新能源汽車熱泵空調(diào)控制系統(tǒng)設(shè)計實現(xiàn)

楊少柏 李尾 鐘昌 廖星東 張揚清

摘要：新能源汽車是未來發(fā)展趨勢，隨著新能源汽車的發(fā)展，空調(diào)系統(tǒng)也發(fā)生了很大改變。本文介紹新能源熱泵控制系統(tǒng)中空調(diào)運行控制的實現(xiàn)，詳細(xì)描述了系統(tǒng)中基于飛思卡爾單片機(jī)設(shè)計的熱泵控制器控制原理和方案，此系統(tǒng)在改裝車輛上成功運行，且經(jīng)過一系列驗證。

關(guān)鍵詞：熱泵空調(diào);飛思卡爾單片機(jī);控制系統(tǒng)

中圖分類號：U463.85 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1005-2550（2020）04-0062-07

楊少柏

畢業(yè)于華中師范大學(xué)，碩士學(xué)歷?，F(xiàn)就職于東風(fēng)馬勒熱系統(tǒng)有限公司，任產(chǎn)品設(shè)計工程師，主要從事控制器硬件設(shè)計及軟件開發(fā)工作。

隨著汽車技術(shù)水平的不斷提升，一些新型的空調(diào)系統(tǒng)也應(yīng)運而生。但是能夠?qū)崿F(xiàn)節(jié)能高效的制熱和制冷的空調(diào)系統(tǒng)不多，其中熱泵空調(diào)系統(tǒng)有很多優(yōu)點，它在制熱方面具有PTC電加熱無法比擬的高效特性。新能源汽車空調(diào)系統(tǒng)和傳統(tǒng)燃油汽車空調(diào)系統(tǒng)工作原理相同，只是空調(diào)壓縮機(jī)的驅(qū)動方式及暖風(fēng)產(chǎn)生方式有所不同。新能源汽車空調(diào)系統(tǒng)電動壓縮機(jī)通過高壓電驅(qū)動，電動空調(diào)壓縮機(jī)通過壓縮來自蒸發(fā)器的低壓低溫蒸汽，將其加壓到冷凝器，使制冷劑環(huán)繞系統(tǒng)循環(huán)。

國外熱泵技術(shù)具備一定的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用基礎(chǔ)，電動汽車量產(chǎn)車型，如寶馬和日產(chǎn)均配置了熱泵空調(diào)系統(tǒng)。國內(nèi)研發(fā)電動汽車熱泵型空調(diào)系統(tǒng)仍在起步階段。

1熱泵空調(diào)溫控原理

其實熱泵空調(diào)的原理并不復(fù)雜，無論在制冷還是制熱的情況下都只能對熱量進(jìn)行轉(zhuǎn)移。

車內(nèi)制冷時，電動壓縮機(jī)將高溫低壓的冷媒壓縮成高溫高壓的液體，通過閥的控制使液體流向車外換熱器，由于車外溫度相比而言較低，冷媒降溫成為低溫高壓的液體，經(jīng)過膨脹閥后，冷媒膨脹為低溫低壓的液珠流入車內(nèi)換熱器，使車內(nèi)氣體溫度下降。然后冷媒轉(zhuǎn)化為高溫低壓的氣體，再流向電動壓縮機(jī)。如此循環(huán)，達(dá)到車內(nèi)制冷效果。

車內(nèi)制熱時，電動壓縮機(jī)將高溫低壓的冷媒壓縮成高溫高壓的液體，通過閥切換冷媒流向，流向車內(nèi)熱交換器，這時車內(nèi)溫度因此升高，同時冷媒降溫成為低溫高壓的液體，流經(jīng)電子膨脹閥后，冷媒膨脹為低溫低壓的液珠流向車外換熱器內(nèi);而冷媒比車外溫度低，冷媒吸收車外氣體的熱量，轉(zhuǎn)化為高溫低壓的氣體，再流向電動壓縮機(jī)。如此循環(huán)，達(dá)到車內(nèi)制熱效果。

本質(zhì)上是通過多個閥的組合控制，切換冷媒的流動方向，使冷凝器和蒸發(fā)器的角色不斷的互換，同時配合電動壓縮機(jī)從而達(dá)到制冷制熱的效果。以上功能的實現(xiàn)由熱泵空調(diào)控制器實現(xiàn)。具體系統(tǒng)原理見圖1：

2部分傳感器及執(zhí)行器選型

2.1電磁閥SOV

電磁閥是一種由電流經(jīng)過線圈產(chǎn)生的電磁吸力來使內(nèi)部芯鐵上下移動，控制閥的打開來控制介質(zhì)流通的執(zhí)行器件。

該熱泵控制系統(tǒng)所選用的這款電磁閥電壓變化范圍為DC9V-16V，額定電壓12V，工作電流額定0.8A，額定功率10W，介質(zhì)的流動方向為單向，適用的制冷劑R134a，最大工作壓力為3.6Mpa。負(fù)載類型為感性負(fù)載。有兩pin腳組成，不分正負(fù)，只需一個引腳接地，一個引腳高低電平引腳。內(nèi)部電路如圖3：

2.2電子膨脹閥EXV

熱力膨脹閥在電動車空調(diào)系統(tǒng)中將逐步由電子膨脹閥替代。采用電子膨脹閥可以更為精確地控制過熱度，已達(dá)到節(jié)能效果。該熱泵控制系統(tǒng)選用的電子膨脹閥為LIN控制。額定電壓12V，工作電壓9V～16V，額定電流小于0.35A，驅(qū)動頻率30-120PPS，根據(jù)脈沖數(shù)改變膨脹閥開度，當(dāng)脈沖數(shù)為0時膨脹閥全閉，當(dāng)脈沖數(shù)為480時膨脹閥全開，適用制冷劑R134a、R410A等，且介質(zhì)流動方向為雙向流動，具體通信協(xié)議見圖：

2.3 PT傳感器

壓力溫度傳感器可以實現(xiàn)一個傳感器在同一點可以同時測量冷媒壓力和溫度，為客戶節(jié)省對配線束及安裝閥座，適時快速響應(yīng)保護(hù)壓縮機(jī)，提高空調(diào)系統(tǒng)的效率。該熱泵控制系統(tǒng)選用的Prr傳感器工作壓力0-4.6MPaG。工作介質(zhì)：R134a、R410a、R1234yf。工作溫度：-30到130～C。壓力精度：2%Vcc，溫度精度：0.8-1.8℃。其工作原理如圖：熱敏電阻的阻值隨溫度變化而變化，在電路上通過串聯(lián)外接電阻，分壓換算出NTC的阻值。

3硬件電路設(shè)計

3.1主控芯片

當(dāng)前市場上出售的單片機(jī)種類非常多，但是在能夠滿足汽車要求的單片機(jī)中，飛思卡爾單片機(jī)具有精簡指令集、運行速度快，芯片實時性好、10帶負(fù)載能力強(qiáng)、可靠性強(qiáng)的優(yōu)勢，而飛思卡爾單片機(jī)中MC9S12G128是經(jīng)過一系列優(yōu)化后的16bits MCU，其優(yōu)點是成本低，功耗低，功能集成度高，PIN腳少但復(fù)用度高。Flash memory128Kbytes，三路SCI，SPI，八路PWM，十二路10bit ADC，同時具備看門狗定時器，能有效防止電壓波動、EMC、軟硬件意外故障造成的死機(jī)現(xiàn)象，片內(nèi)也有二極管保護(hù)電路，遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)到產(chǎn)品的需要。

3.2步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路

控制風(fēng)門的步進(jìn)電機(jī)為四相步進(jìn)電機(jī)。驅(qū)動芯片選用sT公司的L9826芯片，該芯片是一個八路低側(cè)驅(qū)動芯片專用于汽車領(lǐng)域，有片選引腳NCS和復(fù)位引腳NRES，通過SPI控制八個out的輸出，其中CLK為時鐘引腳，SDO為數(shù)據(jù)輸出，SDI為數(shù)據(jù)輸入。另外該芯片輸出電流能力可以達(dá)450Ma，且具有過壓、欠壓，負(fù)載短路、過熱等保護(hù)，完全可以滿足步進(jìn)電機(jī)對驅(qū)動能力的要求。因為模式風(fēng)門，混合風(fēng)門，內(nèi)外循環(huán)風(fēng)門使用了三個步進(jìn)電機(jī)，所以此控制器使用了兩片L9826芯片。

3.3 SOV閥驅(qū)動電路

英飛凌TL9104SH是首款智能型四通道低側(cè)開關(guān)，在12V系統(tǒng)中電流可高達(dá)直流5A。這就能驅(qū)動各種負(fù)載，例如高精度端口燃油噴射器、高能量閥或大電流繼電器。

在市場上的同類產(chǎn)品中TLE9104SH驅(qū)動電流更大，帶負(fù)載能力更強(qiáng)，且封裝面積非常小，極大縮減布局面積。功能上，它配備了一個16位串行外設(shè)接口（SPI），用于控制和診斷，所有通道都具有過流/過溫保護(hù)功能，通過有源鉗位電路進(jìn)行增強(qiáng)，以驅(qū)動感性負(fù)載?？梢酝ㄟ^SPI進(jìn)行負(fù)載狀態(tài)檢測：對地短路（SCG），開路負(fù)載（OL）和電池短路（SCB）。四個輸入引腳可用于直接控制開關(guān)。同時它的安全功能包括額外的輸出使能引腳、SPI通信看門狗、SPI輸出狀態(tài)信息。這使得該產(chǎn)品成為在汽車和工業(yè)應(yīng)用中實現(xiàn)安全關(guān)鍵的理想選擇。

3.4 CAN總線驅(qū)動

該控制器的CAN通信使用恩智浦半導(dǎo)體公司的TJAl042芯片，這款芯片是專門為汽車行業(yè)高速cAN通信設(shè)計，是一款在汽車行業(yè)內(nèi)比較通用的一款芯片，成熟度高。次芯片傳輸速率能夠達(dá)到1MBITS/S，比TJ1040有更強(qiáng)的抗靜電能力，并且完全符合IS011898標(biāo)準(zhǔn)。該電路一方面可以控制Can類型的壓縮機(jī)，另一方面也可以與整車進(jìn)行通信，同時在上電自檢、故障反饋等方面也可以應(yīng)用。

3.5 EXV通信Lin總線驅(qū)動

因為電子膨脹閥的控制是使用LIN通信控制，所以在該控制器中設(shè)計了LIN通信電路，該電路是常見的LIN通信電路，二級管和電容有效的起到濾波去噪的作用，恩智浦公司的TJAl021是LIN2.0/SAE J2602收發(fā)器而在TJAl021芯片的內(nèi)部集成了ESD保護(hù)電路，能夠有效的起到防靜電的作用，同時TJAl021與TJAl020是兼容的，波特率從從1 kBd到20 kBd，能夠滿足要求。這款芯片也是常見的LIN通信芯片，它在本地互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)（L1N）主/從協(xié)議控制器和LIN中物理總線間進(jìn)行接口，廣泛的運用在汽車LIN通信中。

3.6鼓風(fēng)機(jī)驅(qū)動電路

新能源熱泵空調(diào)系統(tǒng)中，仍然需要使用鼓風(fēng)機(jī)，與傳統(tǒng)空調(diào)并沒有區(qū)別，所以沿用了傳統(tǒng)空調(diào)中對鼓風(fēng)機(jī)的控制電路。原理相同，輸出PWM信號經(jīng)過積分電路和運放就可以實現(xiàn)鼓風(fēng)機(jī)調(diào)速，通過改變PWM信號的占空比來改變鼓風(fēng)機(jī)的端電壓，從而實現(xiàn)鼓風(fēng)機(jī)的調(diào)速功能。

3.7Pt傳感器采集電路

該電路為典型的ADC采集電路，加入RC提高抗干擾能力，通過該電路采集六個PT傳感器。實時采集冷媒的溫度和壓力，從而監(jiān)控?zé)岜每照{(diào)的工作狀態(tài)。該單片機(jī)AD采集位數(shù)為10bits，精度非常準(zhǔn)確，完全能夠達(dá)到用戶的要求。

4軟件設(shè)計

4.1程序編譯平臺

該控制器軟件編程部分是在Codewarrior IDE平臺實現(xiàn)，并使用平臺自動生成軟件功能PE，完成底層驅(qū)動代碼自動生成，免除了繁瑣的寄存器配置。只需要對生成的函數(shù)進(jìn)行調(diào)用。例如ADC驅(qū)動，PWM驅(qū)動，CAN總線和LIN總線，SPI，SCI都可以直接通過PE生成已經(jīng)配置好寄存器的封裝函數(shù)，減少開發(fā)時間，提高研發(fā)效率。

4.2系統(tǒng)軟件設(shè)計

此新能源熱泵空調(diào)控制器軟件使用C語言進(jìn)行，編程，軟件可讀性非常強(qiáng)，方便了后期的維護(hù)升級。程序主要包括初始化，傳感器檢測采集，自動控制計算，風(fēng)量控制，各種風(fēng)門的控制，壓縮機(jī)控制等，主程序任務(wù)調(diào)度如圖16：

系統(tǒng)開機(jī)后首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化，對單片機(jī)IO端口，AD模塊，SPI，定時器，CAN，LIN等進(jìn)行初始化設(shè)置，接著使用時間片調(diào)度的方法，對任務(wù)進(jìn)行調(diào)度，優(yōu)先級高的任務(wù)先執(zhí)行，每10ms采集一次電池電壓和發(fā)動機(jī)狀態(tài)，并且接受LIN，總線或者CAN總線發(fā)過來的信息。每50ms完成控制邏輯判斷，執(zhí)行相應(yīng)的執(zhí)行器、鼓風(fēng)機(jī)、冷凝風(fēng)扇、壓縮機(jī)等，每100ms該控制器通過can總線或者Lin總線將狀態(tài)信息發(fā)送給整車或者其他控制器。

在此過程中主程序會加上看門狗清零程序，每隔一段時間就會使用看門狗清零，一旦沒有清零，看門狗溢出，就會發(fā)出復(fù)位信息，單片機(jī)就會產(chǎn)生復(fù)位。

5硬件PCB

使用ORCAD中的Cadence完成原理圖設(shè)計，使用ORCAD中的LLEGRO完成PCB的布局布線，該布局合理合規(guī)，盡量避免信號之間的串?dāng)_。同時使用4層板設(shè)計，更好的減少電磁輻射和抗外界的電磁干擾。對于大電流，能夠走寬線盡量走寬線，電源部分采用鋪銅連接。整個布線效果見圖17：

6上位機(jī)軟件控制及監(jiān)控

使用Matlab中的Simulink建立仿真模型，同時也可以看做上位機(jī)對控制器進(jìn)行操作。Simulink是MATLAB中的一種可視化仿真工具，是一種基于MATLAB的框圖設(shè)計環(huán)境，是實現(xiàn)動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和分析的一個軟件包，被廣泛應(yīng)用于線性系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)、數(shù)字控制及數(shù)字信號處理的建模和仿真中。該軟件的好處是可以非?？斓拇罱Ｐ?，無需大量書寫程序，而只需要通過簡單直觀的鼠標(biāo)操作，就可構(gòu)造出復(fù)雜的系統(tǒng)。通過串口對控制器發(fā)出指令，控制該控制器進(jìn)行工作。搭建的上位機(jī)如圖18所示：

如圖19和圖20可以清晰的觀察到壓力溫度傳感器采集到的數(shù)值。根據(jù)壓力溫度傳感器采集的數(shù)值顯示，非常容易判斷此時整個熱泵空調(diào)系統(tǒng)處在哪種工作狀態(tài)，工作是否正常。

7總結(jié)

控制器使用飛思卡爾16位單片機(jī)作為MCU，硬件方面嚴(yán)格通過了第三方EMC實驗室測試。軟件方面使用時間片調(diào)度的方式使代碼整潔易讀，方便維護(hù)，且不同任務(wù)之間不沖突，實時性高，負(fù)載率低。目前該控制機(jī)已經(jīng)使用在多家整車廠，能夠在各種工況下正常工作，可靠性強(qiáng)。得到客戶的廣泛好評。