梁耀杰

新能源汽車自動空調(diào)控制原理的研究

梁耀杰

（廣西水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 南寧 530023）

當(dāng)前，新能源汽車自動空調(diào)的維修已成為新能源汽車后市場急需的關(guān)鍵技術(shù)。文章主要以新能源汽車自動空調(diào)的控制原理為研究對象，闡述了新能源汽車自動空調(diào)的組成、控制原理及應(yīng)用。在應(yīng)用案例中提出了對于檢測出來的變量數(shù)據(jù)，要學(xué)會利用數(shù)學(xué)知識的方法來判斷零部件工作的可靠性與準(zhǔn)確性，為汽車的故障診斷與維修提供了新的判斷方法。

新能源汽車；空調(diào)系統(tǒng)；控制原理；故障診斷；壓力傳感器；鼓風(fēng)機(jī)

引言

空調(diào)系統(tǒng)已成為現(xiàn)代汽車中不可缺少的系統(tǒng)之一，自動空調(diào)更是中高檔汽車標(biāo)準(zhǔn)配置之一。自動空調(diào)與普通手動空調(diào)相比，差異之處在于，自動空調(diào)的零部件組成不一樣，控制原理也不同。自動空調(diào)的優(yōu)點主要是能長時間把駕乘人員調(diào)整后的目標(biāo)溫度維持在一個相對穩(wěn)定的范圍，能以最優(yōu)的方式控制壓縮機(jī)工作的功率，在提高車內(nèi)舒適效果的同時節(jié)約能源。隨著新能源汽車的迅速發(fā)展，新能源汽車在現(xiàn)有汽車市場的占有量日漸增大，新能源汽車的維護(hù)維修也逐漸增多，特別是新能源汽車自動空調(diào)的維護(hù)維修。因此，新能源汽車自動空調(diào)的控制原理已成為市場急需的關(guān)鍵技術(shù)。為了掌握該技術(shù)，本文對新能源汽車自動空調(diào)的控制原理開展了相關(guān)研究。

1 自動空調(diào)系統(tǒng)的組成

新能源汽車自動空調(diào)系統(tǒng)主要由整車控制器、空調(diào)控制器、鼓風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)、冷凝器、蒸發(fā)器、PTC加熱器、各傳感器、A/C開關(guān)、鼓風(fēng)機(jī)開關(guān)、伺服電機(jī)等部件組成。

1.1 整車控制器

在新能源汽車中，整車控制器在空調(diào)系統(tǒng)運行的工作中，通過檢測冷卻液的溫度來控制冷卻風(fēng)扇的運轉(zhuǎn)，給空調(diào)系統(tǒng)的散熱器散熱；如果冷卻液溫度過高，將通過CAN網(wǎng)絡(luò)與空調(diào)控制器通訊，切斷空調(diào)系統(tǒng)的運轉(zhuǎn)。

1.2 空調(diào)控制器

空調(diào)控制器收到空調(diào)開關(guān)A/C開啟的指令后，根據(jù)駕乘人員設(shè)定的溫度目標(biāo)，控制鼓風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速大小，并根據(jù)空調(diào)系統(tǒng)各傳感器反饋回來的信號，判斷空調(diào)制冷/制熱的功率以及判斷是否滿足控體空調(diào)系統(tǒng)制冷/制熱的條件，如不滿足，則控制空調(diào)系統(tǒng)停止工作。

1.3 鼓風(fēng)機(jī)

鼓風(fēng)機(jī)根據(jù)空調(diào)控制器的不同控制指令，把蒸發(fā)器表面上的冷氣或PTC加熱器表面上的暖氣吹送到車內(nèi)。

1.4 壓縮機(jī)

壓縮機(jī)負(fù)責(zé)把空調(diào)系統(tǒng)低壓管路中的氣態(tài)制冷劑壓縮成為高壓管路中高壓的制冷劑[1]，空調(diào)控制器控制壓縮機(jī)的工作以及壓縮機(jī)運轉(zhuǎn)功率的大小，壓縮機(jī)運轉(zhuǎn)功率的大小直接影響整個空調(diào)系統(tǒng)的制冷效果。

1.5 冷凝器

冷凝器在冷卻風(fēng)扇的工作下，主要負(fù)責(zé)把壓縮機(jī)壓縮出來后的高溫高壓制冷劑冷卻成為高壓液態(tài)的制冷劑，冷凝器內(nèi)安裝有干燥條，主要用來干燥與過濾制冷劑中的雜質(zhì)與水分。如果冷凝器的冷卻效果不佳，則會影響空調(diào)系統(tǒng)的制冷效果。

冷卻風(fēng)扇在空調(diào)系統(tǒng)的控制下，整車控制器結(jié)合冷卻液溫度的高低，控制冷卻風(fēng)扇的高/低速運轉(zhuǎn)，如果冷卻風(fēng)扇出現(xiàn)異常，空調(diào)的制冷效果也會受到影響。

1.6 蒸發(fā)器

蒸發(fā)器上的高壓管路與低壓管路和膨脹閥連接在一起，高壓管路中的高壓液態(tài)制冷劑通過膨脹閥中細(xì)小的閥門噴向蒸發(fā)器內(nèi)，此時的制冷劑在蒸發(fā)器芯上由液態(tài)轉(zhuǎn)變成氣態(tài)，吸走了蒸發(fā)器表面上的熱量，鼓風(fēng)機(jī)送來的風(fēng)經(jīng)過蒸發(fā)器后溫度也急劇下降，從而使送到車內(nèi)的風(fēng)溫度較低，達(dá)到了調(diào)節(jié)車內(nèi)空氣溫度的作用。

1.7 PTC加熱器

新能源汽車空調(diào)系統(tǒng)的暖風(fēng)裝置與傳統(tǒng)汽車的不一樣，傳統(tǒng)汽車主要是依靠發(fā)動機(jī)的冷卻液的溫度來取暖，而新能源汽車則利用高壓電給大功率的暖風(fēng)PTC加熱器加熱，鼓風(fēng)機(jī)送來的風(fēng)經(jīng)過暖風(fēng)PTC加熱器后溫度急劇上升，從而使到達(dá)車內(nèi)的風(fēng)溫度較高，形成暖氣。

1.8 傳感器

新能源汽車自動空調(diào)的傳感器主要有空調(diào)壓力傳感器、蒸發(fā)器溫度傳感器、環(huán)境溫度傳感器（車外溫度傳感器）、陽光強(qiáng)度傳感器、冷卻液溫度傳感器等。

1.8.1 空調(diào)壓力傳感器

空調(diào)壓力傳感器安裝在冷凝器與蒸發(fā)器之間的高壓管路上，空調(diào)壓力傳感器根據(jù)檢測到的不同壓力，具有3個開關(guān)功能，分別是低壓開關(guān)、中壓開關(guān)、高壓開關(guān)。低壓開關(guān)作為接通壓縮機(jī)工作的信號，中壓開關(guān)作為接通冷卻風(fēng)扇工作的信號，高壓開關(guān)用來斷開壓縮機(jī)工作的信號。空調(diào)壓力傳感器根據(jù)不同車型的控制原理可分三線制類型壓力傳感器和四線制壓力傳感器。它們與管路內(nèi)制冷劑壓力的關(guān)系如表1所示。

表1 壓力開關(guān)與制冷劑壓力的關(guān)系

1.8.2 蒸發(fā)器溫度傳感器

蒸發(fā)器溫度傳感器用來監(jiān)控蒸發(fā)器表面的溫度，空調(diào)控制器根據(jù)蒸發(fā)器溫度傳感器反饋回來的信號控制壓縮機(jī)的工作，蒸發(fā)器表面的溫度一般為3～5 ℃，如果低于2 ℃，空調(diào)控制器就會發(fā)出停止壓縮機(jī)工作的指令，防止蒸發(fā)器溫度繼續(xù)下降造成結(jié)冰，引起管路堵塞，影響制冷的效果。

1.8.3 其他傳感器

其他傳感器包括環(huán)境溫度傳感器（車內(nèi)外溫度傳感器）、車內(nèi)溫度傳感器與陽光強(qiáng)度傳感器、儀表出風(fēng)口溫度傳感器、冷卻液溫度傳感器等，它們監(jiān)控的信號反饋給空調(diào)控制器。

1.9 伺服電機(jī)

自動空調(diào)系統(tǒng)中，根據(jù)車輛配置的不同，伺服電機(jī)的數(shù)量也不同，分為調(diào)整空調(diào)風(fēng)向的模式方向伺服電機(jī)、空氣車內(nèi)外循環(huán)模式切換伺服電機(jī)、混合風(fēng)門伺服電機(jī)等，均由空調(diào)控制器控制。

2 自動空調(diào)控制原理分析

2.1 自動空調(diào)制冷的控制原理

在開啟新能源汽車自動空調(diào)制冷模式前，首先要啟動新能源汽車，即需要上高壓電（“READY”燈或“OK”燈亮起）。接著打開鼓風(fēng)機(jī)與A/C開關(guān)，選擇空調(diào)制冷的目標(biāo)溫度。空調(diào)控制器收到以上信號后，同時結(jié)合壓力傳感器、蒸發(fā)器表面溫度信號、環(huán)境溫度傳感器信號、陽光強(qiáng)度傳感器信號、冷卻液溫度信號等判斷系統(tǒng)是否滿足開啟空調(diào)的條件[2]。

空調(diào)系統(tǒng)正常工作時，制冷劑高壓的壓力為12～16 kgf/cm2，壓力傳感器反饋回來的制冷劑的壓力應(yīng)不低于1.96 kgf/cm2。若低于1.96 kgf/cm2，空調(diào)控制器判斷系統(tǒng)壓力過低，制冷劑不足，控制壓縮機(jī)停止工作；如果制冷劑壓力高于31.4 kgf/cm2，空調(diào)控制器會默認(rèn)為高壓管路散熱不良或堵塞等，為了保護(hù)整個空調(diào)系統(tǒng)，同樣會發(fā)出停止壓縮機(jī)工作的指令；蒸發(fā)器表面溫度應(yīng)高于2℃[3]，不存在結(jié)冰的狀態(tài)。車外環(huán)境傳感器反饋回來的溫度應(yīng)高于空調(diào)制冷時的最低溫度，如空調(diào)制冷時，車內(nèi)的最低溫度為16℃，如果車外環(huán)境傳感器反饋回來的溫度是4℃，已經(jīng)遠(yuǎn)低于空調(diào)的制冷最低溫度，系統(tǒng)將控制壓縮機(jī)停止工作。陽光強(qiáng)度傳感器的信號用來判斷太陽光的強(qiáng)度，空調(diào)控制器根據(jù)太陽光強(qiáng)度并結(jié)合車內(nèi)、車外的實際溫度調(diào)整壓縮機(jī)工作的功率，讓車內(nèi)的溫度迅速達(dá)到駕乘人員設(shè)置的目標(biāo)溫度，控制原理如圖1所示。

圖1 新能源汽車自動空調(diào)控制原理圖

2.2 自動空調(diào)的運行試驗

在自動模式下，駕乘人員在車內(nèi)開啟空調(diào)設(shè)定的目標(biāo)溫度為16℃，此時車外的實際溫度為38℃，車內(nèi)的溫度為45℃，結(jié)合陽光的強(qiáng)度，空調(diào)控制器會控制壓縮機(jī)以最大功率制冷，并把鼓風(fēng)機(jī)自動調(diào)整到風(fēng)量最大的檔位，循環(huán)模式為車內(nèi)循環(huán)，風(fēng)向為吹臉模式，這樣控制的目的是為了讓車內(nèi)的溫度以最快的速度達(dá)到駕乘人員設(shè)定的目標(biāo)溫度[4]。當(dāng)車內(nèi)的溫度達(dá)到18℃，接近設(shè)定的目標(biāo)溫度16℃時，空調(diào)控制器就會自動降低壓縮機(jī)工作的功率，降低鼓風(fēng)機(jī)的風(fēng)量。當(dāng)車內(nèi)的溫度與設(shè)定目標(biāo)一致時，空調(diào)控制器則會自動切斷壓縮機(jī)的工作，但鼓風(fēng)機(jī)仍然運轉(zhuǎn)。這樣的控制邏輯既可以減少能源的消耗，又可以避免壓縮機(jī)持續(xù)工作造成冰堵。當(dāng)車內(nèi)的溫度高于設(shè)定的目標(biāo)溫度時，空調(diào)控制器又會自動地控制壓縮機(jī)運轉(zhuǎn)?？照{(diào)在開啟的狀態(tài)下，冷卻液溫度信號與壓力傳感器密切相關(guān)，當(dāng)制冷劑的壓力達(dá)到中壓狀態(tài)時，為了提高空調(diào)的制冷效果，空調(diào)控制器會自動地控制冷卻風(fēng)扇的高/低速運轉(zhuǎn)。冷卻風(fēng)扇線路出現(xiàn)故障，會導(dǎo)致空調(diào)散熱器散熱不佳，引起空調(diào)管路的壓力急劇上升，空調(diào)控制器則會切斷壓縮機(jī)的工作[5]。

2.3 新能源汽車自動空調(diào)制熱的控制原理

新能源汽車空調(diào)在制熱時，同樣需要啟動車輛上高壓電。當(dāng)車內(nèi)的駕乘人員設(shè)定的目標(biāo)溫度高于環(huán)境溫度時，空調(diào)控制器則會控制壓縮機(jī)停止運轉(zhuǎn)，同時控制暖風(fēng)PTC加熱器工作。新能源空調(diào)的暖風(fēng)PTC加熱器與傳統(tǒng)汽車的暖風(fēng)PTC加熱器最大的不同在于，傳統(tǒng)汽車采用的是直流12 V低壓電，新能源采用的是其動力蓄電池輸出的高壓直流電，一般在300～600 V之間，具體工作電壓根據(jù)各車型配備的動力蓄電池電壓而定。工作時，車內(nèi)的溫度達(dá)到設(shè)定的目標(biāo)溫度后，暖風(fēng)PTC加熱器則停止工作；車內(nèi)的溫度低于設(shè)定的目標(biāo)溫度時，暖風(fēng)PTC加熱器繼續(xù)工作。其控制原理可以防止暖風(fēng)PTC加熱器因過度加熱造成的損壞和燒毀，還可以節(jié)約動力蓄電池的電量，保持足夠的續(xù)航能力。

3 自動空調(diào)控制原理的應(yīng)用

3.1 自動空調(diào)鼓風(fēng)機(jī)不運轉(zhuǎn)

例如，一臺2020年12月生產(chǎn)的比亞迪秦EV，車輛行駛功能正常，交流慢充功能正常，儀表顯示動力蓄電池的電量SOC值為100%，但空調(diào)不制冷，鼓風(fēng)機(jī)也不運轉(zhuǎn)。根據(jù)空調(diào)的控制原理，空調(diào)控制器收到鼓風(fēng)機(jī)的打開信號后，才會發(fā)出信號控制壓縮機(jī)運轉(zhuǎn)，空調(diào)方能制冷。因此，經(jīng)初步判斷，需要對該車的鼓風(fēng)機(jī)的相關(guān)控制進(jìn)行診斷。使用診斷儀讀取的故障碼B2A3314，前排鼓風(fēng)機(jī)調(diào)整信號對地短路或開路；鼓風(fēng)機(jī)的控制原理電路圖如圖2所示，診斷步驟如下。

圖2 鼓風(fēng)機(jī)控制原理電路圖

（1）根據(jù)圖2電路圖所示，在未斷開連接器G23時，使用萬用表測量G23/2端子的對地電壓為12.2 V，正常；斷開鼓風(fēng)機(jī)連接器G23、調(diào)速模塊連接器G24、空調(diào)控制器連接器G21（C）后，測量線束G24/4-G23/1、G24/4端子-C21（C）/24、G24/1-車身搭鐵G24/3-G21（B）/5之間的電阻值，均小于1 Ω，正常；連接鼓風(fēng)機(jī)連接器G23，給G23/1與G23/2通電后，鼓風(fēng)機(jī)能運轉(zhuǎn)。

（2）根據(jù)圖2電路圖進(jìn)一步分析可知，鼓風(fēng)機(jī)調(diào)速模塊收到空調(diào)控制器的占空比信號后，根據(jù)占空比的大小，通過控制鼓風(fēng)機(jī)的負(fù)極來控制鼓風(fēng)機(jī)的運轉(zhuǎn)及運轉(zhuǎn)的速度，即實現(xiàn)無級變速[6]。接著檢查空調(diào)控制器；連接G24、C21（C）、G21（B），給車輛上電，打開鼓風(fēng)機(jī)，風(fēng)量從最低調(diào)至最高，使用萬用表測量G21（C）/11-車身搭鐵的電壓，電壓從1.9 V變化至2.3 V，由此可知空調(diào)控制器正常。

（3）檢查鼓風(fēng)機(jī)的調(diào)速信號。拔下鼓風(fēng)機(jī)連接器G24，點火開關(guān)至于ON檔的位置，測得G24/3線束與車身搭鐵之間電源電壓為12.2 V，正常。

綜上所述，空調(diào)控制器、鼓風(fēng)機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)與鼓風(fēng)機(jī)調(diào)速模塊的線束、鼓風(fēng)機(jī)調(diào)速信號均正常，因此可判斷：鼓風(fēng)機(jī)不運轉(zhuǎn)的原因是鼓風(fēng)機(jī)調(diào)速模塊故障所致。更換鼓風(fēng)機(jī)調(diào)速模塊后，鼓風(fēng)機(jī)運轉(zhuǎn)正常，空調(diào)制冷正常。

3.2 自動空調(diào)不制冷

某品牌的一輛新能源汽車，車輛能正常行駛，空調(diào)不制冷。經(jīng)初步檢查，該車鼓風(fēng)機(jī)各檔位運轉(zhuǎn)正常，但壓縮機(jī)不工作。無故障碼，讀取數(shù)據(jù)流顯示的高壓管路壓力為0。使用空調(diào)壓力表檢查高壓管路與低壓管路的壓力均為7 kgf/cm2，與診斷儀上數(shù)據(jù)流顯示的壓力不符。對空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行重新抽真空加制冷劑，故障依然存在，數(shù)據(jù)流顯示的高壓管路壓力仍然是0。結(jié)合新能源汽車自動空調(diào)的控制原理進(jìn)行分析，初步懷疑是壓力傳感器出現(xiàn)了故障。回收制冷劑后，在空調(diào)壓力表顯示為0時，打開點火開關(guān)對壓力傳感器進(jìn)行檢測。因該車空調(diào)系統(tǒng)配備的壓力傳感器為三根線，使用萬用表測量其1號端子與3號端子的電壓為5 V，2號端子與車聲搭鐵的電壓為0.5 V。根據(jù)空調(diào)壓力傳感器的控制原理，5 V供電的壓力傳感器為信號輸出。12 V供電的壓力傳感器為占空比輸出。根據(jù)此原理，給空調(diào)系統(tǒng)加壓到不同的壓力后，檢測空調(diào)壓力傳感器得到的數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 壓力傳感器在不同壓力輸出的電壓值

利用表2檢測出來的數(shù)據(jù)，把其生成曲線擬合的趨勢線，如圖3所示。

圖3 不同壓力與輸出電壓值的趨勢線

通過分析趨勢線可知，2是0.998 6，非常接近1，所以得出該壓力傳感器工作的可靠性較高，存在故障的概率不大[7]。進(jìn)一步檢測壓力傳感器與空調(diào)控制器之間連接線束的電阻，均小于1 Ω，正常；最后更換空調(diào)控制器，對空調(diào)系統(tǒng)的管路進(jìn)行重新抽真空加制冷劑，故障排除。

4 結(jié)束語

對于新能源汽車自動空調(diào)控制原理的研究，除了要掌握自動空調(diào)控制的原理之外，還需學(xué)會利用數(shù)學(xué)知識通過曲線擬合趨勢線的方法來判斷零部件的工作性能是否可靠，同時也要考慮高壓線路對空調(diào)系統(tǒng)的影響。在對涉及高壓線路進(jìn)行實驗研究時，務(wù)必做好高壓安全的防護(hù)，時刻把安全放在首位。

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Research on the Control Principle of Automatic Air-Conditioning for New Energy Vehicles

Currently, the maintenance of automatic air conditioning for new energy vehicles has become a key technology urgently needed in the aftermarket of new energy vehicles. The article mainly focuses on the control principle of automatic air conditioning for new energy vehicles, and elaborates on the composition, control principle, and application of automatic air conditioning for new energy vehicles. In the application case, it was proposed that for the detected variable data, it is necessary to learn to use mathematical knowledge to judge the reliability and accuracy of component work, providing a new judgment method for automotive fault diagnosis and maintenance.

new energy vehicles;air conditioning system; control principle; fault diagnosis; pressure sensor; blower

TP27

A

1008-1151(2023)11-0085-04

2023-02-23

2023年度廣西高校中青年教師科研基礎(chǔ)能力提升項目“卡車車載電子控制暖風(fēng)干衣機(jī)設(shè)計與開發(fā)”（2023KY1136）。

梁耀杰（1987－），男，廣西貴港人，廣西水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院工程師，實驗師，研究方向為汽車檢測與維修技術(shù)。