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

閆? 偉，孔令靜，陳信強(qiáng)，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(diào)系統(tǒng)控制實(shí)現(xiàn)方案。引入整車(chē)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(chē)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(guò)整車(chē)控制器的PWM來(lái)控制鼓風(fēng)機(jī)調(diào)速，進(jìn)而實(shí)現(xiàn) 低成本空調(diào)系統(tǒng)?？蓪?shí)現(xiàn)在快節(jié)奏研發(fā)基調(diào)下的整車(chē)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(chē)市場(chǎng)關(guān)注度的日益提升及國(guó)家推出 的一系列利好于新能源汽車(chē)的政策，我國(guó)新能源汽車(chē)表 現(xiàn)很亮眼，產(chǎn)銷(xiāo)量同比增幅很明顯。電動(dòng)車(chē)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力 增強(qiáng)也制約著產(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，滿足 市場(chǎng)需求。與此同時(shí)，隨著產(chǎn)量的越發(fā)增加，整車(chē)成本 也將會(huì)面臨壓縮，面對(duì)開(kāi)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(huì)是重點(diǎn)。自 身車(chē)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(duì)于提升整個(gè)汽車(chē)空調(diào)系 統(tǒng)的性能也將至關(guān)重要^[3]。不同廠商也針對(duì)自身空調(diào)系 統(tǒng)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(diào)系統(tǒng)各單件元素，引入 整車(chē)控制器（VCU）做適應(yīng)性開(kāi)發(fā)，在調(diào)速模塊基礎(chǔ)上 進(jìn)行簡(jiǎn)單匹配性更改，實(shí)現(xiàn)低成本統(tǒng)調(diào)系統(tǒng)功能。

1  系統(tǒng)方案設(shè)計(jì) 

1.1 系統(tǒng)交互功能方案 

整車(chē)空調(diào)系統(tǒng)是使用者根據(jù)整車(chē)溫度過(guò)高或者過(guò) 低去觸發(fā)空調(diào)系統(tǒng)，通過(guò)人機(jī)交互界面或者遠(yuǎn)程APP 對(duì)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(dòng)控制^[5] （AUTO）請(qǐng)求指令，ACP將請(qǐng)求指令進(jìn)行分解傳輸至 VCU（整車(chē)控制器）、風(fēng)門(mén)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(shí)現(xiàn)使用者所 需的空調(diào)請(qǐng)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(lái)控制，VCU分解面板對(duì)鼓風(fēng)機(jī)風(fēng)速要 求，VCU通過(guò)PWM調(diào)速控制鼓風(fēng)機(jī)的調(diào)速模塊，實(shí)現(xiàn) 電壓的控制，進(jìn)而對(duì)鼓風(fēng)機(jī)控制，概圖如圖1所示；

1.2 匹配電路設(shè)計(jì) 

采用低成本空調(diào)系統(tǒng)方案重點(diǎn)是VCU與調(diào) 速模塊的匹配，需要對(duì)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(guò)面板輸入調(diào)速 模塊PWM電壓信號(hào)，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(guò) 調(diào)節(jié)PWM占空比，可以實(shí)現(xiàn)不同供電電壓， 從而利用MOSFET放大的工作原理對(duì)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(guò)內(nèi)部電路調(diào)整PWM占空 比，從而實(shí)現(xiàn)整車(chē)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(chē)低壓電 源電壓有關(guān)，針對(duì) 此，對(duì)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(gè)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(kāi) 啟電壓，不會(huì)對(duì)其工作效果產(chǎn)生 影響。 

與此同時(shí)，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(duì)電路電壓采樣點(diǎn)路進(jìn)行 更改，根據(jù)公式（1）計(jì)算確定參 數(shù)。經(jīng)計(jì)算R ₃ = 4.7 K， R ₄ =11K ， 故選用R3 和R4 的阻值來(lái)實(shí)現(xiàn)修正 電路的匹配；

2   系統(tǒng)臺(tái)架仿真設(shè)計(jì) 

2.1 系統(tǒng)臺(tái)架構(gòu)建 

為驗(yàn)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(tái)架上模擬測(cè)試驗(yàn)證。當(dāng)臺(tái)架仿真數(shù)據(jù)滿 足要求即可同步搭載在實(shí)車(chē)車(chē)型體現(xiàn)。 

系統(tǒng)臺(tái)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(wàn)用表 和示波器來(lái)實(shí)現(xiàn)同步監(jiān)測(cè)電壓和波形的實(shí)際輸出狀態(tài)。 在此構(gòu)建的系統(tǒng)臺(tái)架中，首先利用穩(wěn)壓電源模擬現(xiàn)實(shí)蓄 電池正常供電11~16 V范圍輸出給此系統(tǒng)；其次通過(guò)PC 電腦CCP標(biāo)定方式實(shí)現(xiàn)不同檔位對(duì)應(yīng)的占空比輸出給調(diào) 速模塊；最后通過(guò)萬(wàn)用表和示波器監(jiān)測(cè)并采集鼓風(fēng)機(jī)端 電壓值形成控制數(shù)據(jù)庫(kù)供VCU使用。 

系統(tǒng)臺(tái)架構(gòu)建實(shí)物如圖4所示。

2.2 臺(tái)架仿真測(cè)試 

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

2.3 臺(tái)架仿真分析 

通過(guò)臺(tái)架模擬實(shí)際工況的供電電壓測(cè)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(shí)車(chē)搭載驗(yàn)證 

為了驗(yàn)證低成本空調(diào)功能和臺(tái)架數(shù)據(jù)建模設(shè)計(jì)低成 本空調(diào)系統(tǒng)的控制邏輯，實(shí)現(xiàn)PWM占空比轉(zhuǎn)模擬量輸 出控制調(diào)速模塊，實(shí)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(duì)VCU的控制要求的方案能否真正體 現(xiàn)在量產(chǎn)車(chē)型上，需要經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的需求—設(shè)計(jì)—開(kāi)發(fā)— 驗(yàn)證V流程。 

作為整個(gè)V流程中是最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，實(shí)車(chē)搭載驗(yàn)證 將決定功能方案的可靠性和其他性能。實(shí)車(chē)測(cè)試數(shù)據(jù)如 圖6所示；通過(guò)采集數(shù)據(jù)與控制數(shù)據(jù)對(duì)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(qǐng)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(shí)車(chē)搭載是可靠的。

4  結(jié)論 

本文基于預(yù)設(shè)計(jì)方案思想對(duì)低成本空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行V 流程設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)^[8]，針對(duì)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(diǎn)進(jìn)行模擬、測(cè)試和驗(yàn)證，為達(dá)到 最優(yōu)控制效果，修正匹配電路。參考臺(tái)架測(cè)試數(shù)據(jù)設(shè) 計(jì)PWM輸出占空比，實(shí)現(xiàn)VCU與調(diào)速模塊的控制，經(jīng) 實(shí)車(chē)搭載測(cè)試驗(yàn)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(chē)空調(diào)系統(tǒng)的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)[J].科技經(jīng) 濟(jì)導(dǎo)刊,2018(1). 

[2] 周齊,李寶成,王勇.淺談汽車(chē)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(chē)空調(diào)控制系統(tǒng)優(yōu)化及試驗(yàn)研究[D].杭州:浙江大學(xué), 2018. 

[4] 凌永成.汽車(chē)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(chē)自動(dòng)空調(diào)控制系統(tǒng)研究與開(kāi)發(fā)[D].長(zhǎng)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(chē)控制系 統(tǒng)開(kāi)發(fā)及模型單元測(cè)試[J].汽車(chē)工程學(xué)報(bào),2012(6).