純電動(dòng)汽車空調(diào)系統(tǒng)控制電路與工作原理分析

張秀喬、邱士哲、郝曉華、劉軍

（領(lǐng)途汽車有限公司 054800)

1 電動(dòng)汽車空調(diào)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成

電動(dòng)汽車的空調(diào)系統(tǒng)與傳統(tǒng)燃油汽車基本相同，由壓縮機(jī)、冷凝器、風(fēng)扇控制器、風(fēng)扇、蒸發(fā)器、進(jìn)風(fēng)口、暖風(fēng)機(jī)總成和高低壓管路附件、PTC總成、空調(diào)控制器面板、溫度及壓力傳感器等組成。傳統(tǒng)汽車壓縮機(jī)由發(fā)動(dòng)機(jī)傳動(dòng)帶，通過電磁離合器帶動(dòng)，熱源來自發(fā)動(dòng)機(jī)余熱。而電動(dòng)汽車采用電動(dòng)壓縮機(jī)和PTC元件加熱，由動(dòng)力電池提供高壓驅(qū)動(dòng)[1]。

2 純電動(dòng)汽車空調(diào)系統(tǒng)的控制原理

整車上ON擋后，VCU接受高壓電池包信息，當(dāng)電池包SOC值大于10%時(shí)，VCU發(fā)送高壓信號，制冷狀態(tài)時(shí)空調(diào)控制器采集空調(diào)A/C開關(guān)信號、空調(diào)壓力開關(guān)信號、蒸發(fā)器溫度信號、車速以及室內(nèi)外溫度信號，通過邏輯運(yùn)算發(fā)送CAN網(wǎng)絡(luò)控制信號。壓縮機(jī)根據(jù)控制信號去調(diào)節(jié)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速，VCU根據(jù)控制信號以PWM信號方式傳輸給風(fēng)扇控制器，風(fēng)扇控制器再輸出0～12 V之間變化電壓來調(diào)整風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速。制熱狀態(tài)時(shí)，空調(diào)控制器采集室內(nèi)溫度傳感器信號，通過邏輯運(yùn)算發(fā)送CAN控制信號，PTC總成根據(jù)控制信號調(diào)整發(fā)熱功率。

3 汽車空調(diào)系統(tǒng)的CAN網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜涂刂七壿?/h2>

純電動(dòng)汽車空調(diào)控制電路如圖1所示。

整車有兩條CAN網(wǎng)絡(luò)組成，分別為整車控制器、組合儀表（含空調(diào)控制器面板）、電機(jī)控制器、電池包管理系統(tǒng)、車載充電機(jī)組成的動(dòng)力CAN，以及整車控制器、空調(diào)控制器、空調(diào)壓縮機(jī)、PTC加熱器等組成的車身CAN。VCU具有網(wǎng)管功能傳遞兩路信息[2]。

圖1 純電動(dòng)汽車空調(diào)控制電路

3.1 制冷時(shí)的控制邏輯

(1)如果PTC為開啟狀態(tài)，則關(guān)閉PTC輸出。

(2)判斷空調(diào)高低壓開關(guān)信號在正常范圍，VCU發(fā)送的信號有效性，溫度保護(hù)信號為開狀態(tài)，否則禁止。

(3)滿足制冷條件后，則按車內(nèi)外溫度與設(shè)定溫度的差值獲取壓縮機(jī)基本轉(zhuǎn)速。隨著時(shí)間的持續(xù)空調(diào)系統(tǒng)壓力的變化，在基本轉(zhuǎn)速的基礎(chǔ)上，根據(jù)蒸發(fā)器信號狀態(tài)，以100 r/5 s速率，增加、減小或保持壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速。

3.2 加熱時(shí)的控制邏輯

(1)如果AC為開啟狀態(tài)，則關(guān)閉AC輸出。

(2)判斷VCU發(fā)送的信號有效性和再次確認(rèn)AC輸出關(guān)閉狀態(tài)，否則禁止。

(3)加熱條件滿足后，分別按車內(nèi)外溫度與設(shè)定溫度的差值、空調(diào)出風(fēng)量以及開關(guān)擋位計(jì)算輸出功率。按照功率大小啟動(dòng)PTC，并設(shè)置PTC狀態(tài)為開。

4 電動(dòng)空調(diào)壓縮機(jī)的工作原理

某款電動(dòng)汽車空調(diào)壓縮機(jī)由控制器、電機(jī)與壓縮機(jī)構(gòu)成的一體機(jī)，內(nèi)部電控組件、電機(jī)、壓縮機(jī)完全隔離，外部高壓低壓接插件直接固定到殼體上，總成防護(hù)等級達(dá)到IP67。其特點(diǎn)是蒸發(fā)器出氣的低溫冷媒，通過機(jī)殼給電控組件進(jìn)行冷卻降溫。壓縮機(jī)采用渦旋技術(shù)，利用動(dòng)、靜渦旋盤的相對公轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，形成封閉容積的連續(xù)變化，實(shí)現(xiàn)壓縮氣體的目的。渦旋定子和渦旋轉(zhuǎn)子的渦旋形狀基本相同，相位差為180°，并且具有一定的偏心距。

在2個(gè)渦旋之間形成4個(gè)壓縮腔，每個(gè)壓縮腔都呈月牙形。在壓縮過程中，渦旋定子（靜盤）保持固定，而渦旋轉(zhuǎn)子（動(dòng)盤）則每隔90°順時(shí)針圓周運(yùn)動(dòng)。氣腔內(nèi)的氣體即被壓縮成高壓氣體，并經(jīng)渦旋中間的排氣口排出。此設(shè)計(jì)具備噪聲低，運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，容易變轉(zhuǎn)速運(yùn)動(dòng)和受變頻調(diào)速技術(shù)控制的優(yōu)點(diǎn)[3]。

控制器由電控組件、CAN收發(fā)器、驅(qū)動(dòng)管電路及保護(hù)電路等組成。工作時(shí)高低壓電源和通訊信號全部接入到控制器，電控組件根據(jù)接收到空調(diào)控制發(fā)送的功率和轉(zhuǎn)速請求信號，輸出PWM占空比信號，實(shí)現(xiàn)電機(jī)功率無級調(diào)節(jié)。同時(shí)電控組件通過CAN總線，把壓縮機(jī)的溫度、轉(zhuǎn)速、功率和故障信息發(fā)送至總線，實(shí)現(xiàn)信號采集、故障預(yù)警、過溫保護(hù)、過壓/欠壓保護(hù)、過流保護(hù)、短路保護(hù)及反接保護(hù)等功能。系統(tǒng)原理圖如圖2所示。

圖2 電動(dòng)汽車空調(diào)壓縮機(jī)的系統(tǒng)原理圖

5 PTC加熱器總成的工作原理

某款純電動(dòng)汽車的PTC加熱器采用控制器與加熱芯體一體式設(shè)計(jì)，控制器和加熱芯體完全隔離，采用快速連接方式安裝，整體體積小。高壓線采用外部拖線方式，低壓接插件鑲嵌到殼體上。

控制器由電控組件、CAN收發(fā)電路、驅(qū)動(dòng)電路、保護(hù)電路級檢測電路等組成，通過CAN總線通訊，把PTC的溫度和故障信息發(fā)送至總線，實(shí)現(xiàn)信號采集、故障預(yù)警、過溫保護(hù)、過壓/欠壓保護(hù)、過流保護(hù)、短路保護(hù)及反接保護(hù)等功能。

電氣工作原理。高低壓電源和功率請求等CAN信號接入到PTC總成中，經(jīng)控制組件邏輯運(yùn)算以PWM占空比信號方式驅(qū)動(dòng)管電路，控制IGBT的導(dǎo)通與斷開，實(shí)現(xiàn)加熱功率無級調(diào)節(jié)，其出風(fēng)溫度可控，保證舒適情況下實(shí)現(xiàn)節(jié)能目的。系統(tǒng)原理如圖3所示。

圖3 PTC加熱器總成的系統(tǒng)原理圖

通過某款純電動(dòng)汽車的試驗(yàn)，提升了設(shè)計(jì)初期分擋式空調(diào)在制熱換擋時(shí)忽冷忽熱現(xiàn)象的發(fā)生。壓縮機(jī)的無級調(diào)速功能避開了壓縮機(jī)與車身的共振點(diǎn)，在保證制冷效果的同時(shí)，降低了整車噪聲。PTC總成的整車通訊功能進(jìn)行了更多的拓展[4]，一體化設(shè)計(jì)防護(hù)等級達(dá)到了IP67。為同行解決類似問題提供借鑒。