基于MAP的汽車空調急加速自動啟停控制器的設計

廣西師范大學教育科學學院　尹本雄廣西河池學院物理與機電工程學院　陸正杰

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基于MAP的汽車空調急加速自動啟停控制器的設計

廣西師范大學教育科學學院尹本雄
廣西河池學院物理與機電工程學院陸正杰

【摘要】該控制器采集汽車進氣歧管壓力傳感器（MAP傳感器）的輸出數據，經過單片機處理，控制汽車壓縮機的斷開與接通，實現了在汽車起步、急加速和爬坡時自動斷開壓縮機負荷，消除了這些情形下空調對動力的影響。由于利用了原車傳感器，故成本低廉、電路簡單。并且斷開壓縮機負荷的延時時長、介入靈敏度可調。經過多種不同車型車主的實際使用，基本不再感受到空調對汽車動力的影響。

【關鍵詞】進氣歧管壓力傳感器（MAP）；汽車空調；單片機；急加速；啟停控制；STC15F204EA

目前國家提倡家庭用小汽車購買節能減排的小排量車型，但小排量車型動力較弱，特別是1.8L以下的自然吸氣發動機。一般情況下，非獨立式空調壓縮機工作以后，汽車動力性能下降10%～15%[1]，在夏天開啟空調制冷后，空調壓縮機占用發動機功率的比例過大。在汽車轉速較低的起步和提速階段，發動機輸出的功率又只有其最大功率的幾分之一，因而起步和提速時空調對動力的影響尤為明顯。

考察常見的解決方案，其中一種方案的原理為當油門踏板踩至90%后，會觸發一個行程開關從而停止空調的工作，這種控制方式的缺點是顯而易見的，小于90%油門深度的急加速它沒辦法觸發。簡單來說，起步和急加速時油門深度不一定超過90%；而油門深度超過90%時也不一定是要提速，比如說在高速上勻速行駛。另一種方案是增設一個壓力開關，用氣管連接至進氣歧管處，當壓力變化到某個閾值時觸發壓力開關，從而斷開壓縮機負載。該方案也有幾個明顯的不足，一是介入靈敏度無法調整；二是壓縮機斷開的延時長度不可調整，可能造成壓力開關在臨界點附近震蕩；三是由于連接氣管長度的原因，從而造成靈敏度和響應滯后時間不理想。也有采用加速度傳感器檢測車輛運動狀態的方案[2]，但安裝復雜、成本較高，并且空調對動力的影響正好表現為車輛的加速度變化跟不上油門，因此通過檢測車輛加速度的變化來控制空調的關閉與開啟，不能很好解決空調對動力的影響，正如該方案的設計目的所述，它主要是解決空調系統根據車輛的狀態來運作，以實現空調的節能。

1　設計原理的分析

現在的汽車基本為電噴系統，它在進氣歧管內設置有一個進氣歧管壓力傳感器（MAP傳感器）。急加速時，進氣歧管里的真空度會出現較大變化，這時MAP傳感器會輸出一個與真空度成反比的電壓信號。利用單片機檢測出這個突變的信號，在急加速時斷開空調電磁離合的供電，延遲一定時間后再恢復供電。也就是說，在轉速提升跟不上油門的時候，進氣歧管里的真空度會突然產生較大的變化，而這種情形正是動力不足的一個表現，多發生在起步、急加速、爬陡坡等重負荷場合。下圖示例了正常加速和急加速時兩種情況下的MAP傳感器波形，可以看到，正常加速時的波形，不管是上升沿的斜率還是波峰幅值，都比急加速時的波形小得多。

圖1　正常加速與急加速時的MAP波形

2　控制器的設計實現

考慮到控制器需要能夠連續調整介入靈敏度和延遲時間，因此需要采用具有兩路以上ADC的單片機，這里選用了STC15F204EA。

延遲時間調整電位器可調整范圍為0～60s，為了簡化用戶對延遲時間的調整，還增加了一組三位的撥碼開關J2，用以實現5s、10s、20s、30s的快速設置。單片機程序設計上主要考慮兩點：一是對進氣壓力傳感器來的信號進行處理，包括濾波、斜率檢測，用以判斷在合適的時機觸發控制器。二是將觸發器設計為可重觸發模式，在延遲期間如果再次滿足觸發條件，則延遲時間順延，以適應連續的急加速情況。

由于正常駕駛過程中，起步和急加速等情形是頻繁存在的，為了延長控制器的壽命和可靠性，沒有采用繼電器，而是使用一個MOS管IRFZ44來實現對壓縮機電磁離合線圈的通斷控制。為了方便駕駛員對壓縮機工作狀態的觀察，設置了一個壓縮機工作狀態指示燈，通過跳線帽的方式外接led2實現。

最后，設置了一個自鎖按鍵開關S，用以實現關閉和開啟該控制器功能作用。

圖2　控制器電路原理圖

3　控制器功能的測試

控制器與外部只有4根連接線，分別是MAP傳感器信號線、壓縮機電磁離合線圈負極線OUT、電源正極線Vcc、地線GND，因此安裝比較簡單。采用原車專用線束插頭做轉接后，用戶將控制器插頭與MAP傳感器、壓縮機插頭直接對插即可完成安裝。根據駕駛員平時偏激烈或者偏溫和的駕駛風格、駕駛習慣，適當調整控制器的介入靈敏度和延遲時間。從具體路試結果來看，該控制器達到了設計目標：①平路上行駛時，平緩起步控制器不介入，快速起步則控制器介入并自動關閉空調，延遲設定時間后再自動恢復。②在較陡的坡上行駛時，控制器會隨之介入。③在路況好的路段測試超車，控制器能夠快速響應駕駛員的超車意圖。

4　結論

通過多名不同車型車主的實際使用，該控制器較好地解決了小排量汽車在開啟空調制冷后對動力影響較大的問題，特別是在起步、急加速、爬坡等重負荷下，控制器能夠快速地響應，釋放空調壓縮機對發動機動力的占用，恢復不開空調時的動力表現。由于空調蒸發器的熱慣性，暫時中斷短時間的壓縮機運轉，并不會影響司乘人員的溫度舒適性感受。另外，汽車制冷系統的設計不同于家用空調，它具備完善的過熱、過壓保護[3]，汽車空調蒸發器上裝有溫度傳感器，低于某一溫度時（比如2℃），則分離壓縮機，高于某一溫度時（比如5℃），則結合壓縮機，因此，汽車空調設計是適于頻繁啟停工作的，不用擔心壓縮機頻繁啟停對制冷系統造成的傷害。綜合來看，這是一種簡單經濟而又有效解決空調對小排量汽車動力影響的方案。

參考文獻

[1]曾壯.基于R134a的汽車空調壓縮機功率消耗估算[J].客車技術,2004(4):13-15.

[2]賀萍.一種新型汽車空調節能控制器的設計[J].電子技術應用,2008(1):51-55.

[3]凌晨.汽車空調系統的組成與原理[J].汽車電器,2009(5).

尹本雄，講師，目前研究方向為嵌入式技術開發、電子技術應用。

The design of the automobile air conditioner controller based on the MAP

Yin Benxiong1Lu Zhengjie2
(1.College of Education Science Guangxi Normal University，Guilin,Guangxi 541004；
2.College of physics and Mechanical & Electrical Engineering Guangxi Hechi Universiry，Hechi Guangxi 546300）

Abstract：By processing of the MAP sensor ‘s output data collected by MCU，The controller can make the compressor is turned on and off ,and eliminate the influence of compressor for car’s power. Due to the use of the original car sensor，the controller has the advantages of low cost，simple circuit. It has a adjustable delay-time and adjustable sensitivity. When drive the car installed the contoller，those driver no longer feel the impact of air conditioner on the vehicle’s power.

Keywords：MAP；automobile air-condition；singlechip；Rapid acceleration；Start-stop control；STC15F204EA

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