提供。應用層軟件采用Matlab進行基于模型的開發(fā),每一個功能模塊封裝為一個子系統(tǒng),包括鼓風機控制模塊、壓縮機控制模塊、電機控制模塊、后除霜模塊、空氣質量控制模塊等。根據(jù)可配置性差異,這些模塊又可以分為與標定參量有關、不可配置的基礎控制模塊和與標定參量無關的可配置模塊2大類。基礎控制模塊由于不同車型標定參量不同,軟件無法通用,所以需要各車型單獨設計。可配置模塊與控制變量無關,主要包括空氣質量控制模塊、遠程空調控制模塊、離子發(fā)生器模塊、座椅加熱/通風模塊等,如果不需要其中某些功能,可在整車廠生產(chǎn)線下線時用配置碼進行配置。
軟件系統(tǒng)主控制流程如圖5所示。主要過程如下:首先進行系統(tǒng)的初始化,包括硬件初始化和軟件程序初始化。然后進入自學習,將各種電機、執(zhí)行器狀態(tài)調整至出廠狀態(tài),為空調控制做好準備。之后MCU檢測電源狀態(tài),如果點火開關正常啟動,則信號采集模塊開始采集傳感器數(shù)據(jù)及網(wǎng)絡信號,根據(jù)采集的數(shù)據(jù)指令,判斷是否滿足鼓風機開啟條件。如果條件滿足,則進入空調開啟模式,系統(tǒng)首先判斷各風門電機位置是否滿足要求,如不滿足要求,則調整電機位置;如果滿足要求,則進入壓縮機開啟判斷命令。壓縮機控制程序結束之后,進入風量調節(jié)程序,之后依步驟進入各個循環(huán)。
通過軟件分層、模塊化設計的方法,不但可以使各個車型的空調控制系統(tǒng)性能均達到最佳,而且還最大限度地提高了空調控制器的通用化水平。在后續(xù)平臺變型車開發(fā)時,設計師僅需要進行必要的舒適性標定和功能配置即可。因而大幅縮短了軟件開發(fā)周期,節(jié)約了開發(fā)費用。
圖5 空調控制主流程圖
通過采用將空調面板與控制器分離,以及軟件和硬件分離的方法進行模塊化設計,可以提高空調控制器的通用化水平,縮短項目開發(fā)周期,降低零部件開發(fā)成本,有效地提升了企業(yè)產(chǎn)品研發(fā)的實力。
[1] 田慶寶,韓新民. 模塊化設計的實現(xiàn)方法研究[J]. 成組技術與生產(chǎn)現(xiàn)代化,2008,25(4):48-51.
[2] 劉紀超,李曉舟,許金凱. 產(chǎn)品模塊化設計方法及其發(fā)展趨勢[J].機電技術,2015(3):157-160.
(編輯 凌 波)
Modular Design of Climate Controller for Passenger Car
XIONG Shi-kuan
(Products Development Department, FAW Car Co., Ltd., Changchun 130012, China)
This paper introduces feasibility study in modular design of climate controller for passenger cars.
climate controller; platform development; modular design
U463.851
A
1003-8639(2017)05-0076-04
2016-09-30
熊世寬(1984-),男,工程師,先后從事空調系統(tǒng)和整車電子電氣架構開發(fā)等工作。