新能源汽车热泵控制系统中空调运行控制的实现及优势

aizixun8

摘要：新能源汽车是未来发展趋势。随着新能源汽车的发展，空调系统也发生了很大的变化。本文介绍了新能源热泵控制系统中空调运行控制的实现，详细介绍了基于飞思卡尔单片机设计的系统中热泵控制器的控制原理和方案。该系统已在改装车上成功运行，并经过一系列验证。

随着汽车技术的不断提高，一些新型的空调系统也应运而生。然而，能够实现节能高效供暖和制冷的空调系统并不多。其中，热泵空调系统具有诸多优点。在加热方面，具有PTC电加热无法比拟的高效率特点。新能源汽车空调系统的工作原理与传统燃油汽车空调系统相同，但空调压缩机的驱动方式和产生暖风的方式不同。新能源汽车空调系统的电动压缩机由高压电驱动。电动空调压缩机将来自蒸发器的低压低温蒸汽压缩并加压至冷凝器，使制冷剂在系统周围循环。

国外热泵技术已具备一定的工业应用基础。宝马、日产等量产电动汽车都配备了热泵空调系统。国内电动汽车热泵空调系统的研发尚处于起步阶段。

1 热泵空调温度控制原理

其实，热泵空调的原理并不复杂。它只能传递热量，无论制冷还是制热。

给汽车制冷时，电动压缩机将高温低压的制冷剂压缩成高温高压的液体。液体通过阀门的控制流向车外的热交换器。由于车外温度较低，制冷剂冷却后成为低温高压液体。液体经过膨胀阀后，制冷剂膨胀成低温低压液珠流入车内热交换器，使车内气体温度下降。然后制冷剂转化为高温低压气体，然后流向电动压缩机。这样循环就达到了车内的降温效果。

给汽车供暖时，电动压缩机将高温低压的制冷剂压缩成高温高压的液体。制冷剂的流动方向通过阀门切换，流向车内的热交换器。此时，车内温度升高，同时制冷剂冷却，成为低温高压液体。 、制冷剂流经电子膨胀阀后膨胀成低温低压液珠流入车外热交换器；当制冷剂低于车外温度时，制冷剂吸收车外空气的热量，将其转化为高温低压气体，然后流向电动机压缩机。这样循环就达到了车内的供暖效果。

本质上，它是通过多个阀门的联合控制来切换制冷剂的流向，使冷凝器和蒸发器的角色不断互换。同时配合电动压缩机实现制冷、制热效果。以上功能是由热泵空调控制器实现的。具体系统原理如图1所示：

图1 系统框图

2 部分传感器和执行器选择 2.1 电磁阀 SOV

图2 电磁阀

电磁阀是利用电流通过线圈产生的电磁吸力使内部芯铁上下移动，控制阀门开度来控制介质流量的执行机构。

热泵控制系统选用的电磁阀电压变化范围为DC9V-16V，额定电压12V，额定工作电流0.8A，额定功率10W，介质流向为单向，适用制冷剂为R134a，最高工作压力3.6Mpa。负载类型为感性负载。它由两个引脚组成，不分正负，只有一个引脚接地，一个引脚为高低电平引脚。内部电路如图3所示：

图3 内部原理

2.2 电子膨胀阀EXV

图 4 电子膨胀阀 EXV

电动汽车空调系统中的热力膨胀阀将逐渐被电子膨胀阀取代。使用电子膨胀阀可以更准确地控制过热度，达到节能效果。为此热泵控制系统选择的电子膨胀阀是 LIN 控制的。额定电压12V，工作电压9V~16V，额定电流小于0.35A，驱动频率30-。膨胀阀开度根据脉冲数变化。当脉冲数为0时，膨胀阀全关。当脉冲数为480时，膨胀阀全关。开式，适用于制冷剂R134a、R410A等，介质流动方向为双向流。具体通信协议如图：

图5 LIN协议控制

2.3 PT传感器

图6 PT传感器

压力和温度传感器可实现一个传感器同时测量同一点的制冷剂压力和温度，为客户节省线束和阀座安装，及时快速响应，保护压缩机，提高空气效率空调系统。热泵控制系统选用的PT传感器工作压力为0-4.6MPaG。工作介质：R134a、R410a。工作温度：-30 至 130°C。压力精度：2%Vcc，温度精度：0.8-1.8℃。其工作原理如图所示：

图7 Pt传感器内部电路

热敏电阻的阻值随着温度的变化而变化。电路上，NTC的阻值是通过外接电阻串联并分压计算得出的。

图8 电阻-温度曲线

3 硬件电路设计 3.1 主控芯片

图9 单片机

目前市场上的微控制器种类很多，但在能够满足汽车要求的微控制器中，飞思卡尔微控制器具有指令集精简、运行速度快、芯片实时性能好、IO负载能力强、可靠性强。飞思卡尔微控制器是经过一系列优化的MCU。其优点是成本低、功耗低、功能集成度高、PIN脚少、复用性高。 Flash、三通道SCI、SPI、八通道PWM、十二通道10bit ADC、看门狗定时器，可有效防止电压波动、EMC、意外软硬件故障引起的死机。片内还有二极管保护电路，可以远程使用。远远满足不了产品的需求。

3.2 步进电机驱动电路

图10 步进电机驱动

控制风门的步进电机是四相步进电机。驱动芯片采用ST的L9826芯片。该芯片是一款专用于汽车领域的八路低边驱动芯片。它有一个片选引脚NCS和一个复位引脚NRES。通过SPI控制8路输出，其中CLK为时钟引脚。 ，SDO是数据输出，SDI是数据输入。此外，该芯片的输出电流能力可达450Ma，并具有过压、欠压、负载短路、过热等保护，完全可以满足步进电机的驱动能力要求。由于模式风门、混合风门、内外循环风门使用三个步进电机，因此本控制器使用两颗L9826芯片。

3.3 SOV阀驱动电路

图11 SOV阀驱动电路

英飞凌是首款智能四通道低侧开关，能够在 12V 系统中提供高达 5A 的直流电流。这可以驱动各种负载，例如高精度端口喷油器、高能阀门或大电流继电器。在市场同类产品中，驱动电流更大，负载能力更强，而且封装面积很小，大大减少了布局面积。在功能上，它配备了用于控制和诊断的 16 位串行外设接口 (SPI)，并通过有源钳位电路增强了所有通道的过流/过热保护，以驱动感性负载。可通过 SPI 检测负载状态：接地短路 (SCG)、负载开路 (OL) 和电池短路 (SCB)。四个输入引脚可用于直接控制开关。同时，其安全功能包括额外的输出使能引脚、SPI 通信看门狗和 SPI 输出状态信息。这使得该产品非常适合汽车和工业应用中的安全关键型应用。

3.4 CAN总线驱动程序

图12 CAN总线电路

控制器的CAN通信采用NXP 的芯片。该芯片专为汽车行业的高速CAN通信而设计。是汽车行业比较常见的芯片，成熟度较高。子芯片传输速率可达/S，具有更强的抗静电能力，完全符合标准。该电路一方面可以控制Can式压缩机，另一方面也可以与整车进行通信。还可应用于开机自检、故障反馈等。

3.5 EXV通讯Lin总线驱动程序

图13 Lin总线电路

由于电子膨胀阀采用LIN通讯进行控制，因此控制器中设计了LIN通讯电路。该电路是常见的LIN通信电路。二极管和电容有效地起到滤波和降噪的作用。 NXP公司的LIN2.0/SAE J2602收发器在芯片内部集成了ESD保护电路，可以有效防止静电，并且与LIN2.0/SAE J2602收发器兼容。满足要求。该芯片也是常见的LIN通信芯片。它是本地互联网 (LIN) 主/从协议控制器与 LIN 物理总线之间的接口，广泛应用于汽车 LIN 通信。

3.6 鼓风机驱动电路

图14 鼓风机驱动电路

在新能源热泵空调系统中，仍然需要使用鼓风机，这与传统空调没有什么区别，因此采用了传统空调中鼓风机的控制电路。原理是一样的。输出的PWM信号可以通过积分电路和运算放大器来调节鼓风机的速度。通过改变PWM信号的占空比，改变鼓风机的端电压，从而实现鼓风机的调速功能。

3.7 Pt传感器采集电路

图15 PT传感器采集电路

该电路是典型的ADC采集电路。添加RC以提高抗干扰能力。通过该电路收集六个 PT 传感器。实时采集制冷剂的温度和压力，监控热泵空调的工作状态。该单片机的AD采集位数非常准确，完全可以满足用户的要求。

4 软件设计 4.1 程序编译平台

控制器的软件编程部分在IDE平台上实现，利用该平台自动生成软件功能PE来完成底层驱动代码的自动生成，省去繁琐的寄存器配置。只需要调用生成的函数。例如ADC驱动器、PWM驱动器、CAN总线和LIN总线、SPI、SCI等都可以通过PE直接生成配置好寄存器的封装函数，减少开发时间，提高研发效率。

4.2 系统软件设计

该新能源热泵空调控制器软件采用C语言进行编程。软件可读性很强，方便后期维护和升级。程序主要包括初始化、传感器检测与采集、自动控制计算、风量控制、各种风门控制、压缩机控制等，主程序任务调度如图16所示：

图16 任务调度图

系统开机后，首先对系统进行初始化，对单片机IO口、AD模块、SPI、定时器、CAN、LIN等进行初始化和设置。然后，采用时间片调度方法来调度任务。高优先级的任务首先执行。每10ms收集一次电池电压和发动机状态，并接受从LIN总线或CAN总线发送的信息。每50ms完成一次控制逻辑判断，执行相应的执行器、鼓风机、冷凝风机、压缩机等。控制器每100ms通过CAN总线或Lin总线向车辆或其他控制器发送状态信息。

在这个过程中，主程序会添加一个看门狗清除程序，每隔一段时间就会用看门狗来清除它。一旦没有被清零并且看门狗溢出，就会发送复位消息，单片机就会产生复位。 。

5 硬件PCB

使用ORCAD完成原理图设计，使用ORCAD完成PCB布局和布线。布局合理、合规，尽量避免信号之间的串扰。同时，它采用4层板设计，更好地减少电磁辐射，抵抗外界电磁干扰。对于大电流，应使用尽可能宽的线路，电源部分采用敷铜连接。整个接线效果如图17所示：

图17

6 上位机软件控制与监控

使用过程中建立的仿真模型也可以看作是操作控制器的上位机。它是中国的可视化仿真工具，基于框图的设计环境，动态系统建模、仿真和分析的软件包。它广泛应用于线性系统、非线性系统、数字控制和数字信号处理等领域。在建模和仿真方面。该软件的优点是可以非常快速地构建模型，而无需编写大量程序。相反，可以通过简单直观的鼠标操作来构建复杂的系统。通过串口向控制器发送指令，控制控制器工作。搭建好的上位机如图18所示：

图18 上位机界面

如图19和图20所示，可以清晰地观察到压力和温度传感器采集的数值。根据压力和温度传感器采集到的数值显示，非常容易判断此时整个热泵空调系统的工作状态以及是否正常工作。

图19 温度采集

图 20 压力采集

7 总结

控制器采用飞思卡尔16位单片机作为MCU，硬件严格通过了第三方EMC实验室测试。软件方面，采用时间片调度，使代码干净易读，易于维护，且不同任务之间不存在冲突，实时性高，负载率低。目前该控制机已在多家整车厂家使用，可在各种工况下正常工作，可靠性高。受到了客户的广泛好评。