車載電動(dòng)空調(diào)壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)

蔡婷

摘要：本文介紹了車載電動(dòng)空調(diào)現(xiàn)狀及發(fā)展前景，對(duì)空調(diào)的控制系統(tǒng)及驅(qū)動(dòng)器的電路組成做簡(jiǎn)要介紹，對(duì)關(guān)鍵電路防反接保護(hù)，輸入電壓檢測(cè)及逆變驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)做詳細(xì)介紹，驅(qū)動(dòng)器通過(guò)實(shí)際驗(yàn)證能夠達(dá)到安全可靠穩(wěn)定運(yùn)行。

關(guān)鍵詞：車載空調(diào);驅(qū)動(dòng)器;保護(hù);安全可靠

前言

隨著新能源汽車產(chǎn)業(yè)的興起和人們生活質(zhì)量的提高，人們對(duì)新能源汽車的可靠性、舒適性和節(jié)能環(huán)保等性能提出了更高的要求，而電動(dòng)汽車空調(diào)的好壞是決定乘車舒適性的重要因素之一。電動(dòng)空調(diào)壓縮機(jī)是電動(dòng)空調(diào)系統(tǒng)的重要核心零部件。隨著新能源汽車的產(chǎn)業(yè)化，該產(chǎn)品的需求量會(huì)不斷上升，經(jīng)濟(jì)利潤(rùn)空間大，擁有光明的市場(chǎng)前景。同電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)一樣，電動(dòng)空調(diào)壓縮機(jī)也是用電動(dòng)機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng);為其研究開發(fā)一款性能良好、運(yùn)行平穩(wěn)、工作高效和安全可靠的驅(qū)動(dòng)器控制系統(tǒng)非常重要[1]。

家用及商用空調(diào)市場(chǎng)上驅(qū)動(dòng)控制已經(jīng)相對(duì)成熟，但是對(duì)于車載空調(diào)市場(chǎng)，由于掌握成熟方案的國(guó)內(nèi)大廠家沒有參與及車載空調(diào)用驅(qū)動(dòng)器低電壓大電流的特性，導(dǎo)致仍處在發(fā)展階段，現(xiàn)有市場(chǎng)產(chǎn)品在不斷改進(jìn)和更新[2]。

1 驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

車載壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)器是空調(diào)系統(tǒng)外機(jī)的控制器，是車載空調(diào)整體控制最關(guān)鍵的一部分，以下從車載控制系統(tǒng)，驅(qū)動(dòng)器整體介紹到防反接保護(hù)，電壓檢測(cè)電路設(shè)計(jì)及驅(qū)動(dòng)電路做了詳盡的介紹。

2 車載空調(diào)控制系統(tǒng)

車載空調(diào)的控制系統(tǒng)由直流電源（電池），壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)器，空調(diào)控制器組成，空調(diào)控制器控制車內(nèi)出風(fēng)角度，蒸發(fā)器風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，設(shè)定溫度及顯示，進(jìn)行溫度判斷從而給出驅(qū)動(dòng)器壓縮機(jī)及冷凝器風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速信息等;壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)器包含壓縮機(jī)的變頻驅(qū)動(dòng)模塊及冷凝器風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速驅(qū)動(dòng)調(diào)速模塊，環(huán)境溫度檢測(cè)及壓縮機(jī)排氣溫度檢測(cè)[3]。車載空調(diào)控制系統(tǒng)如圖一所示：

3 驅(qū)動(dòng)器整體介紹

驅(qū)動(dòng)器最主要的部分就是逆變驅(qū)動(dòng)電路，壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)的核心電路。除此之外，還包含單片機(jī)最小系統(tǒng)，輸入電源檢測(cè)電路（經(jīng)過(guò)檢測(cè)判定是否進(jìn)行過(guò)壓保護(hù)及欠壓保護(hù)），防反接保護(hù)電路（防止輸入電源線的正負(fù)極接反損傷驅(qū)動(dòng)器），過(guò)流保護(hù)電路（過(guò)載等異常情況下對(duì)驅(qū)動(dòng)器降頻或保護(hù)停機(jī)），定子電流檢測(cè)電路（保證可靠穩(wěn)定運(yùn)行），環(huán)境溫度檢測(cè)（用于溫度控制邏輯）及排氣溫度檢測(cè)電路（用于壓縮機(jī)保護(hù)），通信電路（與空調(diào)控制器通信，接收運(yùn)行轉(zhuǎn)速及啟停機(jī)信號(hào)，向內(nèi)機(jī)發(fā)送報(bào)警故障信號(hào)）。

4 防反接保護(hù)電路設(shè)計(jì)

車載空調(diào)使用的電源是直流24V電池，由于在安裝時(shí)接線反向不能實(shí)現(xiàn)功能還可能損壞電路，因此輸入電源防反接保護(hù)是很有必要的。因?yàn)檫_(dá)到需求冷量的情況下功率較高，電流較大，因此設(shè)計(jì)中要考慮壓降及功耗問題。MOS管型防反接保護(hù)電路利用了MOS管的開關(guān)特性，控制電路的導(dǎo)通和斷開來(lái)設(shè)計(jì)防反接保護(hù)電路，由于功率MOS管的內(nèi)阻很小，現(xiàn)在 MOSFET Rds（on）已經(jīng)能夠做到毫歐級(jí)，解決了現(xiàn)有采用二極管電源防反接方案存在的壓降和功耗過(guò)大的問題。

N溝道MOS管通過(guò)S管腳和D管腳串接于電源和負(fù)載之間，電阻R1為MOS管提供電壓偏置，利用MOS管的開關(guān)特性控制電路的導(dǎo)通和斷開，從而防止電源反接給負(fù)載帶來(lái)?yè)p壞。正接時(shí)候，R1提供VGS電壓，MOS飽和導(dǎo)通。反接的時(shí)候MOS不能導(dǎo)通，所以起到防反接作用。D1為穩(wěn)壓管防止柵源電壓過(guò)高擊穿mos管。

5 電壓檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

由于車載空調(diào)用的電池不是穩(wěn)壓電源，電壓會(huì)有高于24V的波動(dòng)，隨著電池的消耗，電壓也會(huì)降低，因此為了保證驅(qū)動(dòng)器可以穩(wěn)定可靠地輸出，監(jiān)測(cè)電池的電壓很有必要，在電壓過(guò)高或者電壓很低的時(shí)候都要進(jìn)行驅(qū)動(dòng)器停止輸出保護(hù)，待電壓在可靠范圍內(nèi)再次啟動(dòng)。在空調(diào)系統(tǒng)的控制中一般在電壓幾次檢測(cè)過(guò)高或者過(guò)低后才會(huì)進(jìn)行故障鎖定，只有當(dāng)故障進(jìn)行軟件清除或重新上電后才能正常工作。在高低壓保護(hù)中要考慮到電池的特性及電源到驅(qū)動(dòng)器的壓降，從而設(shè)定合適的保護(hù)電壓值。驅(qū)動(dòng)器的輸入電壓監(jiān)測(cè)電路如圖三所示，電阻和電容組成低通濾波器。

6 逆變驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

車載空調(diào)的驅(qū)動(dòng)器最核心的就是逆變驅(qū)動(dòng)電路，為了達(dá)到要求的冷量，壓縮機(jī)功率需求較高，在低電源電壓的情況下運(yùn)行電流會(huì)很大，一般電流在30A左右，過(guò)載情況下電流能夠達(dá)到45A左右。為了滿足驅(qū)動(dòng)器在大電流下安全可靠的運(yùn)行，逆變驅(qū)動(dòng)電路采用大電流的MOS管并聯(lián)驅(qū)動(dòng)，解決了過(guò)載情況大電流容易引起器件擊穿或發(fā)熱嚴(yán)重的問題。同時(shí)在設(shè)計(jì)中，MOS管處加溫度傳感器，當(dāng)MOS管在環(huán)境溫度較高、負(fù)荷較大電流較大導(dǎo)致溫升過(guò)高時(shí)進(jìn)行保護(hù)。溫度保護(hù)分為過(guò)溫告警及過(guò)溫保護(hù)，當(dāng)達(dá)到過(guò)溫告警條件時(shí)，首先進(jìn)行降頻處理以降低電流，減小溫升，當(dāng)溫度持續(xù)升高或者直接出現(xiàn)過(guò)大溫升則直接進(jìn)行過(guò)溫保護(hù)，停止壓縮機(jī)輸出，直到MOS管溫度達(dá)到恢復(fù)啟動(dòng)溫度值重新啟動(dòng)。

在實(shí)際PCB布板時(shí)，也要考慮大電流的安全可靠運(yùn)行，采用大面積鋪銅并加銅條，保證了逆變驅(qū)動(dòng)器在大電流下的發(fā)熱不會(huì)過(guò)高，也減小了驅(qū)動(dòng)器的面積。

7 結(jié)論

車載電動(dòng)空調(diào)壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)器最大的特點(diǎn)是，相較于家用空調(diào)驅(qū)動(dòng)器而言電源電壓低，電流較大。為了驅(qū)動(dòng)器能夠安全可靠的運(yùn)行，不僅要驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行，還需要齊全的保護(hù)考慮，如防反接保護(hù)，排氣溫度檢測(cè)及通過(guò)輸入電源電壓檢測(cè)進(jìn)行過(guò)壓及欠壓保護(hù)，為了驅(qū)動(dòng)器防止在運(yùn)行中出現(xiàn)誤動(dòng)作及頻繁的關(guān)停機(jī)，還進(jìn)行完善的告警及保護(hù)邏輯，通過(guò)以上設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)對(duì)驅(qū)動(dòng)器的功能要求，經(jīng)過(guò)實(shí)際驗(yàn)證滿足使用需求。

參考文獻(xiàn)

[1] 孫云，楊學(xué)平，蔣超宇，薛秀麗，新能源汽車電動(dòng)空調(diào)壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)研究，[J]，新技術(shù)新工藝，2017

[2] 李娜，駐車空調(diào)發(fā)展現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)，[J]科學(xué)與技術(shù)，2018.11

[3] 曹愛強(qiáng)，新能源汽車電動(dòng)空調(diào)控制系統(tǒng)及其實(shí)現(xiàn)研究[D].上海同濟(jì)大學(xué)，2008