汽車空調(diào)壓縮機自動制冷控制技術(shù)及其溫度控制方案設(shè)計

萬 騰，王文靜，周記國，謝 陽

（1.白城師范學(xué)院，吉林白城 137000；2.通榆縣運輸管理所，吉林通榆 137200）

1 引言

近年來，我國人民的生活水平不斷提高，汽車的保有量也顯著提升，作為現(xiàn)代化的交通工具，空調(diào)系統(tǒng)已成為乘坐舒適性的基礎(chǔ)保證，空調(diào)系統(tǒng)在車廂內(nèi)的制冷、取暖、換氣等方面發(fā)揮著巨大的作用。汽車空調(diào)系統(tǒng)包含了眾多零部件，是汽車結(jié)構(gòu)中較大的功能系統(tǒng)，其體積通?？蛇_到汽車整體的7%～10%，汽車的空調(diào)系統(tǒng)技術(shù)能力也在一定程度決定了汽車的檔次。為提高整車的駕駛體驗，汽車專業(yè)研發(fā)人員對空調(diào)控制技術(shù)進行了大量的研究，努力通過現(xiàn)代化的自動化技術(shù)使車內(nèi)溫度、濕度、空氣流速、風(fēng)量控制在最佳狀態(tài)，同時時間精確且節(jié)能。因此，對汽車空調(diào)自動化控制系統(tǒng)的研究具有重要意義。

2 汽車空調(diào)壓縮機控制系統(tǒng)組成與功能

2.1 控制系統(tǒng)的組成

空調(diào)控制中的制冷和取暖功能都是通過內(nèi)外空間的熱交換實現(xiàn)的，而通風(fēng)功能是制冷和取暖的基礎(chǔ)，也能實現(xiàn)車內(nèi)外空氣的流通。其中通風(fēng)系統(tǒng)利用風(fēng)機實現(xiàn)空氣流通，制冷系統(tǒng)利用壓縮蒸汽制冷，而取暖則是通過吸取發(fā)動機冷卻液溫度實現(xiàn)。而實際應(yīng)用中通風(fēng)和制冷功能是最常用到的，只有在我國北方地區(qū)的冬季，才會使用取暖功能，因此本文主要針對空調(diào)制冷和溫控技術(shù)進行分析和設(shè)計。

汽車空調(diào)的控制系統(tǒng)主體結(jié)構(gòu)主要包括了控制器、傳感器、執(zhí)行機構(gòu)三大部分，如圖1所示控制器是整個控制系統(tǒng)的核心，是信息處理的終端，也是空調(diào)系統(tǒng)有序運行的保證。傳感器包含了多種功能和型號，常用的傳感器有外部環(huán)境溫度傳感器、車廂溫度傳感器、車內(nèi)空氣質(zhì)量傳感器、光線傳感器等。執(zhí)行機構(gòu)包括溫度風(fēng)門、除霜風(fēng)門、循環(huán)風(fēng)門、壓縮機離合器開關(guān)、風(fēng)機調(diào)速裝置等[1]。

2.2 控制系統(tǒng)的功能

圖1 汽車空調(diào)的控制系統(tǒng)主體結(jié)構(gòu)

控制系統(tǒng)主要通過傳感器獲取車內(nèi)外溫度數(shù)據(jù)，并在車內(nèi)進行顯示，當(dāng)空調(diào)系統(tǒng)被開啟，并調(diào)節(jié)到指定溫度時，車內(nèi)的溫度傳感器會將車內(nèi)的實時溫度數(shù)據(jù)以電信號的形式提供給空調(diào)控制器，由控制器自動執(zhí)行溫度調(diào)節(jié)方案?？刂破鲿刂茐嚎s機開始工作，同時各風(fēng)門開啟，并通過風(fēng)機調(diào)速裝置提供駕駛者所需的適合風(fēng)量，以滿足制冷系統(tǒng)的控制要求。此外，當(dāng)空調(diào)制冷系統(tǒng)出現(xiàn)異常，系統(tǒng)中的CAN通訊接口還能將空調(diào)系統(tǒng)的故障信號和當(dāng)時的冷卻水溫度數(shù)據(jù)進行上傳，以保證空調(diào)系統(tǒng)的可靠運行[2]。

3 壓縮機制冷系統(tǒng)的設(shè)計要求

3.1 壓縮機制冷控制系統(tǒng)的基本條件要求

空調(diào)控制系統(tǒng)以傳統(tǒng)的手動空調(diào)系統(tǒng)為基礎(chǔ)進行升級設(shè)計，主要提升空調(diào)系統(tǒng)的自動化和智能化程度，研究的方案可用于家用汽車、商用汽車、貨運汽車等須自動控制空調(diào)的平臺。空調(diào)制冷系統(tǒng)能夠應(yīng)對室外復(fù)雜的氣候條件，能解決高溫干燥調(diào)節(jié)、高溫高濕調(diào)節(jié)、空氣質(zhì)量調(diào)節(jié)等問題，主要的使用溫度條件在5～45℃室外環(huán)境下，汽車空調(diào)制冷控制系統(tǒng)的基本條件數(shù)據(jù)如表1所示。

3.2 控制系統(tǒng)需滿足的要求

（1） 具有良好的技術(shù)先進性，選用優(yōu)質(zhì)壓縮機、傳感器等原件，確保產(chǎn)品質(zhì)量，通過實體按鍵操作結(jié)合數(shù)字化屏幕的顯示，保證操作的簡便性和功能的直觀性，通過操作結(jié)果的可視化顯示，提升空調(diào)系統(tǒng)的科技感。

（2） 保證壓縮機制冷控制系統(tǒng)具有良好的可靠性，故障率滿足汽車空調(diào)使用要求，且具備故障警報和檢測功能，保證故障影響最小化。

（3） 保證空調(diào)系統(tǒng)維護的便捷性，維修人員能通過故障碼顯示或數(shù)據(jù)上傳查看等多種形式判定故障問題，提高故障維修效率。

表1 汽車空調(diào)壓縮機制冷控制系統(tǒng)的基本條件數(shù)據(jù)

（4） 控制系統(tǒng)對車內(nèi)溫濕度條件的控制具有足夠的精確度，其中溫濕度控制的誤差范圍在5%以內(nèi)，能夠通過控制壓縮機具備較強的制冷能力，保證車內(nèi)溫度的快速調(diào)節(jié)[3]。

4 制冷控制系統(tǒng)主要部件工作條件確定

控制系統(tǒng)的工作部件必須在合理的條件下工作，才能保證系統(tǒng)的正常穩(wěn)定運行，其中關(guān)鍵工作部件的工作條件數(shù)據(jù)如表2所示。

5 控制系統(tǒng)功能設(shè)計

5.1 按鍵及對應(yīng)功能設(shè)計

（1） 送風(fēng)條件控制按鍵設(shè)計

（a） 送風(fēng)模式按鍵，可調(diào)節(jié)送風(fēng)位置工作情況，例如中部送風(fēng)、底部送風(fēng)、除霧氣等，送風(fēng)狀態(tài)能夠在屏幕上實現(xiàn)顯示；

（b） 循環(huán)模式按鍵，分為內(nèi)循環(huán)、外循環(huán)兩種，用以改變進風(fēng)狀態(tài)；

（c） 風(fēng)力調(diào)節(jié)旋鈕，調(diào)整風(fēng)量大小，改變風(fēng)機轉(zhuǎn)速。

（2） 溫度條件控制按鍵設(shè)計

（a） 溫度設(shè)定旋鈕，通過旋轉(zhuǎn)升高或降低空調(diào)出風(fēng)口溫度，并在顯示設(shè)備上顯示已調(diào)整的溫度數(shù)值，控制器根據(jù)溫度數(shù)值控制調(diào)整壓縮機和風(fēng)門的工作狀態(tài)，達到調(diào)整車內(nèi)溫度的目的；

（b） A/C鍵主要控制壓縮機的工作狀態(tài)，當(dāng)A/C鍵亮起，壓縮機處于工作狀態(tài)，并在顯示屏上出現(xiàn)雪花標(biāo)志。

（3） 其他功能按鍵設(shè)計

（a） AUTO鍵按下后會使空調(diào)自動工作狀態(tài)，當(dāng)傳感器測得車廂內(nèi)部溫度與預(yù)設(shè)溫度差超范圍后，會自動開啟壓縮機啟動制冷模式，以保持車內(nèi)溫度條件；

（b） OFF鍵主要用于關(guān)閉空調(diào)，此外，若空調(diào)存在故障問題，長按OFF鍵5 s以上可檢查故障代碼，明確故障原因[4]。

5.2 控制系統(tǒng)的功能實施

5.2.1 按鍵功能的實施

按鍵是空調(diào)功能的主要控制設(shè)備，是汽車中唯一的輸入設(shè)備，駕駛員通過選擇不同功能的按鍵實現(xiàn)對汽車空調(diào)功能的設(shè)定和調(diào)節(jié)。按鍵操作是向控制器輸入指令并執(zhí)行相關(guān)的設(shè)定，汽車控制系統(tǒng)多利用單片機功能實現(xiàn)，因此多采用靈活、結(jié)構(gòu)簡單非編碼鍵盤形式全盤進行操作，非編碼的形式只通過軟件來識別鍵盤上的閉合鍵，從而完成溫度設(shè)定、風(fēng)量設(shè)定、空調(diào)模式設(shè)定等功能，按鍵操作后，微處理會自動掃描各功能按鍵的狀態(tài)變化，根據(jù)不同的按鍵輸入執(zhí)行對應(yīng)的空調(diào)設(shè)定程序，從而實現(xiàn)按鍵控制空調(diào)的功能。

5.2.2 壓縮機功能控制

常規(guī)車用空調(diào)壓縮機的電磁離合器工作電壓為24 V，工作電流在3 A左右，因電流較大，因此選用適應(yīng)性能更好的DC-SSR固態(tài)繼電器作為驅(qū)動驅(qū)動開關(guān)控制裝置。固態(tài)繼電器屬于無觸點開關(guān)器件，能夠?qū)崿F(xiàn)通過較小信號控制大功率負(fù)載的功能要求。且固態(tài)繼電器的吸合與釋放時間僅需1 ms即可完成，且具有抗干擾能力強、可靠性高、穩(wěn)定性好、輸出輸入完全隔離等諸多優(yōu)點?？刂葡到y(tǒng)利用單片機的I/O接口控制繼電器的開關(guān)，達到對壓縮機啟動狀態(tài)的控制，為減輕負(fù)載啟停時產(chǎn)生的瞬間感應(yīng)電流沖擊問題，特在負(fù)載A位置并聯(lián)了續(xù)流二極管（圖2），以提升系統(tǒng)的可靠性。

表2 主要部件工作條件數(shù)據(jù)

5.2.3 溫度功能控制

溫度數(shù)據(jù)的獲取是溫度控制功能實現(xiàn)的基礎(chǔ)，溫度采集元件先進性和配套技術(shù)決定了溫度控制的精確度。在空調(diào)控制系統(tǒng)中，常用來測量溫度的元器件主要包括：半導(dǎo)體熱敏元件、熱電偶、金屬熱電阻等，現(xiàn)階段使用較多的為半導(dǎo)體熱敏元件，半導(dǎo)體熱敏元件又分為NTC熱敏元件和PTC熱敏元件兩類，本方案主張采用NTC熱敏元件作為傳感器主要技術(shù)元件，在應(yīng)用過程中，根據(jù)電阻變化情況，得到溫度采集電路輸出電壓范圍在4.46～0.14 V范圍之間，輸出電壓經(jīng)過濾波后通過ADC接口傳遞給處理器進行分析，進而進行溫度調(diào)節(jié)控制[5]。

圖2 續(xù)流二極管穩(wěn)定負(fù)載示意圖

圖3 控制風(fēng)門開度與溫度關(guān)系圖

空調(diào)溫度的預(yù)設(shè)值為18～29 ℃，其中18 ℃為最低溫度，29 ℃為最高溫度，正常情況下，空調(diào)的自動控制溫度在此區(qū)間內(nèi)，控制系統(tǒng)會根據(jù)駕乘人員設(shè)置的溫度對比實際室內(nèi)溫度自動調(diào)整風(fēng)門開度（圖3） 和壓縮機的工作狀態(tài)，達到改變室內(nèi)溫度的功能。當(dāng)駕乘人員將空調(diào)溫度調(diào)至18 ℃以下時，系統(tǒng)會自動調(diào)整為最低制冷工作模式，此時溫度風(fēng)門完全關(guān)閉，空調(diào)面板顯示為LO狀態(tài)；當(dāng)駕乘人員將空調(diào)溫度調(diào)至30 ℃以上時，系統(tǒng)會自動調(diào)整為制熱工作模式，循環(huán)風(fēng)會經(jīng)過暖水箱，空調(diào)面板顯示為HI狀態(tài)。

5.2.4 循環(huán)模式與風(fēng)擋除霧控制

循環(huán)模式的改變通過循環(huán)風(fēng)門的開關(guān)實現(xiàn)控制，當(dāng)駕駛員選擇外循環(huán)狀態(tài)，循環(huán)風(fēng)門關(guān)閉；當(dāng)駕駛員選擇內(nèi)循環(huán)狀態(tài)，循環(huán)風(fēng)門開啟。所選用的模式會通過屏幕進行顯示。風(fēng)擋除霧功能用來去除前風(fēng)擋霧氣造成的視線干擾，當(dāng)駕駛員開啟此功能，循環(huán)模式將切換為外循環(huán)，風(fēng)機風(fēng)力自動調(diào)整為7級，同時其他出風(fēng)口關(guān)閉，顯示屏顯示除霜圖標(biāo)，此功能可通過手動模式降低除霧風(fēng)力。

6 結(jié)語

總之，在汽車空調(diào)壓縮機制冷技術(shù)快速發(fā)展的前提下，壓縮機技術(shù)以及風(fēng)機、風(fēng)門等結(jié)構(gòu)都更容易與傳感器技術(shù)及其他自動化技術(shù)相結(jié)合，從而提高汽車空調(diào)制冷系統(tǒng)的自動化程度，通過合理的控制方案，有利于啟程空調(diào)壓縮機制冷技術(shù)向智能化方向進步，并在最大程度上提高駕乘感受，幫助實現(xiàn)汽車技術(shù)的整體提升。