汽車智能充電技術(shù)對空調(diào)系統(tǒng)的影響分析及系統(tǒng)優(yōu)化

李先杰，陳輝，劉江，徐奇

（上海汽車集團股份有限公司，上海 201804）

汽車智能充電技術(shù)對空調(diào)系統(tǒng)的影響分析及系統(tǒng)優(yōu)化

李先杰*，陳輝，劉江，徐奇

（上海汽車集團股份有限公司，上海 201804）

智能充電技術(shù)作為節(jié)能技術(shù)之一，能有效降低油耗、減少排放。但是智能充電技術(shù)會引起用電器工作異常。本文基于智能充電系統(tǒng)工作原理，并結(jié)合空調(diào)系統(tǒng)鼓風(fēng)機控制原理，分析了智能充電系統(tǒng)對空調(diào)鼓風(fēng)機控制的影響，結(jié)合負載實驗數(shù)據(jù)，提出了優(yōu)化方法。優(yōu)化結(jié)果表明：本文所采用的優(yōu)化方法，電壓波動在0.2 V以內(nèi)，效果明顯，滿足整車技術(shù)要求；同時對整車成本影響較小。

智能充電；鼓風(fēng)機；電壓波動；控制；優(yōu)化

0 引言

隨著全球能源危機狀況和溫室氣體排放日益嚴重，各國政府對汽車環(huán)保、節(jié)能技術(shù)的發(fā)展越來越重視，各汽車公司都在積極尋求解決方法。智能充電技術(shù)作為節(jié)能技術(shù)之一，能有效降低油耗、減少排放，得到越來越廣泛的研究[1]。但是，智能充電技術(shù)通過調(diào)節(jié)發(fā)電機輸出電壓來減小發(fā)動機負載或在剎車時對發(fā)動機多余扭矩進行能量回收[2-3]，勢必會引起通過蓄電池供電的用電器電壓波動，從而出現(xiàn)用電器工作異常，引起客戶抱怨，如前大燈亮度變化、空調(diào)鼓風(fēng)機風(fēng)量變化等異?，F(xiàn)象[4-5]。本文將就智能充電技術(shù)對汽車空調(diào)系統(tǒng)的影響做具體分析。

1 智能充電系統(tǒng)工作原理

智能充電系統(tǒng)組成如圖1所示，主要由發(fā)電機、蓄電池以及電源管理單元（Power management unit,PMU）組成。其工作原理如下：在汽車行駛過程中，PMU根據(jù)整車負載、工況以及蓄電池溫度、狀態(tài)、荷電狀態(tài)（State of charge,SOC）等情況，通過調(diào)節(jié)發(fā)電機的勵磁電流、改變發(fā)電機輸出電壓，從而調(diào)節(jié)發(fā)動機負載、降低油耗。發(fā)電機輸出電壓較高時，發(fā)電機對蓄電池充電以及對整車負載供電；發(fā)電機輸出電壓較低時，充電電流為0，發(fā)電機不再對蓄電池充電，只對整車負載供電，從而減小發(fā)動機負載。

在汽車加速時，PMU會迅速減小發(fā)電機輸出電壓，相應(yīng)發(fā)動機負載減小，提高車輛加速性能，達到節(jié)油的目的，而此時用電器電壓會相應(yīng)降低；在剎車時，對發(fā)動機多余扭矩進行能量回收，PMU會迅速增大發(fā)電機輸出電壓，對蓄電池充電以及對整車負載供電，從而用電器電壓迅速增大。在這兩種工況下，發(fā)電機輸出電壓會在短時間內(nèi)具有較大波動，從而會引起用電器電壓有較大波動。

圖1 智能充電系統(tǒng)組成

2 智能充電系統(tǒng)對空調(diào)系統(tǒng)的影響

對于無智能充電系統(tǒng)車型，發(fā)電機輸出電壓基本不變，由發(fā)電機對整車負載供電，蓄電池起穩(wěn)壓作用，用電器電壓較穩(wěn)定。對于采用智能充電系統(tǒng)車型，行駛過程中，發(fā)電機輸出電壓會在 12.6 V～15 V波動，從而整車負載的供電電壓也會隨之波動。供電電壓波動對空調(diào)系統(tǒng)而言，主要影響體現(xiàn)在鼓風(fēng)機控制上?？照{(diào)鼓風(fēng)機一般采用的是永磁式有刷直流電機，其轉(zhuǎn)速公式[6]為：

式中：

n——鼓風(fēng)機的轉(zhuǎn)速；

U——端電壓；

Ia——電樞電流；

Ra——電樞電阻；

Ce——電機結(jié)構(gòu)有關(guān)的常數(shù)；

φ——磁通量。

對于永磁直流電機來說，Ce和φ是常數(shù)；而電樞電阻Ra非常小，因而電樞上的壓降變化很小。從公式(1)可以看出，鼓風(fēng)機的轉(zhuǎn)速n會隨著端電壓U的增大而增大，隨著端電壓U的減小而減小；由于轉(zhuǎn)速的變化引起鼓風(fēng)機工作聲音的變化。

對于配置手動空調(diào)控制器（MTC）車型而言，風(fēng)量控制采用大電流開關(guān)和調(diào)速電阻的方式[7]，其控制原理如圖2所示。供電電壓直接加在鼓風(fēng)機和調(diào)速電阻上，隨著供電電壓的波動，鼓風(fēng)機每檔風(fēng)量均會隨之波動，從而直接影響鼓風(fēng)機風(fēng)量和噪聲，使鼓風(fēng)機工作聲音忽大忽小。同時對空調(diào)制熱制冷效果、鼓風(fēng)機和調(diào)速電阻壽命均會有一定的影響。

對于配置自動空調(diào)控制器（ATC）車型而言，風(fēng)量控制采用調(diào)速模塊來實現(xiàn)[5]，其控制原理如圖3所示。鼓風(fēng)機兩端具有電壓反饋信號，空調(diào)控制器通過反饋信號對鼓風(fēng)機進行閉環(huán)控制。當(dāng)鼓風(fēng)機工作在低檔位時，即使供電電壓波動，控制器通過調(diào)節(jié)調(diào)速模塊阻抗使鼓風(fēng)機兩端電壓穩(wěn)定。但是，當(dāng)鼓風(fēng)機工作在最高檔位時，調(diào)速模塊完全導(dǎo)通，供電電壓直接加在鼓風(fēng)機兩端，此時調(diào)速模塊不再具有調(diào)節(jié)作用，鼓風(fēng)機電壓會隨著供電電壓的波動而波動，從而直接影響鼓風(fēng)機風(fēng)量和噪聲，使鼓風(fēng)機工作聲音忽大忽小，而且對空調(diào)制熱制冷效果、鼓風(fēng)機和調(diào)速模塊壽命均會有一定的影響。

圖2 MTC車型鼓風(fēng)機控制原理圖

圖3 ATC車型鼓風(fēng)機控制原理圖

3 實驗結(jié)果及分析

通過分別對配置MTC車型和ATC車型進行路試驗證，試驗結(jié)果如圖4、圖5所示。

從圖4可以看出，車輛在行駛過程中，智能充電系統(tǒng)使供電電壓在12.6 V～15 V波動，從而鼓風(fēng)機在每一檔位，電壓均隨著供電電壓波動而波動，最大波動電壓達到 1.6 V。在路試過程中，隨著供電電壓波動時，鼓風(fēng)機工作聲音忽大忽小，主觀感受明顯，用戶無法接受。

同樣，從圖5可以看出，鼓風(fēng)機工作在最高檔時，鼓風(fēng)機電壓隨著供電電壓波動而波動，最大波動電壓達到 2 V，鼓風(fēng)機工作聲音變化明顯。而工作在低檔時，即使供電電壓波動，鼓風(fēng)機兩端電壓較穩(wěn)定。

圖4 MTC車型鼓風(fēng)機電壓隨供電電壓波動

圖5 ATC車型鼓風(fēng)機最高檔電壓隨供電電壓波動

對于MTC車型，鼓風(fēng)機工作聲音之所以忽大忽小，主要是因為供電電壓是直接加在鼓風(fēng)機兩端，供電電壓變化，鼓風(fēng)機電壓必然變化，實驗結(jié)果與前面的分析是一致的。

對于ATC車型，鼓風(fēng)機最高檔產(chǎn)生電壓波動是因為供電電壓的波動以及在最高檔位時調(diào)速模塊被完全導(dǎo)通，失去調(diào)節(jié)作用。而在非最高檔時，空調(diào)控制器可以通過調(diào)節(jié)調(diào)速模塊閉環(huán)控制使鼓風(fēng)機兩端電壓穩(wěn)定。

為了解決鼓風(fēng)機電壓波動，主要有以下四點優(yōu)化措施。

1) 改變MTC車型鼓風(fēng)機控制方法，采用ATC車型調(diào)速模塊的線性電壓控制方法，使整車成本略微上升。

2) 對于ATC車型最高檔電壓波動，可以采取限制鼓風(fēng)機最高檔目標(biāo)電壓，使鼓風(fēng)機工作在最高檔時仍然可以通過調(diào)速模塊調(diào)節(jié)工作電壓。但是該方法會降低鼓風(fēng)機最高轉(zhuǎn)速，影響空調(diào)系統(tǒng)最大制冷性能，需要對空調(diào)最大制冷性能做進一步驗證。

3) 優(yōu)化鼓風(fēng)機最高檔時智能充電系統(tǒng)策略：對于智能充電系統(tǒng)，在剎車和加速這兩種工況下，發(fā)電機輸出電壓會在短時間內(nèi)具有較大變化，從而會引起用電器電壓具有較大波動。在鼓風(fēng)機最高檔位時，通過獲取鼓風(fēng)機檔位信號，禁止剎車和加速時發(fā)電機輸出電壓的突變，能有效改善鼓風(fēng)機最高檔位時電壓波動的問題。

4) 在鼓風(fēng)機控制回路增加穩(wěn)壓模塊，該方法雖然改善效果明顯，但嚴重增加系統(tǒng)成本。

4 優(yōu)化后結(jié)果及分析

對于本文，采取措施1)和3)分別對空調(diào)系統(tǒng)和智能充電系統(tǒng)進行優(yōu)化。由于MTC車型和ATC車型同樣采取調(diào)速模塊，控制效果一致。因此，僅給出ATC車型優(yōu)化前后實驗結(jié)果，如圖6和圖7所示。

綜合圖6和圖7可以看出，優(yōu)化前，即使供電電壓波動，鼓風(fēng)機次高檔電壓較穩(wěn)定，而最高檔電壓隨著供電電壓波動而變化。優(yōu)化后，鼓風(fēng)機最高檔供電電壓以及鼓風(fēng)機兩端電壓均較穩(wěn)定，波動電壓在0.2 V以內(nèi)，鼓風(fēng)機工作聲音變化不明顯，問題得到解決。

圖6 優(yōu)化前鼓風(fēng)機波動情況

圖7 優(yōu)化后鼓風(fēng)機波動情況

5 結(jié)論

本文從智能充電系統(tǒng)和鼓風(fēng)機控制工作原理出發(fā)，分析智能充電系統(tǒng)對鼓風(fēng)機控制的影響，并提出優(yōu)化方案。通過路試實驗驗證，在優(yōu)化之后，智能充電系統(tǒng)對鼓風(fēng)機控制影響不明顯，鼓風(fēng)機兩端電壓較穩(wěn)定，工作聲音沒有明顯變化。優(yōu)化效果明顯，滿足整車技術(shù)要求，同時對整車成本影響較小。本文的研究不僅僅對空調(diào)系統(tǒng)鼓風(fēng)機控制具有一定的指導(dǎo)意義，同時也對其它車用電器的控制具有一定的借鑒意義。

[1]李兵,楊殿閣,孔偉偉,等.汽車智能電源控制系統(tǒng)研究[J].汽車安全,2014(2): 44-47.

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[4]楊連福.汽車電器與電子設(shè)備[M].北京: 機械工業(yè)出版社,2011.

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[6]凌躍勝,黃文美,宋桂英.電機理論基礎(chǔ)[M].北京:中國電力出版社,2006.

[7]闕雄才,陳江平.汽車空調(diào)實用技術(shù)[M].北京: 機械工業(yè)出版社,2004.

Analysis on the Impact of Smart Charging on Air Conditioning System of Vehicle and the System Optimization

LI Xian-jie*,CHEN Hui,LIU Jiang,XU Qi
(SAIC Motor Corporation Limited,Shanghai 201804,China)

Smart charging technology is one of the energy saving technologies,which reduces fuel consumption and emission effectively.However,the smart charging technology causes the abnormal situation of electrical appliances.Based on the principle of the smart charging system and the air conditioning blower control,the impact of smart charging technology on air conditioning blower control is analyzed.Then the optimizing methods were proposed based on the road test data.The optimization results indicate that,the effectiveness is obvious with the voltage fluctuation within 0.2 V,which meets the requirement of vehicle technical specification with the methods employed.The increased cost on vehicle is relatively small.

Smart charging;Blower;Voltage fluctuating;Control;Optimization

10.3969/j.issn.2095-4468.2014.06.205

*李先杰（1979-），男，工程師，碩士。研究方向：汽車空調(diào)控制。聯(lián)系地址：上海市安研路201號上海汽車集團股份有限公司技術(shù)中心，郵編：201804。聯(lián)系電話：021-61388267。E-mail：lixianjie_1@163.com。