岳偉濤 梁小俏 羅林國

摘要：針對電動(dòng)汽車用電動(dòng)壓縮機(jī)，從電動(dòng)壓縮機(jī)控制原理、軟件保護(hù)策略及與整車交互方面進(jìn)行分析與研究。研究結(jié)論可幫助讀者在一定程度上理解電動(dòng)壓縮機(jī)控制邏輯，為汽車工程師在電動(dòng)壓縮機(jī)開發(fā)設(shè)計(jì)提供一定幫助，同時(shí)對電動(dòng)壓縮機(jī)售后維修具有一定指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)汽車;電動(dòng)壓縮機(jī);硬件設(shè)計(jì);軟件保護(hù)策略;整車交互

中圖分類號：U469.72 收稿日期：2022-02-23

DOI： 10.19999/j.cnki.1004-0226.2022.04.004

1 前言

近年來，隨著電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)的興起，人們對電動(dòng)汽車的舒適性、可靠性和節(jié)能環(huán)保等提出了更高的要求，而電動(dòng)汽車空調(diào)系統(tǒng)性能的好壞直接影響乘客舒適性[1-2]。電動(dòng)汽車空調(diào)系統(tǒng)與傳統(tǒng)燃油車空調(diào)系統(tǒng)的主要區(qū)別在于空調(diào)系統(tǒng)的動(dòng)力源壓縮機(jī)的變化，故壓縮機(jī)的工作原理也發(fā)生了變化，由傳統(tǒng)燃油車的機(jī)械壓縮機(jī)變成了電動(dòng)車的電動(dòng)壓縮機(jī)。

電動(dòng)壓縮機(jī)與機(jī)械壓縮機(jī)的機(jī)械部分差異不大，常見的結(jié)構(gòu)有活塞式和渦旋式。兩者主要差異在于電動(dòng)壓縮機(jī)的電驅(qū)部分[3]，目前業(yè)內(nèi)對電動(dòng)壓縮機(jī)的機(jī)械部分研究很多[4-5]，但對電動(dòng)壓縮機(jī)的控制器的設(shè)計(jì)與研究并不多見。

本文從電動(dòng)壓縮機(jī)控制原理、軟件保護(hù)策略及與整車交互方面進(jìn)行分析與研究，為電動(dòng)汽車電動(dòng)壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)、開發(fā)及售后維修提供一定參考。

2 控制原理設(shè)計(jì)簡介

典型的電動(dòng)壓縮機(jī)控制器控制原理如圖1所示，電動(dòng)壓縮機(jī)控制器硬件部分可分為高壓供電部分、低壓控制部分及高低壓互鎖回路組成，當(dāng)壓縮機(jī)收到低壓控制信號后，IGBT導(dǎo)通高壓供電，驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)壓縮機(jī)工作。

2.1 高壓供電部分

高壓供電部分包括高壓接插件、高壓濾波電路及IGBT。其中高壓接插件與整車線束連接，接插件底座為金屬材質(zhì)，通過螺栓與壓縮機(jī)殼體導(dǎo)通，當(dāng)接插件連接處漏電發(fā)生時(shí)，電流可以通過壓縮機(jī)殼體傳導(dǎo)到整車，再通過整車接地傳到大地。

高壓濾波電路一般有多個(gè)濾波電容并聯(lián)組成，目的主要有兩個(gè)：一是濾除母線電壓的異常波動(dòng)，使其輸入給壓縮機(jī)的電壓是穩(wěn)定的，避免大的電壓波動(dòng)導(dǎo)致壓縮機(jī)損壞;二是吸收壓縮機(jī)自身由于功率變化產(chǎn)生的紋波電壓，防止壓縮機(jī)產(chǎn)生的紋波對整車及其它高壓件的影響。

IGBT是空調(diào)控制器中很重要的一個(gè)元器件，一般電動(dòng)壓縮機(jī)由6個(gè)IGBT組成，其作用是通過IGBT的通斷來導(dǎo)通高壓電路，以此驅(qū)動(dòng)電機(jī)壓縮機(jī)開始工作。由于IGBT會接通高壓且會頻繁吸合，其工作環(huán)境在整個(gè)控制器中最惡劣.IGBT常見的損壞模式有過流、過壓和過熱，為了保證IGBT在合適的溫度范圍內(nèi)工作，一般電動(dòng)壓縮機(jī)控制器會加入很多的保護(hù)邏輯。

2.2 低壓控制部分

低壓控制部分包括低壓接插件、濾波電路、DC-DC轉(zhuǎn)換器、LIN/CAN通信回路、采樣電路及ECU。其中低壓接插件與整車線束連接，為壓縮機(jī)控制器提供低壓電和LIN/CAN信號通信。

濾波電路主要是為了保證低壓輸入電壓的穩(wěn)定。DC-DC轉(zhuǎn)換器的目的是把12 V電轉(zhuǎn)換為不同的電壓，為不同的用電器提供電源，例如lGBT驅(qū)動(dòng)電路一般需要15 V穩(wěn)壓電源，采樣電路一般需要3.5 V穩(wěn)壓電源，LIN/CAN隔離和睡眠需要SV供電[6]。LIN/CAN通信為壓縮機(jī)與整車交互的通道，整車通過LIN/CAN通信給壓縮機(jī)下發(fā)各種指令，同時(shí)壓縮機(jī)把自己的實(shí)際狀態(tài)通過LIN/CAN反饋給整車判斷壓縮機(jī)的運(yùn)行情況。采樣電路作用于檢測壓縮機(jī)工作的電壓、電流溫度以及硬件保護(hù)回路。

ECU為電動(dòng)壓縮機(jī)控制器信號交互和收發(fā)的核心，ECU接收整車LIN/CAN信號，同時(shí)采集自身電壓、電流、溫度及各采樣電路反饋的狀態(tài)來判定壓縮機(jī)是否滿足啟動(dòng)狀態(tài)，若滿足啟動(dòng)條件，ECU發(fā)送啟動(dòng)信號給IGBT驅(qū)動(dòng)芯片，驅(qū)動(dòng)IGBT通斷來啟動(dòng)壓縮機(jī)電機(jī)。同時(shí)，ECU-直監(jiān)控各元器件的工作狀態(tài)，如有異常立刻停止壓縮機(jī)運(yùn)行并把故障模式反饋給整車。

2.3 高低壓互鎖回路

高低壓互鎖回路的目的是防止電動(dòng)壓縮機(jī)接插件未接或接觸不良導(dǎo)致漏電而涉及人身安全的情況，其原理是通過一個(gè)低壓線回路保證整車所有的高壓和低壓電器回路正常工作，只有當(dāng)所有的接插件都接插到位時(shí)，各高壓部件才能正常通信工作，當(dāng)檢測到互鎖回路電流超過正常值時(shí)，整車會報(bào)互鎖回路故障，此時(shí)整車無法上高壓電。

3 軟件保護(hù)策略

基于電動(dòng)壓縮機(jī)常見的失效模式介紹電動(dòng)壓縮機(jī)的保護(hù)策略，所有保護(hù)策略的目的是為了保護(hù)壓縮機(jī)在工作異常時(shí)能及時(shí)降低運(yùn)行功率或關(guān)機(jī)以及保護(hù)壓縮機(jī)受到更加嚴(yán)重的損壞。電動(dòng)壓縮機(jī)的保護(hù)策略主要包括LIN/CAN通信保護(hù)、溫度保護(hù)、過流保護(hù)、過壓保護(hù)及低溫預(yù)熱。

3.1

LIN/CAN通信保護(hù)

LIN/CAN通信保護(hù)是指當(dāng)壓縮機(jī)與整車通信出現(xiàn)位錯(cuò)誤、PID錯(cuò)誤、無應(yīng)答錯(cuò)誤、幀錯(cuò)誤、物理總線錯(cuò)誤等時(shí)，當(dāng)壓縮機(jī)ECU檢測到任一錯(cuò)誤時(shí)間大于一定時(shí)間，壓縮機(jī)立刻停止工作。當(dāng)通信恢復(fù)正常后，壓縮機(jī)恢復(fù)正常工作。

3.2 過溫保護(hù)

過溫保護(hù)是指當(dāng)壓縮機(jī)控制器檢測到IGBT溫度值過高或過低時(shí)（超過設(shè)定溫度值），控制器及時(shí)上報(bào)IGBT溫度故障，此時(shí)壓縮機(jī)停機(jī)響應(yīng)。當(dāng)溫度恢復(fù)到設(shè)定溫度以下且停機(jī)時(shí)間大于設(shè)定時(shí)間后，壓縮機(jī)重新響應(yīng)整車需求。該保護(hù)的目的是為了避免IGBT在超過其溫度區(qū)間工作而導(dǎo)致?lián)p壞。

為了避免溫度傳感器故障而無法檢測IGBT溫度，一般控制器內(nèi)部會同時(shí)布置兩個(gè)溫度傳感器。ECU以實(shí)測較高的溫度傳感器值為判定溫度，同時(shí)兩個(gè)溫度傳感器溫度值會進(jìn)行實(shí)時(shí)比較，當(dāng)兩者絕對值差超過設(shè)定溫度時(shí)，壓縮機(jī)會報(bào)溫度傳感器合理性故障。

3.3 過流保護(hù)02268ECD-DAD8-4907-A172-11582674779C

過流保護(hù)目的是為了避免壓縮機(jī)內(nèi)部電器元件由于過流而導(dǎo)致?lián)p壞，過流保護(hù)包括母線電流和相電流保護(hù)。

其中母線電流保護(hù)是指限定輸入電流在某一值以內(nèi)，當(dāng)超過設(shè)定值時(shí)壓縮機(jī)停機(jī)。相電流保護(hù)是為了避免IGBT被損壞，對于電動(dòng)壓縮機(jī)，相電流和壓縮機(jī)負(fù)載有直接關(guān)系，負(fù)載越大，相電流越大，因此相電流也可作為過載保護(hù)的參數(shù)。同時(shí)，為了更好地保護(hù)IGBT，避免其長時(shí)間在大電流、高溫下工作，相電流保護(hù)會和溫度保護(hù)相關(guān)聯(lián)保護(hù)，當(dāng)IGBT溫度較低時(shí)，相電流溫度限值不變，當(dāng)IGBT溫度較高時(shí)，相電流限值隨IGBT溫度線性降低，直到IGBT過溫保護(hù)。

3.4 過壓保護(hù)

過壓保護(hù)是指電壓超過工作范圍而限定壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速或停機(jī)的保護(hù)。過壓保護(hù)分為高壓保護(hù)、低壓保護(hù)。低壓保護(hù)又分為12 V電壓保護(hù)和15V驅(qū)動(dòng)電壓保護(hù)。

高壓保護(hù)是為了防止輸入電壓過大導(dǎo)致控制器內(nèi)部元器件被擊穿而做的保護(hù)。同時(shí)當(dāng)輸入電壓過低時(shí)，無法滿足壓縮機(jī)功率要求，壓縮機(jī)限功率工作。目前市場上投放的充電樁充電電壓不太穩(wěn)定，存在瞬時(shí)高電壓的情況，故壓縮機(jī)過壓保護(hù)一般有軟件保護(hù)和硬件保護(hù)，軟件保護(hù)保護(hù)ms級瞬時(shí)高電壓，而硬件保護(hù)可檢測到us級瞬時(shí)高電壓，軟件和硬件保護(hù)相結(jié)合可有效保護(hù)壓縮機(jī)因高壓而導(dǎo)致的IGBT擊穿。為了防止高壓傳感器失效，一般控制器內(nèi)部會布置兩個(gè)高壓傳感器，壓縮機(jī)控制器會定時(shí)比較兩個(gè)高壓傳感器差值，當(dāng)差值超過設(shè)定值時(shí)，壓縮機(jī)停機(jī)工作。

當(dāng)控制器檢測到高壓母線電壓波動(dòng)較大，比如在一個(gè)采樣周期內(nèi)檢測到兩次電壓值差值超過設(shè)定值時(shí)，壓縮機(jī)會降功率運(yùn)行，當(dāng)電壓波動(dòng)恢復(fù)到限定值以內(nèi)，壓縮機(jī)恢復(fù)目標(biāo)轉(zhuǎn)速。

4 整車交互

整車通過LIN/CAN通信驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)，一般整車會發(fā)生轉(zhuǎn)速需求信號、允許功率信號及使能信號，當(dāng)壓縮機(jī)收到整車信號正常時(shí)，壓縮機(jī)會響應(yīng)整車需求開始工作，同時(shí)壓縮機(jī)控制器會實(shí)時(shí)監(jiān)控自身的工作狀態(tài)，當(dāng)壓縮機(jī)發(fā)現(xiàn)異常時(shí)會立刻響應(yīng)，并把故障信息反饋給整車。圖2為整車與壓縮機(jī)的交互示意圖，可以把壓縮機(jī)不同的狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換劃分為以下10種：

轉(zhuǎn)換一：當(dāng)壓縮機(jī)控制器收到整車工作請求時(shí)，控制器由壓縮機(jī)關(guān)閉狀態(tài)轉(zhuǎn)到壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)狀態(tài)。

轉(zhuǎn)換二：當(dāng)環(huán)境溫度低于設(shè)定值時(shí)，壓縮機(jī)開啟預(yù)熱功能，預(yù)熱完成后，壓縮機(jī)狀態(tài)為開啟狀態(tài)。

轉(zhuǎn)換三：當(dāng)壓縮機(jī)在開啟或限功率狀態(tài)時(shí)，壓縮機(jī)出故障時(shí)，壓縮機(jī)狀態(tài)轉(zhuǎn)到報(bào)錯(cuò)狀態(tài)。

轉(zhuǎn)換四：當(dāng)壓縮機(jī)停機(jī)時(shí)，控制器檢測到故障時(shí)，壓縮機(jī)狀態(tài)轉(zhuǎn)為報(bào)錯(cuò)狀態(tài)。

轉(zhuǎn)換五：當(dāng)壓縮機(jī)故障狀態(tài)時(shí)，控制器檢測到故障接觸后，壓縮機(jī)狀態(tài)轉(zhuǎn)為停機(jī)狀態(tài)。

轉(zhuǎn)換六：當(dāng)壓縮機(jī)處于工作或限功率狀態(tài)時(shí)，控制器收到整車的停機(jī)指令時(shí)，轉(zhuǎn)為停機(jī)狀態(tài)。

轉(zhuǎn)換七：當(dāng)壓縮機(jī)處于報(bào)錯(cuò)狀態(tài)，當(dāng)錯(cuò)誤解除后，控制器滿足啟動(dòng)條件時(shí)，壓縮機(jī)狀態(tài)轉(zhuǎn)為去驅(qū)動(dòng)狀態(tài)。

轉(zhuǎn)換八：當(dāng)壓縮機(jī)處于停機(jī)或報(bào)錯(cuò)狀態(tài)，當(dāng)控制器休眠條件時(shí)，壓縮機(jī)狀態(tài)轉(zhuǎn)為睡眠狀態(tài)。

轉(zhuǎn)換九：當(dāng)壓縮機(jī)處于驅(qū)動(dòng)狀態(tài)，當(dāng)壓縮機(jī)被限功率時(shí)，壓縮機(jī)狀態(tài)轉(zhuǎn)為限功率狀態(tài)。

轉(zhuǎn)換十：當(dāng)壓縮機(jī)處于限功率狀態(tài)，當(dāng)限功率解除后，壓縮機(jī)狀態(tài)轉(zhuǎn)為驅(qū)動(dòng)狀態(tài)。

5 結(jié)語

本文從電動(dòng)汽車用電動(dòng)壓縮機(jī)控制原理、軟件保護(hù)策略及與整車交互方面進(jìn)行分析與研究，闡述了電動(dòng)壓縮機(jī)控制器的設(shè)計(jì)思路，針對LIN/CAN通信保護(hù)、過溫保護(hù)、過流保護(hù)、過壓保護(hù)及低溫預(yù)熱進(jìn)行了詳細(xì)描述，同時(shí)分析了壓縮機(jī)控制器與整車常見的交互策略，希望可以對電動(dòng)汽車電動(dòng)壓縮機(jī)控制部分的設(shè)計(jì)、開發(fā)及售后維修提供參考。

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作者簡介：

岳偉濤，男，1989年生，工程師，研究方向?yàn)殡妱?dòng)壓縮機(jī)設(shè)計(jì)研發(fā)。02268ECD-DAD8-4907-A172-11582674779C