基于回差技術的汽車空調制冷系統控制電路的設計

劉 克，關樸芳

(福建船政交通職業學院 機械工程系，福州 350003)

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基于回差技術的汽車空調制冷系統控制電路的設計

劉 克，關樸芳

(福建船政交通職業學院 機械工程系，福州 350003)

各種原因引起的蒸發器溫度波動，造成汽車空調系統的核心部件壓縮機不合理的頻繁啟動和停止，影響了制冷效力。為避免此種情況，有效保障壓縮機正常運行，研究了一種基于回差技術且適合經濟型汽車空調系統使用的控制電路。

回差技術；汽車空調制冷系統；控制電路；壓縮機

汽車空調制冷系統主要由壓縮機、冷凝器、蒸發器等機構組成，制冷方式主要通過壓縮制冷劑來完成。其制冷過程：從壓縮機出來的高溫高壓制冷劑由高壓軟管進入冷凝器，制冷劑大量吸熱而汽化，成為低溫低壓濕蒸汽進入蒸發器，通過熱交換使得蒸發器溫度降低，產生了制冷降溫的效果；汽化了的制冷劑被壓縮機抽吸壓縮，又變成高溫高壓狀態的氣體，通過高壓軟管送至冷凝器，從而完成一個制冷系統的熱力循環。在此循環中，壓縮機扮演著促使制冷劑在制冷系統管路中循環流動、完成氣液兩態轉換而達到制冷目的的重要角色，它是制冷系統的心臟[1]。

1 汽車空調壓縮機的運行機理

經濟型汽車空調制冷系統通常采用的是非獨立式手動空調。所謂非獨立式的空調制冷系統是指壓縮機的驅動動力來自于汽車的發動機。離合器是發動機向壓縮機傳遞動力的關鍵部件，通過控制離合器電磁線圈的得電、失電，實現離合器與發動機的吸合或分離，從而決定壓縮機的運轉或停止[2]。

在手動式汽車空調制冷系統中，當發動機和壓縮機轉速信號正常，且串接于壓縮機電源電路的四個開關——空調器開關(A/C)、鼓風機開關、壓力開關、恒溫開關都處于閉合狀態時，汽車用的空調放大器就有電壓輸出，驅動離合器線圈得電，使發動機帶動壓縮機工作[3]。

2 恒溫開關的作用

恒溫開關(蒸發器的傳感器)感受蒸發器的表面溫度，是溫度控制的開關元件。當蒸發器表面溫度上升到設定值時，開關導通，離合器閉合，壓縮機工作；當蒸發器表面溫度低于設定值時，開關脫開，離合器分離，壓縮機停止工作。

這個傳感器一般采用具有負溫度系數的熱敏電阻[4]，其阻值與蒸發器表面溫度成反比，如表1所示。

表1 熱敏電阻的溫度-阻值變化表

3 問題的提出

壓縮機和離合器的損壞在汽車空調制冷系統故障率中的占比較高[2]，其中一個重要因素是沒有正確選擇好溫控開關的控制方式。

在理想條件下，汽車空調壓縮機在高于溫度控制值(本研究設定為3.5 ℃)時運行，低于溫度控制值時停止，其運行過程如圖1所示。

圖1 理想條件下壓縮機的運行過程

但在實際運行過程中，由于各種因素的干擾，溫度在控制值附近產生波動，壓縮機會發生如下現象：短時間里當溫度在控制值附近上下波動時，離合器的分合就會在極短的時間內發生，造成離合器燒毀、壓縮機產生大的啟動沖擊電流以及電路經歷頻繁的“換路過程”，如此將會縮短離合器和壓縮機的使用壽命、降低電路的抗電磁能力。溫度在控制值附近波動時壓縮機的運行過程如圖2所示。

圖2 溫度波動時壓縮機的運行過程

為此，我們基于回差技術為汽車空調制冷系統設計了一款經濟實用的控制電路來避免上述現象的發生。

4 溫度回差控制設計

4.1 模型分析

設定溫度控制的上閾值(5 ℃)和下閾值(2 ℃)，應用回差控制技術在反饋電路中形成一個溫度回差區域。溫度回差控制傳輸特性如圖3所示。

圖3 溫度回差控制傳輸特性

當蒸發器溫度從低溫區域逐步上升至下閾值時，壓縮機保持原狀態，溫度繼續上升，當達到上閾值時，離合器閉合，壓縮機啟動(如圖3所示實芯箭頭指示的方向)；當蒸發器溫度從高溫區域逐步下降至上閾值時，壓縮機保持原狀態，溫度繼續下降，當達到下閾值時，離合器分離，壓縮機停止(如圖3所示非實芯箭頭指示的方向)。

由于采用了回差溫度區域，這樣實際溫度在原控制值附近發生溫度變化時，不會造成壓縮機在短時間里的頻繁啟動或停止，由此克服了大電流的沖擊，減少了電路的“暫態過程”。回差溫度控制狀態下壓縮機的運行過程如圖4所示。

圖4 回差溫度控制狀態下壓縮機的運行過程

4.2 回差電路的設計與分析

基于回差技術設計的經濟型汽車空調壓縮機的運行控制電路如圖5所示。

圖5 經濟型汽車空調壓縮機運行控制電路

電路各組成部分的功能如下：

(1)INGN+V，D1，C1，ZD1：直流電源。

(2)R1，R2：運算放大器的負輸入端電壓(參考電壓)的采樣電阻。

(3)R3，R9，RT，R6：運算放大器的正輸入端電壓的采樣電阻。其中RT是熱敏電阻，R6是反饋電阻(運算放大器輸出電壓反饋到其正輸入端)。

(4)LM2904：電壓比較器。

(5)BST52：離合器線圈的驅動三極管。

由于反饋電阻的存在，使電路從一個簡單的單限比較方式變為一種具有回差性質的控制電路[5]。

運算放大器的輸入端電壓的計算過程如下。

設定電路供電電壓(INGN+V)為7.5 V，運算放大器的負輸入端電壓U-為固定值：

運算放大器有兩個正輸入端電壓值U+：當運算放大器輸出為H(正向飽和電壓)時，其值為式(1)的計算結果；當運算放大器輸出為L(負向飽和電壓)時，其值為式(2)的計算結果。

(1)

(2)

查看表1在不同溫度時所對應的熱敏電阻值RT和圖5所示的各電阻值，代入式(1)和式(2)中進行計算，結果如表2所示。

表2 運算放大器的輸入端電壓及其比較

從表2中的“計算數據”看：運算放大器的正輸入端電壓值U+為3.8V時，其對應的蒸發器溫度是不同的，它們分別是5 ℃(放大器低電平輸出時)和2 ℃(放大器高電平輸出時)，這樣形成了兩個比較值，即上閾值和下閾值，它們之間有3 ℃的回差值，可以有效控制外部因素對溫度的影響。

5 實驗的結果分析

對電路中運算放大器的正輸入端電壓測試得到表2中的“實驗數據”，將實驗數據“U+”與“U-”進行比較分析：

(1)當運算放大器輸出為L時，U+L都小等于U-，BST52三極管截止，離合器線圈失電，壓縮機不工作；但當蒸發器溫度將從2 ℃繼續回升到5 ℃時，U+L等于U-，運算放大器輸出從L翻轉為H，BST52三極管飽和，離合器線圈得電，壓縮機工作(如圖3中實芯箭頭指示的方向)。

(2)當運算放大器輸出為H時，U+H都大于U-的電壓，BST52三極管飽和，離合器吸合，壓縮機運行；但當蒸發器溫度從5 ℃繼續下降到2 ℃時，U+H等于U-，則運算放大器輸出就會從H翻轉為L，BST52三極管截止，離合器線圈失電，壓縮機停止工作(如圖3中非實芯箭頭指示的方向)。

從2 ℃到5 ℃溫度上升的過程中，運算放大器輸出只能在上閾值點(5 ℃)翻轉(運算放大器輸出從L→H，壓縮機啟動)；從5 ℃到2 ℃溫度下降的過程中，運算放大器輸出只能在下閾值點(2 ℃)翻轉(運算放大器輸出從H→L，壓縮機停止)。此為溫度回差控制過程。因此，回差控制技術的使用解決了由于蒸發器溫度的波動造成的壓縮機急速振蕩，保證了壓縮機的制冷效果以及汽車空調系統的正常運行。

[1] 毛翼，張海煥，張磊.定排量壓縮機節能控制策略[J].汽車工程師，2016(1)：27-30.

[2] 廖鵬程.汽車空調壓縮機用電磁離合器動態特性試驗臺的設計[J].西南師范大學學報：自然科學版，2014，35(2)：190-196.

[3] 張建峰.淺談汽車空調的電路控制技術[J].科技創新導報，2010(32)：96.

[4] 三浦宏文.機電一體化實用手冊[M].北京：科學出版社，2007：201-205.

[5] 童詩白，華成英.模擬電子技術[M].北京：高等教育出版社，2001：412-417.

(責任編校：李秀榮)

On the Design of Control Circuit for Automotive Air Conditioning System Based on Hysteresis Technique

LIU Ke， GUAN Pu-fang

(Department of Mechanical Engineering， Fujian Shipping & Transportation Vocational College， Fujian 350003， China)

Due to the evaporator temperature vibration caused by various factors， the compressor，the most essential component of the automotive air conditioning system， has to start and stop frequently， affecting the cooling efficiency. In order to avoid this situation and ensure the normal operation of the compressor， the authors of this paper have developed a control circuit for the air conditioning system of economical vehicles based on hysteresis technology.

hysteresis voltage method； control circuit； compressor； vehicle air conditioner

福建省教育廳B類課題(JB13289)

劉克(1961-)，男，河南南陽人，副教授，主要從事機電產品開發研究。

TP29

A

1672-349X(2016)06-0037-04

10.16160/j.cnki.tsxyxb.2016.06.010