電動汽車用電動壓縮機控制策略研究

岳偉濤 梁小俏 羅林國

摘要：針對電動汽車用電動壓縮機，從電動壓縮機控制原理、軟件保護策略及與整車交互方面進行分析與研究。研究結論可幫助讀者在一定程度上理解電動壓縮機控制邏輯，為汽車工程師在電動壓縮機開發(fā)設計提供一定幫助，同時對電動壓縮機售后維修具有一定指導意義。

關鍵詞：電動汽車;電動壓縮機;硬件設計;軟件保護策略;整車交互

中圖分類號：U469.72 收稿日期：2022-02-23

DOI： 10.19999/j.cnki.1004-0226.2022.04.004

1 前言

近年來，隨著電動汽車產業(yè)的興起，人們對電動汽車的舒適性、可靠性和節(jié)能環(huán)保等提出了更高的要求，而電動汽車空調系統(tǒng)性能的好壞直接影響乘客舒適性[1-2]。電動汽車空調系統(tǒng)與傳統(tǒng)燃油車空調系統(tǒng)的主要區(qū)別在于空調系統(tǒng)的動力源壓縮機的變化，故壓縮機的工作原理也發(fā)生了變化，由傳統(tǒng)燃油車的機械壓縮機變成了電動車的電動壓縮機。

電動壓縮機與機械壓縮機的機械部分差異不大，常見的結構有活塞式和渦旋式。兩者主要差異在于電動壓縮機的電驅部分[3]，目前業(yè)內對電動壓縮機的機械部分研究很多[4-5]，但對電動壓縮機的控制器的設計與研究并不多見。

本文從電動壓縮機控制原理、軟件保護策略及與整車交互方面進行分析與研究，為電動汽車電動壓縮機的設計、開發(fā)及售后維修提供一定參考。

2 控制原理設計簡介

典型的電動壓縮機控制器控制原理如圖1所示，電動壓縮機控制器硬件部分可分為高壓供電部分、低壓控制部分及高低壓互鎖回路組成，當壓縮機收到低壓控制信號后，IGBT導通高壓供電，驅動電機帶動壓縮機工作。

2.1 高壓供電部分

高壓供電部分包括高壓接插件、高壓濾波電路及IGBT。其中高壓接插件與整車線束連接，接插件底座為金屬材質，通過螺栓與壓縮機殼體導通，當接插件連接處漏電發(fā)生時，電流可以通過壓縮機殼體傳導到整車，再通過整車接地傳到大地。

高壓濾波電路一般有多個濾波電容并聯組成，目的主要有兩個：一是濾除母線電壓的異常波動，使其輸入給壓縮機的電壓是穩(wěn)定的，避免大的電壓波動導致壓縮機損壞;二是吸收壓縮機自身由于功率變化產生的紋波電壓，防止壓縮機產生的紋波對整車及其它高壓件的影響。

IGBT是空調控制器中很重要的一個元器件，一般電動壓縮機由6個IGBT組成，其作用是通過IGBT的通斷來導通高壓電路，以此驅動電機壓縮機開始工作。由于IGBT會接通高壓且會頻繁吸合，其工作環(huán)境在整個控制器中最惡劣.IGBT常見的損壞模式有過流、過壓和過熱，為了保證IGBT在合適的溫度范圍內工作，一般電動壓縮機控制器會加入很多的保護邏輯。

2.2 低壓控制部分

低壓控制部分包括低壓接插件、濾波電路、DC-DC轉換器、LIN/CAN通信回路、采樣電路及ECU。其中低壓接插件與整車線束連接，為壓縮機控制器提供低壓電和LIN/CAN信號通信。

濾波電路主要是為了保證低壓輸入電壓的穩(wěn)定。DC-DC轉換器的目的是把12 V電轉換為不同的電壓，為不同的用電器提供電源，例如lGBT驅動電路一般需要15 V穩(wěn)壓電源，采樣電路一般需要3.5 V穩(wěn)壓電源，LIN/CAN隔離和睡眠需要SV供電[6]。LIN/CAN通信為壓縮機與整車交互的通道，整車通過LIN/CAN通信給壓縮機下發(fā)各種指令，同時壓縮機把自己的實際狀態(tài)通過LIN/CAN反饋給整車判斷壓縮機的運行情況。采樣電路作用于檢測壓縮機工作的電壓、電流溫度以及硬件保護回路。

ECU為電動壓縮機控制器信號交互和收發(fā)的核心，ECU接收整車LIN/CAN信號，同時采集自身電壓、電流、溫度及各采樣電路反饋的狀態(tài)來判定壓縮機是否滿足啟動狀態(tài)，若滿足啟動條件，ECU發(fā)送啟動信號給IGBT驅動芯片，驅動IGBT通斷來啟動壓縮機電機。同時，ECU-直監(jiān)控各元器件的工作狀態(tài)，如有異常立刻停止壓縮機運行并把故障模式反饋給整車。

2.3 高低壓互鎖回路

高低壓互鎖回路的目的是防止電動壓縮機接插件未接或接觸不良導致漏電而涉及人身安全的情況，其原理是通過一個低壓線回路保證整車所有的高壓和低壓電器回路正常工作，只有當所有的接插件都接插到位時，各高壓部件才能正常通信工作，當檢測到互鎖回路電流超過正常值時，整車會報互鎖回路故障，此時整車無法上高壓電。

3 軟件保護策略

基于電動壓縮機常見的失效模式介紹電動壓縮機的保護策略，所有保護策略的目的是為了保護壓縮機在工作異常時能及時降低運行功率或關機以及保護壓縮機受到更加嚴重的損壞。電動壓縮機的保護策略主要包括LIN/CAN通信保護、溫度保護、過流保護、過壓保護及低溫預熱。

3.1

LIN/CAN通信保護

LIN/CAN通信保護是指當壓縮機與整車通信出現位錯誤、PID錯誤、無應答錯誤、幀錯誤、物理總線錯誤等時，當壓縮機ECU檢測到任一錯誤時間大于一定時間，壓縮機立刻停止工作。當通信恢復正常后，壓縮機恢復正常工作。

3.2 過溫保護

過溫保護是指當壓縮機控制器檢測到IGBT溫度值過高或過低時（超過設定溫度值），控制器及時上報IGBT溫度故障，此時壓縮機停機響應。當溫度恢復到設定溫度以下且停機時間大于設定時間后，壓縮機重新響應整車需求。該保護的目的是為了避免IGBT在超過其溫度區(qū)間工作而導致損壞。

為了避免溫度傳感器故障而無法檢測IGBT溫度，一般控制器內部會同時布置兩個溫度傳感器。ECU以實測較高的溫度傳感器值為判定溫度，同時兩個溫度傳感器溫度值會進行實時比較，當兩者絕對值差超過設定溫度時，壓縮機會報溫度傳感器合理性故障。

3.3 過流保護02268ECD-DAD8-4907-A172-11582674779C

過流保護目的是為了避免壓縮機內部電器元件由于過流而導致損壞，過流保護包括母線電流和相電流保護。

其中母線電流保護是指限定輸入電流在某一值以內，當超過設定值時壓縮機停機。相電流保護是為了避免IGBT被損壞，對于電動壓縮機，相電流和壓縮機負載有直接關系，負載越大，相電流越大，因此相電流也可作為過載保護的參數。同時，為了更好地保護IGBT，避免其長時間在大電流、高溫下工作，相電流保護會和溫度保護相關聯保護，當IGBT溫度較低時，相電流溫度限值不變，當IGBT溫度較高時，相電流限值隨IGBT溫度線性降低，直到IGBT過溫保護。

3.4 過壓保護

過壓保護是指電壓超過工作范圍而限定壓縮機轉速或停機的保護。過壓保護分為高壓保護、低壓保護。低壓保護又分為12 V電壓保護和15V驅動電壓保護。

高壓保護是為了防止輸入電壓過大導致控制器內部元器件被擊穿而做的保護。同時當輸入電壓過低時，無法滿足壓縮機功率要求，壓縮機限功率工作。目前市場上投放的充電樁充電電壓不太穩(wěn)定，存在瞬時高電壓的情況，故壓縮機過壓保護一般有軟件保護和硬件保護，軟件保護保護ms級瞬時高電壓，而硬件保護可檢測到us級瞬時高電壓，軟件和硬件保護相結合可有效保護壓縮機因高壓而導致的IGBT擊穿。為了防止高壓傳感器失效，一般控制器內部會布置兩個高壓傳感器，壓縮機控制器會定時比較兩個高壓傳感器差值，當差值超過設定值時，壓縮機停機工作。

當控制器檢測到高壓母線電壓波動較大，比如在一個采樣周期內檢測到兩次電壓值差值超過設定值時，壓縮機會降功率運行，當電壓波動恢復到限定值以內，壓縮機恢復目標轉速。

4 整車交互

整車通過LIN/CAN通信驅動壓縮機，一般整車會發(fā)生轉速需求信號、允許功率信號及使能信號，當壓縮機收到整車信號正常時，壓縮機會響應整車需求開始工作，同時壓縮機控制器會實時監(jiān)控自身的工作狀態(tài)，當壓縮機發(fā)現異常時會立刻響應，并把故障信息反饋給整車。圖2為整車與壓縮機的交互示意圖，可以把壓縮機不同的狀態(tài)之間的轉換劃分為以下10種：

轉換一：當壓縮機控制器收到整車工作請求時，控制器由壓縮機關閉狀態(tài)轉到壓縮機驅動狀態(tài)。

轉換二：當環(huán)境溫度低于設定值時，壓縮機開啟預熱功能，預熱完成后，壓縮機狀態(tài)為開啟狀態(tài)。

轉換三：當壓縮機在開啟或限功率狀態(tài)時，壓縮機出故障時，壓縮機狀態(tài)轉到報錯狀態(tài)。

轉換四：當壓縮機停機時，控制器檢測到故障時，壓縮機狀態(tài)轉為報錯狀態(tài)。

轉換五：當壓縮機故障狀態(tài)時，控制器檢測到故障接觸后，壓縮機狀態(tài)轉為停機狀態(tài)。

轉換六：當壓縮機處于工作或限功率狀態(tài)時，控制器收到整車的停機指令時，轉為停機狀態(tài)。

轉換七：當壓縮機處于報錯狀態(tài)，當錯誤解除后，控制器滿足啟動條件時，壓縮機狀態(tài)轉為去驅動狀態(tài)。

轉換八：當壓縮機處于停機或報錯狀態(tài)，當控制器休眠條件時，壓縮機狀態(tài)轉為睡眠狀態(tài)。

轉換九：當壓縮機處于驅動狀態(tài)，當壓縮機被限功率時，壓縮機狀態(tài)轉為限功率狀態(tài)。

轉換十：當壓縮機處于限功率狀態(tài)，當限功率解除后，壓縮機狀態(tài)轉為驅動狀態(tài)。

5 結語

本文從電動汽車用電動壓縮機控制原理、軟件保護策略及與整車交互方面進行分析與研究，闡述了電動壓縮機控制器的設計思路，針對LIN/CAN通信保護、過溫保護、過流保護、過壓保護及低溫預熱進行了詳細描述，同時分析了壓縮機控制器與整車常見的交互策略，希望可以對電動汽車電動壓縮機控制部分的設計、開發(fā)及售后維修提供參考。

參考文獻：

[1]張翔.中國新能源汽車市場分析[J].汽車電器，2014（12）：1-3.

[2]劉穎琦，王萌，王靜宇，中國新能源汽車市場預測研究[J].經濟與管理研究，2016，37（4）：86-91.

[3]黃志添新能源汽車與燃油汽車空調壓縮機結構分析[J].汽車電器，2021（8）：85-88.

[4]劉興旺，李迎福電動渦旋壓縮機油氣分離器升氣管結構類型對分離性能的影響[J]化工機械，2021，48（5）：706-710.

[5]盧軍豪，王景松，徐柏興，等.純電動汽車用渦旋式壓縮機常見故障分析[J]汽車電器，2020（9）：33-34.

[6]李仁慶，沈長海，宋立彬，等，基于dsPIC33EP256MC504的電動汽車空調壓縮機控制器設計研究[J].新能源汽車，2019，9（5）：17-21.

作者簡介：

岳偉濤，男，1989年生，工程師，研究方向為電動壓縮機設計研發(fā)。02268ECD-DAD8-4907-A172-11582674779C