一種基于脈沖寬度調制控制低成本空調系統實(shí)現方式

閆? 偉，孔令靜，陳信強，沙文瀚 （奇瑞新能源汽車(chē)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系統控制實(shí)現方案。引入整車(chē)控制器，參與空調系統中PTC、壓縮 機、面板的交互。根據鼓風(fēng)機自身電性能屬性，增加整車(chē)控制器脈沖寬度調制（PWM）接口資源，匹配性修 正調速模塊部分電路，另增加與鼓風(fēng)機閉環(huán)交互能力，通過(guò)整車(chē)控制器的PWM來(lái)控制鼓風(fēng)機調速，進(jìn)而實(shí)現 低成本空調系統?？蓪?shí)現在快節奏研發(fā)基調下的整車(chē)鼓風(fēng)機風(fēng)速調節，滿(mǎn)足節能降本的空調制冷和制熱功能。 

關(guān)鍵詞：脈沖寬度調制控制；鼓風(fēng)機調速；修正電路；低成本空調

0  引言 

隨著(zhù)新能源汽車(chē)市場(chǎng)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(chē)的政策，我國新能源汽車(chē)表 現很亮眼，產(chǎn)銷(xiāo)量同比增幅很明顯。電動(dòng)車(chē)市場(chǎng)競爭力 增強也制約著(zhù)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期，在高質(zhì)量要求的同時(shí)，開(kāi) 發(fā)周期精簡(jiǎn)后提早進(jìn)入市場(chǎng)，起到先入為主效果，滿(mǎn)足 市場(chǎng)需求。與此同時(shí)，隨著(zhù)產(chǎn)量的越發(fā)增加，整車(chē)成本 也將會(huì )面臨壓縮，面對開(kāi)發(fā)周期壓縮和成本降低的雙重 挑戰^[1]，在硬件基礎條件下的控制改進(jìn)將會(huì )是重點(diǎn)。自 身車(chē)型中的低成本空調系統的控制^[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(gè)汽車(chē)空調系 統的性能也將至關(guān)重要^[3]。不同廠(chǎng)商也針對自身空調系 統特性提出了不同的解決方案。 

鑒于開(kāi)發(fā)進(jìn)度，采用原空調系統各單件元素，引入 整車(chē)控制器（VCU）做適應性開(kāi)發(fā)，在調速模塊基礎上 進(jìn)行簡(jiǎn)單匹配性更改，實(shí)現低成本統調系統功能。

1  系統方案設計 

1.1 系統交互功能方案 

整車(chē)空調系統是使用者根據整車(chē)溫度過(guò)高或者過(guò) 低去觸發(fā)空調系統，通過(guò)人機交互界面或者遠程APP 對空調系統的ACP（空調面板）發(fā)送風(fēng)量、溫度、 模式、AC/PTC、內外循環(huán)、除霜除霧^[4]、自動(dòng)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(chē)控制器）、風(fēng)門(mén)電機、鼓風(fēng)機及PTC，VCU 根據需求輸入控制EAC（壓縮機）轉速，實(shí)現使用者所 需的空調請求效果； 

而低成本空調系統方案將鼓風(fēng)機控制權和PTC控 制權交由VCU來(lái)控制，VCU分解面板對鼓風(fēng)機風(fēng)速要 求，VCU通過(guò)PWM調速控制鼓風(fēng)機的調速模塊，實(shí)現 電壓的控制，進(jìn)而對鼓風(fēng)機控制，概圖如圖1所示；

1.2 匹配電路設計 

采用低成本空調系統方案重點(diǎn)是VCU與調 速模塊的匹配，需要對原鼓風(fēng)機調速模塊^[6]基 礎電路進(jìn)行細微修改，外部通過(guò)面板輸入調速 模塊PWM電壓信號，經(jīng)內部RC及分壓電路轉 換為可供MOSFET工作在放大區的電壓，通過(guò) 調節PWM占空比，可以實(shí)現不同供電電壓， 從而利用MOSFET放大的工作原理對鼓風(fēng)機回 路的控制。調速模塊引出MOS管D極電壓，反 饋至空調面板，通過(guò)內部電路調整PWM占空 比，從而實(shí)現整車(chē)控制器PWM控制鼓風(fēng)機風(fēng) 速，前后基礎電路預修正如圖2所示。

1.2.1 元器件參數 

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

與此同時(shí)，FB反饋電壓需滿(mǎn) 足VCU的接收電壓在0~5 V內，故 需要再對電路電壓采樣點(diǎn)路進(jìn)行 更改，根據公式（1）計算確定參 數。經(jīng)計算R ₃ = 4.7 K， R ₄ =11K ， 故選用R3 和R4 的阻值來(lái)實(shí)現修正 電路的匹配；

2   系統臺架仿真設計 

2.1 系統臺架構建 

為驗證匹配修正電路和低成本空調系統方案的可行 性，須提前在臺架上模擬測試驗證。當臺架仿真數據滿(mǎn) 足要求即可同步搭載在實(shí)車(chē)車(chē)型體現。 

系統臺架構建元素：VCU控制器、鼓風(fēng)機、調速模 塊、穩壓電源替代蓄電池供電、PC電腦，利用萬(wàn)用表 和示波器來(lái)實(shí)現同步監測電壓和波形的實(shí)際輸出狀態(tài)。 在此構建的系統臺架中，首先利用穩壓電源模擬現實(shí)蓄 電池正常供電11~16 V范圍輸出給此系統；其次通過(guò)PC 電腦CCP標定方式實(shí)現不同檔位對應的占空比輸出給調 速模塊；最后通過(guò)萬(wàn)用表和示波器監測并采集鼓風(fēng)機端 電壓值形成控制數據庫供VCU使用。 

系統臺架構建實(shí)物如圖4所示。

2.2 臺架仿真測試 

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

2.3 臺架仿真分析 

通過(guò)臺架模擬實(shí)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)機兩端工 作電壓且在合理的要求范圍內，故此低成本空調系統匹 配電路修正方案可行。

3  實(shí)車(chē)搭載驗證 

為了驗證低成本空調功能和臺架數據建模設計低成 本空調系統的控制邏輯，實(shí)現PWM占空比轉模擬量輸 出控制調速模塊，實(shí)現鼓風(fēng)機調速模塊的調速，滿(mǎn)足低 成本空調系統架構對VCU的控制要求的方案能否真正體 現在量產(chǎn)車(chē)型上，需要經(jīng)過(guò)嚴格的需求—設計—開(kāi)發(fā)— 驗證V流程。 

作為整個(gè)V流程中是最關(guān)鍵的環(huán)節，實(shí)車(chē)搭載驗證 將決定功能方案的可靠性和其他性能。實(shí)車(chē)測試數據如 圖6所示；通過(guò)采集數據與控制數據對比，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)機電壓也趨近于曲線(xiàn)形變化而非斷崖式。故此 方案在實(shí)車(chē)搭載是可靠的。

4  結論 

本文基于預設計方案思想對低成本空調系統進(jìn)行V 流程設計開(kāi)發(fā)^[8]，針對低成本空調系統中的VCU與調速 模塊控制匹配核心難點(diǎn)進(jìn)行模擬、測試和驗證，為達到 最優(yōu)控制效果，修正匹配電路。參考臺架測試數據設 計PWM輸出占空比，實(shí)現VCU與調速模塊的控制，經(jīng) 實(shí)車(chē)搭載測試驗證分析，滿(mǎn)足低成本空調系統的方案 要求。

參考文獻： 

[1] 尹立春.淺談新能源汽車(chē)空調系統的現狀與發(fā)展趨勢[J].科技經(jīng) 濟導刊,2018(1). 

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

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

[4] 凌永成.汽車(chē)空調技術(shù)[M].北京:機械工業(yè)出版社 , 2014. 

[5] 劉忠寶.汽車(chē)自動(dòng)空調控制系統研究與開(kāi)發(fā)[D].長(cháng)春:吉林大學(xué), 2011. 

[6] 吳君挺.基于PLC的鼓風(fēng)機變頻調速系統[D].新鄉: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(chē)控制系 統開(kāi)發(fā)及模型單元測試[J].汽車(chē)工程學(xué)報,2012(6).