一種基于脈沖寬度調(diào)制控制低成本空調(diào)系統(tǒng)實現(xiàn)方式

閆? 偉，孔令靜，陳信強(qiáng)，沙文瀚 （奇瑞新能源汽車股份有限公司，安徽?蕪湖?241000)
摘? 要：本文介紹了一種新能源低成本空調(diào)系統(tǒng)控制實現(xiàn)方案。引入整車控制器，參與空調(diào)系統(tǒng)中PTC、壓縮 機(jī)、面板的交互。根據(jù)鼓風(fēng)機(jī)自身電性能屬性，增加整車控制器脈沖寬度調(diào)制（PWM）接口資源，匹配性修 正調(diào)速模塊部分電路，另增加與鼓風(fēng)機(jī)閉環(huán)交互能力，通過整車控制器的PWM來控制鼓風(fēng)機(jī)調(diào)速，進(jìn)而實現(xiàn) 低成本空調(diào)系統(tǒng)?？蓪崿F(xiàn)在快節(jié)奏研發(fā)基調(diào)下的整車鼓風(fēng)機(jī)風(fēng)速調(diào)節(jié)，滿足節(jié)能降本的空調(diào)制冷和制熱功能。 

關(guān)鍵詞：脈沖寬度調(diào)制控制；鼓風(fēng)機(jī)調(diào)速；修正電路；低成本空調(diào)

0  引言 

隨著新能源汽車市場關(guān)注度的日益提升及國家推出 的一系列利好于新能源汽車的政策，我國新能源汽車表 現(xiàn)很亮眼，產(chǎn)銷量同比增幅很明顯。電動車市場競爭力 增強(qiáng)也制約著產(chǎn)品開發(fā)周期，在高質(zhì)量要求的同時，開 發(fā)周期精簡后提早進(jìn)入市場，起到先入為主效果，滿足 市場需求。與此同時，隨著產(chǎn)量的越發(fā)增加，整車成本 也將會面臨壓縮，面對開發(fā)周期壓縮和成本降低的雙重 挑戰(zhàn)^[1]，在硬件基礎(chǔ)條件下的控制改進(jìn)將會是重點。自 身車型中的低成本空調(diào)系統(tǒng)的控制^[2]顯得尤為重要，其 控制效果的改進(jìn)和功能的完善對于提升整個汽車空調(diào)系 統(tǒng)的性能也將至關(guān)重要^[3]。不同廠商也針對自身空調(diào)系 統(tǒng)特性提出了不同的解決方案。 

鑒于開發(fā)進(jìn)度，采用原空調(diào)系統(tǒng)各單件元素，引入 整車控制器（VCU）做適應(yīng)性開發(fā)，在調(diào)速模塊基礎(chǔ)上 進(jìn)行簡單匹配性更改，實現(xiàn)低成本統(tǒng)調(diào)系統(tǒng)功能。

1  系統(tǒng)方案設(shè)計 

1.1 系統(tǒng)交互功能方案 

整車空調(diào)系統(tǒng)是使用者根據(jù)整車溫度過高或者過 低去觸發(fā)空調(diào)系統(tǒng)，通過人機(jī)交互界面或者遠(yuǎn)程APP 對空調(diào)系統(tǒng)的ACP（空調(diào)面板）發(fā)送風(fēng)量、溫度、 模式、AC/PTC、內(nèi)外循環(huán)、除霜除霧^[4]、自動控制^[5] （AUTO）請求指令，ACP將請求指令進(jìn)行分解傳輸至 VCU（整車控制器）、風(fēng)門電機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)及PTC，VCU 根據(jù)需求輸入控制EAC（壓縮機(jī)）轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)使用者所 需的空調(diào)請求效果； 

而低成本空調(diào)系統(tǒng)方案將鼓風(fēng)機(jī)控制權(quán)和PTC控 制權(quán)交由VCU來控制，VCU分解面板對鼓風(fēng)機(jī)風(fēng)速要 求，VCU通過PWM調(diào)速控制鼓風(fēng)機(jī)的調(diào)速模塊，實現(xiàn) 電壓的控制，進(jìn)而對鼓風(fēng)機(jī)控制，概圖如圖1所示；

1.2 匹配電路設(shè)計 

采用低成本空調(diào)系統(tǒng)方案重點是VCU與調(diào) 速模塊的匹配，需要對原鼓風(fēng)機(jī)調(diào)速模塊^[6]基 礎(chǔ)電路進(jìn)行細(xì)微修改，外部通過面板輸入調(diào)速 模塊PWM電壓信號，經(jīng)內(nèi)部RC及分壓電路轉(zhuǎn) 換為可供MOSFET工作在放大區(qū)的電壓，通過 調(diào)節(jié)PWM占空比，可以實現(xiàn)不同供電電壓， 從而利用MOSFET放大的工作原理對鼓風(fēng)機(jī)回 路的控制。調(diào)速模塊引出MOS管D極電壓，反 饋至空調(diào)面板，通過內(nèi)部電路調(diào)整PWM占空 比，從而實現(xiàn)整車控制器PWM控制鼓風(fēng)機(jī)風(fēng) 速，前后基礎(chǔ)電路預(yù)修正如圖2所示。

1.2.1 元器件參數(shù) 

修正在預(yù)修正電路 下，PWM波形高 電平與整車低壓電 源電壓有關(guān)，針對 此，對原有電路內(nèi) 部RC及分壓電路 器件參數(shù)進(jìn)行調(diào) 整：電阻R₁ 和 R₂ 分別選擇：6.8 kΩ 和5.1 kΩ，電容 選擇2個22 μF并 聯(lián)。參考MOS管 特性曲線^[7]圖3，更改后的MOS管G極輸入電壓最大 值可以達(dá)到 6.8 V，小于其飽和開 啟電壓，不會對其工作效果產(chǎn)生 影響。 

與此同時，F(xiàn)B反饋電壓需滿 足VCU的接收電壓在0~5 V內(nèi)，故 需要再對電路電壓采樣點路進(jìn)行 更改，根據(jù)公式（1）計算確定參 數(shù)。經(jīng)計算R ₃ = 4.7 K， R ₄ =11K ， 故選用R3 和R4 的阻值來實現(xiàn)修正 電路的匹配；

2   系統(tǒng)臺架仿真設(shè)計 

2.1 系統(tǒng)臺架構(gòu)建 

為驗證匹配修正電路和低成本空調(diào)系統(tǒng)方案的可行 性，須提前在臺架上模擬測試驗證。當(dāng)臺架仿真數(shù)據(jù)滿 足要求即可同步搭載在實車車型體現(xiàn)。 

系統(tǒng)臺架構(gòu)建元素：VCU控制器、鼓風(fēng)機(jī)、調(diào)速模 塊、穩(wěn)壓電源替代蓄電池供電、PC電腦，利用萬用表 和示波器來實現(xiàn)同步監(jiān)測電壓和波形的實際輸出狀態(tài)。 在此構(gòu)建的系統(tǒng)臺架中，首先利用穩(wěn)壓電源模擬現(xiàn)實蓄 電池正常供電11~16 V范圍輸出給此系統(tǒng)；其次通過PC 電腦CCP標(biāo)定方式實現(xiàn)不同檔位對應(yīng)的占空比輸出給調(diào) 速模塊；最后通過萬用表和示波器監(jiān)測并采集鼓風(fēng)機(jī)端 電壓值形成控制數(shù)據(jù)庫供VCU使用。 

系統(tǒng)臺架構(gòu)建實物如圖4所示。

2.2 臺架仿真測試 

在臺架仿真測試過程中，考慮到鼓風(fēng)機(jī)在整車低壓 電源是有范圍的，故使用臺架模擬11~16 V有效工作區(qū) 域，工況測試結(jié)果如表1。 

2.3 臺架仿真分析 

通過臺架模擬實際工況的供電電壓測試，更改后可 以匹配VCU的PWM控制電路，分析繪制出鼓風(fēng)機(jī)兩端 電壓-檔位-占空比邏輯值，如圖5所示。

從圖中可知，此仿真比較精確地控制鼓風(fēng)機(jī)兩端工 作電壓且在合理的要求范圍內(nèi)，故此低成本空調(diào)系統(tǒng)匹 配電路修正方案可行。

3  實車搭載驗證 

為了驗證低成本空調(diào)功能和臺架數(shù)據(jù)建模設(shè)計低成 本空調(diào)系統(tǒng)的控制邏輯，實現(xiàn)PWM占空比轉(zhuǎn)模擬量輸 出控制調(diào)速模塊，實現(xiàn)鼓風(fēng)機(jī)調(diào)速模塊的調(diào)速，滿足低 成本空調(diào)系統(tǒng)架構(gòu)對VCU的控制要求的方案能否真正體 現(xiàn)在量產(chǎn)車型上，需要經(jīng)過嚴(yán)格的需求—設(shè)計—開發(fā)— 驗證V流程。 

作為整個V流程中是最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，實車搭載驗證 將決定功能方案的可靠性和其他性能。實車測試數(shù)據(jù)如 圖6所示；通過采集數(shù)據(jù)與控制數(shù)據(jù)對比，在恒定蓄電 池供電電壓下，風(fēng)擋占空比的控制與風(fēng)擋檔位請求一 致，鼓風(fēng)機(jī)電壓也趨近于曲線形變化而非斷崖式。故此 方案在實車搭載是可靠的。

4  結(jié)論 

本文基于預(yù)設(shè)計方案思想對低成本空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行V 流程設(shè)計開發(fā)^[8]，針對低成本空調(diào)系統(tǒng)中的VCU與調(diào)速 模塊控制匹配核心難點進(jìn)行模擬、測試和驗證，為達(dá)到 最優(yōu)控制效果，修正匹配電路。參考臺架測試數(shù)據(jù)設(shè) 計PWM輸出占空比，實現(xiàn)VCU與調(diào)速模塊的控制，經(jīng) 實車搭載測試驗證分析，滿足低成本空調(diào)系統(tǒng)的方案 要求。

參考文獻(xiàn)： 

[1] 尹立春.淺談新能源汽車空調(diào)系統(tǒng)的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].科技經(jīng) 濟(jì)導(dǎo)刊,2018(1). 

[2] 周齊,李寶成,王勇.淺談汽車空調(diào)系統(tǒng)控制和功能[J].城市公共 交通, 2004(3):21-23. 

[3] 宋洪健.汽車空調(diào)控制系統(tǒng)優(yōu)化及試驗研究[D].杭州:浙江大學(xué), 2018. 

[4] 凌永成.汽車空調(diào)技術(shù)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社 , 2014. 

[5] 劉忠寶.汽車自動空調(diào)控制系統(tǒng)研究與開發(fā)[D].長春:吉林大學(xué), 2011. 

[6] 吳君挺.基于PLC的鼓風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)[D].新鄉(xiāng):河南科技學(xué) 院,2009. 

[7] 2SK2313 Datasheet[S]. TOSHIBA:( 1-5), 1998-11-12. 

[8] 田真,張曼雪,董婷婷,等.基于V模式的整車控制系 統(tǒng)開發(fā)及模型單元測試[J].汽車工程學(xué)報,2012(6).