沈祖英

（江西江鈴集團(tuán)新能源汽車有限公司，江西 南昌 330013）

電動空調(diào)及暖風(fēng)集成控制系統(tǒng)的設(shè)計研究

沈祖英

（江西江鈴集團(tuán)新能源汽車有限公司，江西 南昌 330013）

主要研究電動汽車的電動空調(diào)及暖風(fēng)集成控制系統(tǒng)的的構(gòu)成及工作原理，闡述了當(dāng)前電動汽車空調(diào)及暖風(fēng)系統(tǒng)技術(shù)現(xiàn)狀及存在的問題，通過環(huán)模試驗將上述兩種控制模式進(jìn)行了對比，并分析了該集成控系統(tǒng)的技術(shù)優(yōu)點。經(jīng)研究表明，空調(diào)及暖風(fēng)集成控制系統(tǒng)在電動汽車中的運(yùn)用具有較好的前景。

電動空調(diào)；暖風(fēng)；集成控制

前言

電動汽車及產(chǎn)業(yè)是2l世紀(jì)世界四大高新技術(shù)之一，是節(jié)能、環(huán)保、可持續(xù)發(fā)展的朝陽產(chǎn)業(yè)[1]。電動汽車電池容量有限這一特點，決定車載動力電池的技術(shù)水平及成本是電動汽車廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵，車輛空調(diào)及暖風(fēng)系統(tǒng)占據(jù)電動汽車有限車載能量15%-25%的消耗值，是電動汽車的關(guān)鍵零部件，在電動汽車的技術(shù)發(fā)展中占據(jù)重要地位，電動空調(diào)及暖風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計的好壞影響電動汽車經(jīng)濟(jì)性及安全性運(yùn)行[2]。

目前國內(nèi)市場上暢銷車型配置的幾乎全是日本、美國以及德國等幾大外資及合資企業(yè)生產(chǎn)的空調(diào)及控制系統(tǒng)，例如日本電裝、松下、東芝、三菱重工以及美國德爾福，韋斯通等公司，其中以日系廠家產(chǎn)量最大，它們的電動空調(diào)已在上世紀(jì)80年代就著手研發(fā)，實施產(chǎn)業(yè)化也有一定時間，尤其在混合動力車輛中表現(xiàn)突出[3]。國內(nèi)企業(yè)電動空調(diào)及系統(tǒng)控制的開發(fā)才剛剛起步，產(chǎn)品的技術(shù)性能還處于初級階段，最為典型的是其定排量壓縮機(jī)匹配恒轉(zhuǎn)速電機(jī)改型的電動壓縮機(jī)空調(diào)及陶瓷加熱暖風(fēng)系統(tǒng)，目前電動汽車一般只對它們進(jìn)行單獨(dú)及簡單的開關(guān)控制，具有一定的安全隱患，同時浪費(fèi)車載能量消耗，對電動汽車?yán)m(xù)航里程影響較大，造成上述情況的主要原因是國內(nèi)企業(yè)缺乏相關(guān)控制核心技術(shù)，而電動汽車電動空調(diào)及暖風(fēng)系統(tǒng)集成控制的研發(fā)可以彌補(bǔ)國內(nèi)這方面的技術(shù)空白[4-9]。

1 基于集成控制的電動空調(diào)及暖風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理

電動汽車電動空調(diào)及暖風(fēng)集成控制系統(tǒng)包括環(huán)境控制模塊、蒸發(fā)器溫度傳感器、車輛環(huán)境溫度傳感器、加熱器溫度傳感器、空調(diào)/暖風(fēng)組合開關(guān)、加熱器溫控開關(guān)、空調(diào)排氣壓力傳感器、高壓繼電器組合、動力蓄電池組、陶瓷加熱器、壓縮機(jī)驅(qū)動電機(jī)控制器、壓縮機(jī)驅(qū)動電機(jī)、電池管理控制器、冷凝器風(fēng)扇控制器及鼓風(fēng)扇轉(zhuǎn)速控制器等，在該系統(tǒng)中，它以環(huán)境控制模塊為中心，接受空調(diào)/暖風(fēng)組合開關(guān)、蒸發(fā)器溫度傳感器、車輛環(huán)境溫度傳感器、加熱器溫度傳感器、加熱器溫控開關(guān)、空調(diào)壓力開關(guān)等傳感器獲知的信號，同時可以利用 CAN 總線技術(shù)接收來自電池管理控制器的信號，如動力蓄電池組的當(dāng)前電池容量、母線電流、電池溫度及單體電池電壓等信號。環(huán)境控制模塊對上述信息分析計算，按照內(nèi)部建立的變頻渦旋式壓縮機(jī)模型及暖風(fēng)檔位模型發(fā)出信號指令，實現(xiàn)空調(diào)系統(tǒng)中壓縮機(jī)無級變?nèi)菁芭L(fēng)系統(tǒng)發(fā)熱功率的主動控制（如圖1所示）。

圖1 電動空調(diào)及暖風(fēng)集成控制系統(tǒng)組成示意圖Fig.1 Electric AC, Heating IC System Component Diagram

1.2 控制系統(tǒng)原理

圖2所示為運(yùn)用于電動轎車的電動空調(diào)及暖風(fēng)集成控制系統(tǒng)控制原理圖，采用ARM結(jié)構(gòu)的STM32作為環(huán)境控制模塊的主處理器，精度高，響應(yīng)速度快，該系統(tǒng)的環(huán)境控制模塊是為適合電動汽車乘客舒適性、安全性要求及電動汽車電池容量有限這一特點，根據(jù)車輛當(dāng)前電池容量狀況、環(huán)境溫度、壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速、車內(nèi)溫度等參數(shù)，由空調(diào)系統(tǒng)控制單元來確定控制信號。

圖2 集成控制系統(tǒng)控制原理圖Fig.2 Integrated Control System Control Principle Diagram

1.2.1 暖風(fēng)系統(tǒng)控制原理

如圖 2所示:空調(diào)/暖風(fēng)組合開關(guān)位于暖風(fēng)檔位，鼓風(fēng)機(jī)開關(guān)導(dǎo)通(鼓風(fēng)機(jī)工作)時，其向環(huán)境控制模塊提供一暖風(fēng)請求信號（DC12V 負(fù)極信號），環(huán)境控制模塊通過接收車輛環(huán)境溫度傳感器、加熱器溫度傳感器采集車輛環(huán)境溫度參數(shù)、陶瓷加熱器發(fā)熱溫度參數(shù)，通過 CAN總線接收到的電池管理控制器發(fā)送的車載剩余能量、單體動力電池電壓、母線電流及電池溫度通訊參數(shù)，依照自動控制加熱器合理發(fā)熱溫度調(diào)節(jié)規(guī)則對陶瓷加熱器的發(fā)熱電阻進(jìn)行策略控制，例如在電動轎車中暖風(fēng)系統(tǒng)中，我們將陶瓷加熱器的發(fā)熱功率分為800W、1200W及2000W三檔，使最終的實際加熱溫度控制在最合理發(fā)熱溫度范圍內(nèi)，風(fēng)口出風(fēng)平均溫度小范圍波動，節(jié)省車載能源，保證車輛續(xù)航里程，提高車輛內(nèi)部環(huán)境的舒適性，在車輛運(yùn)行安全方面，控制系統(tǒng)中設(shè)置了切斷暖風(fēng)系統(tǒng)的最高溫度點，通過采集加熱器溫控開關(guān)信號實現(xiàn)加熱器溫度過熱（如鼓風(fēng)機(jī)損壞）時控制高壓繼電器關(guān)閉暖風(fēng)系統(tǒng)，避免加熱系統(tǒng)過熱導(dǎo)致安全事故的發(fā)生，同時根據(jù)電池單體最低放電電壓及電池的最高溫度點及母線電流限值的設(shè)置，切斷暖風(fēng)系統(tǒng)，保證車輛的安全運(yùn)行及動力電池的安全使用。

1.2.2 空調(diào)系統(tǒng)控制原理

當(dāng)空調(diào)/暖風(fēng)組合開關(guān)位于空調(diào)位置，其向環(huán)境控制模塊提供一空調(diào)請求信號（DC12V 負(fù)極信號），環(huán)境控制模塊通過接收車輛環(huán)境溫度傳感、蒸發(fā)器溫度傳感器采集車輛環(huán)境溫度、蒸發(fā)器表面溫度參數(shù)及空調(diào)管路內(nèi)壓力的變化信號，根據(jù)車輛環(huán)境溫度、空調(diào)壓力參數(shù)、車載剩余能量、單體動力電池電壓、母線電流及電池溫度的反饋信息，建立渦旋變頻壓縮機(jī)模型及控制模型，依照建立的自動控制的PID調(diào)節(jié)規(guī)則及蒸發(fā)器合理最冷蒸發(fā)溫度自動控制策略，以PWM信號給壓縮機(jī)電機(jī)控制器調(diào)節(jié)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速, 實現(xiàn)壓縮機(jī)無級變?nèi)?，使空調(diào)系統(tǒng)實際蒸發(fā)溫度與合理最冷蒸發(fā)溫度相等，達(dá)到保證壓縮機(jī)運(yùn)行連續(xù)平穩(wěn)，防止蒸發(fā)器表面結(jié)霜，保證壓縮機(jī)的制冷量和熱負(fù)荷及能量消耗完美匹配，減少再加熱過程，使空調(diào)系統(tǒng)出風(fēng)口的溫度恒定調(diào)節(jié)，節(jié)省車載能源，提高車輛內(nèi)部環(huán)境舒適性，與此同時，出于安全性考慮，該控制系統(tǒng)通過設(shè)置切斷空調(diào)系統(tǒng)的最低溫度控制模塊，避免蒸發(fā)器溫度過低造成的壓縮機(jī)內(nèi)的液積而損壞壓縮機(jī)或空調(diào)管爆裂現(xiàn)象。也根據(jù)電池管理系統(tǒng)反饋的動力電池容量、單體電池溫度及電壓信號及母線電流參數(shù)，控制空調(diào)系統(tǒng)功率輸出，保證車輛安全運(yùn)行及電池安全使用。

三位一體組合開關(guān)設(shè)計及環(huán)境控制模塊的空調(diào)及暖風(fēng)系統(tǒng)集成控制的控制策略也避免了駕駛員誤操作引起的空調(diào)及暖風(fēng)兩獨(dú)立系統(tǒng)同時工作狀態(tài)的產(chǎn)生，防范了車載能源浪費(fèi)，保證了車輛的續(xù)航里程。

2 系統(tǒng)試驗與數(shù)據(jù)分析

圖3所示為整車環(huán)模室臺架試驗圖，該環(huán)模實驗室可以實現(xiàn)-40℃～60℃車輛周圍環(huán)境溫度的調(diào)節(jié)，整車測功臺架可以模擬車輛空載及滿載等不同運(yùn)行工況，電動空調(diào)及暖風(fēng)整車環(huán)模臺架試驗是該集成控制系統(tǒng)開發(fā)的重要環(huán)節(jié)，車輛環(huán)模臺架試驗可以檢驗電動空調(diào)及暖風(fēng)集成控制系統(tǒng)硬件的穩(wěn)定性與軟件程序的正確性，檢測其系統(tǒng)運(yùn)行時的動態(tài)性能，尤其是PID控制相關(guān)參數(shù)的確定與優(yōu)化，從而達(dá)到調(diào)試、優(yōu)化控制系統(tǒng)各個模塊的目的。

圖3 整車環(huán)模室臺架試驗圖Fig.3 Vehicle-LevelEnvironment-Simulation Chamber Bench Testing Chart

圖4 傳統(tǒng)控制模式溫控曲線圖Fig.4 Tradition Control Graph under Program Control Mode

圖5 方案控制模式溫控曲線圖Fig.5 Temperature Control Graphunder Program Control Mode

圖4為傳統(tǒng)控制模式溫控曲線圖，從圖中可以看出溫度控制曲線呈現(xiàn)出較大幅度的震蕩，圖5為方案控制模式溫控曲線圖，溫度控制平穩(wěn)，精度達(dá)到±1 ℃，出風(fēng)口平均溫度均衡。

3 集成控制系統(tǒng)技術(shù)路線的優(yōu)點

（1）采用STM32作為集成控制系統(tǒng)的主處理器，控制精度高，響應(yīng)速度快。車內(nèi)的溫度波動范圍小，提高了車內(nèi)環(huán)境的熱舒適性；

（2）節(jié)省車載能源，對空調(diào)及暖風(fēng)系統(tǒng)實行主動控制功率輸出策略方式，使制冷量和熱負(fù)荷及能量消耗完美匹配，減少再加熱過程，降低車載能源消耗；

（3）安全性，通過對系統(tǒng)相關(guān)溫度等參數(shù)與車載能源狀態(tài)的實時監(jiān)控及安全模式控制處理，保證車輛安全運(yùn)行及電池安全使用；

（4）控制系統(tǒng)的集成設(shè)計，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，有利于部件空間布置和成本控制。

4 結(jié)束語

在國家大力加快培育和發(fā)展節(jié)能與新能源汽車產(chǎn)車背景下，以純電為驅(qū)動新能源電動汽車市場前景廣闊，電動空調(diào)及暖風(fēng)集成控制系統(tǒng)，是一種適合用于電動汽車的空調(diào)機(jī)暖風(fēng)系統(tǒng)，該系統(tǒng)改變了現(xiàn)有車輛空調(diào)及暖風(fēng)系統(tǒng)被動控制的原理，而是運(yùn)用電力驅(qū)動技術(shù)及電子控制技術(shù)，實現(xiàn)了車輛所需冷熱負(fù)荷與能量消耗完美匹配主動控制原理，該集成控制系統(tǒng)的研發(fā)符合我國《電動汽車科技發(fā)展“十二五”專項規(guī)劃》發(fā)展的要求，是在電動汽車應(yīng)用控制技術(shù)的一大創(chuàng)新，因此該集成控制系統(tǒng)具有較好的運(yùn)用前景。

[1] 王書賢.電動汽車的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢.設(shè)計研究.2006.09.

[2] 王旭東.汽車電子控制裝置與應(yīng)用.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2007.

[3] 小林明等(日).汽車工程手冊.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1985.

[4] GB/T12782-91,汽車采暖性能試驗方法.

[5] 鄔寬明.CAN總線原理和應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計.北京：北京航空航天大學(xué)出版社,1996.

[6] 陳清泉,孫逢春,祝嘉光.現(xiàn)代電動汽車技術(shù).第1版.北京:北京理工大學(xué)出版社,2002,5-20.

[7] 鄧星鐘.機(jī)電傳動控制.湖北:華中科技大學(xué)出版社,2001.

[8] 李可生等電力機(jī)車用 DSP直接轉(zhuǎn)矩控制的變頻空調(diào)設(shè)計,武漢,電機(jī)技術(shù),2006.

[9] 付強(qiáng)車載電動空調(diào)用基于滑模觀測器的無傳感器PMSM控制系統(tǒng)研究,（碩士學(xué)位論文）.重慶:重慶大學(xué).2009.

Design and Research of Electric ACand Heating IC control system

Shen Zuying
( JingLing Motor Co., Group, Jiangxi Nanchang 330013 )

Mainly research Electric AC and Heating IC System structure and working principle, state the status and problems on current electric vehicle AC and heating system technology.Comparing above two control modes through environmentsimulation Chamber testing, and analyze the advantage of this integrated control system technology. Research shows that application of AC and Heating IC System on electric has a good prospect.

Electric AC; Heating; IC System

U472

A

1671-7988(2017)22-40-03

10.16638 /j.cnki.1671-7988.2017.22.014

沈祖英（1973-），男，工程師，主要研究方向是：電動汽車三電系統(tǒng)開發(fā)。

CLC NO.:U472

A

1671-7988(2017)22-40-03