乘用車空調控制器的模塊化設計

熊世寬

（一汽轎車股份有限公司產品部，吉林 長春 130012）

乘用車空調控制器的模塊化設計

熊世寬

（一汽轎車股份有限公司產品部，吉林 長春 130012）

以空調控制器為例，通過采用將“黑盒子”與控制面板分離、軟件與硬件分離等方法和理念，最大程度地實現空調控制器的模塊化開發，以提升產品通用化水平。該設計方法和理念對其它控制器進行模塊化開發也具有參考意義。

空調控制器；平臺化開發；模塊化設計

1 模塊化開發背景

當前，汽車行業競爭空前激烈，企業成本壓力日益增大，如何有效地降低零部件開發成本成為擺在各大主機廠研發部門面前的重大課題。空調控制器作為空調系統的一個重要零部件，隨著市場的變化和行業的發展，以往缺乏平臺化、模塊化布局的開發方式，不但研發成本高、周期長，而且已經無法快速響應產品的多樣化需求，不能滿足企業的生存與發展的需要。在此背景之下，模塊化設計方法應運而生。

空調控制器的模塊化設計，是指在對汽車空調系統的各項功能進行深入的、有前瞻性的市場研究和分析的基礎上，設計功能模塊，通過對各個模塊的選擇和組合，構成不同的控制器產品。模塊化開發在前期就將各個模塊單獨開發完成，具體到車型時，專注于模塊組合，無需擔心模塊內部問題，可使產品通用化水平顯著提高，成本顯著降低，開發驗證周期顯著減少。

分析空調控制器的特性，影響其實現模塊化設計的主要因素有3點：①空調面板人機界面造型多變；②空調新功能不斷增加，新技術加速普及；③不同車型空調標定的數據無法通用。

2 模塊化開發方案

針對上述模塊化設計的制約因素，一個有效的解決方案為：首先將空調面板與控制器分離，解決控制器因造型變化而無法通用的問題；其次將控制器軟件與硬件分離，并依據平臺功能定義，將軟件和硬件分別作為獨立的零件進行模塊化設計；最后將相同平臺的結構件、硬件和不同模塊的軟件進行組合，形成不同的控制器，來滿足產品的多樣化、差異化需求。通過這種多次“分離+組合”的方式，可以顯著提升控制器的通用化水平。空調控制器的模塊化設計構想流程見圖1。

圖1 空調控制器的模塊化設計思路

2.1 平臺選定及功能模塊定義

在開展空調控制器的模塊化設計之前，首先需要根據車型的現狀選擇系統平臺，不同的平臺空調系統結構不同，功能差異也較大。按照功能配置不同，汽車空調系統可分為手動空調和自動空調2種。自動空調根據控制溫區的差異又可分為單區自動空調、雙區自動空調以及三區以上自動空調等類型。平臺選定之后，即可根據平臺的功能需求以及對汽車空調未來發展趨勢的研究，定義并設計各個功能子模塊的參數指標和接口，為實現控制器的軟件、硬件模塊化開發提供基準。

平臺功能模塊的設計應具有一定的前瞻性，所定義的系統功能模塊除應涵蓋當前平臺的所有功能需求，還要有足夠的預留，以方便未來功能的擴展。表1和表2定義了2種不同平臺空調控制系統的功能模塊，其中表1適用于雙區自動空調及以下平臺，表2適用于三區自動空調及以上平臺。

表1 雙區自動空調以下平臺的功能模塊

表2 三區自動空調及以上平臺的功能模塊

2.2 空調面板與控制模塊分離

傳統空調控制器的操作面板和控制模塊一般是集成一體的。這種結構由于受面板造型多變性影響，控制器的通用化難以保證，弊端是顯而易見的。

與之相反，采用面板與控制模塊分離的開發方法，不但可以增加面板造型設計的自由度和靈活性，而且使控制器的平臺化、模塊化設計也成為可能。在兩者分離之后，空調操作面板既可以作為一個獨立的零件進行開發，也可以根據實際需要與音響娛樂面板集成，從而減少整體零部件的數量。

圖2提供了2種空調面板和控制器分離之后，網絡架構實現的不同方案。2種方案各有利弊，具體項目開發時，應根據項目實際情況進行選擇。

圖2 空調面板與控制器分離方案

2.3 軟件與硬件分離

將空調控制器軟件作為單獨的零部件，相同平臺的硬件和不同的軟件組成不同的控制器，實現平臺功能的差異化。硬件開發需要測試、產品認可，開發驗證周期長、成本高，但軟件的變型相對驗證周期短、成本低。通過軟硬件分離的方法，既保證了硬件的通用性，又通過軟件的差異化來對應同平臺但有差異功能的變型車需求。

在生產過程中，車型1和車型2采用同一硬件，2個控制器具有硬件可互換性和通用性，硬件的規模化產生成本的節約。在售后領域，更換控制器時只需要重新刷新軟件即可，不用拆卸和更換整個控制器，節省工時和備件成本。

2.4 硬件的模塊化設計

硬件的模塊化設計是對各硬件子模塊進行設計和組合的過程。平臺硬件的設計應按空調平臺定義的最大功能需求開展，并完成相應的測試驗證工作；變型車設計時，可在其基礎上進行必要的刪減。如果某些功能不需要，可在PCB制作時，不安裝與該功能相關的硬件子模塊或元器件，以省去該功能模塊的元器件費用。

硬件子模塊的詳細設計依托于平臺功能模塊的定義而開展。以某乘用車雙區自動空調為例，該空調控制器硬件平臺主要包括以下模塊。

1）單片機系統，采用飛思卡爾MC9S12G128為核心的主控芯片，64個針腳，Flash容量128 K，硬件接口及內存均有一定的預留量，可用于未來功能的擴展和軟件升級。

2）電機控制采用NCV7719芯片，可驅動4路直流電機（左/右溫度電機、模式電機、內外循環電機），同時具有低靜態電流及過流、過溫保護特性，可滿足雙區空調平臺電機控制需求。

3）電源模塊采用NCV4275芯片，可提供精度為±%2的5 V電壓輸出。

4）高速CAN通信采用TJA1043芯片，滿足CAN 2.0標準；LIN通信采用TJA1021，滿足LIN 2.1協議。

圖3為某雙區自動空調控制器硬件平臺的系統框圖。根據系統功能要求，該平臺空調控制器硬件模塊包括一個16位MC9S12G128單片機及14個功能不同的子模塊。MCU與特定的硬件子模塊組合，可以完成不同的控制任務。

基于該平臺做變型車開發時，由于平臺硬件已經開發成熟，變型車硬件只需對平臺硬件做適當裁減即可。例如，假設該變型車為單區自動空調，普通定排量壓縮機（采用硬線控制），高速CAN通信，無空氣凈化、PTC加熱功能，則該車型的硬件系統開發方案可參考圖4方案進行。其中，灰色部分為對應被裁減的子模塊。

2.5 結構件的通用化設計

圖3 某雙區自動空調控制器硬件平臺系統框圖

圖4 某單區自動空調控制器硬件系統框圖

同一平臺空調控制器的結構件（包括前后蓋、印制電路板、插接件等）應采用通用化設計，以避免重復開發和多次開模。通過減少設計工時、開模費用和批量采購，可降低結構件成本。

2.6 軟件分層設計

軟件通過分層設計實現模塊化開發。

根據程序對象不同，將空調控制器軟件分為底層軟件和應用層軟件（含標定數據）2部分。底層軟件由于硬件平臺已經固定，基本不會有太大變化，可以和硬件、結構件當做一個零部件，由零部件供應商直接提供。應用層軟件采用Matlab進行基于模型的開發，每一個功能模塊封裝為一個子系統，包括鼓風機控制模塊、壓縮機控制模塊、電機控制模塊、后除霜模塊、空氣質量控制模塊等。根據可配置性差異，這些模塊又可以分為與標定參量有關、不可配置的基礎控制模塊和與標定參量無關的可配置模塊2大類。基礎控制模塊由于不同車型標定參量不同，軟件無法通用，所以需要各車型單獨設計。可配置模塊與控制變量無關，主要包括空氣質量控制模塊、遠程空調控制模塊、離子發生器模塊、座椅加熱/通風模塊等，如果不需要其中某些功能，可在整車廠生產線下線時用配置碼進行配置。

軟件系統主控制流程如圖5所示。主要過程如下：首先進行系統的初始化，包括硬件初始化和軟件程序初始化。然后進入自學習，將各種電機、執行器狀態調整至出廠狀態，為空調控制做好準備。之后MCU檢測電源狀態，如果點火開關正常啟動，則信號采集模塊開始采集傳感器數據及網絡信號，根據采集的數據指令，判斷是否滿足鼓風機開啟條件。如果條件滿足，則進入空調開啟模式，系統首先判斷各風門電機位置是否滿足要求，如不滿足要求，則調整電機位置；如果滿足要求，則進入壓縮機開啟判斷命令。壓縮機控制程序結束之后，進入風量調節程序，之后依步驟進入各個循環。

通過軟件分層、模塊化設計的方法，不但可以使各個車型的空調控制系統性能均達到最佳，而且還最大限度地提高了空調控制器的通用化水平。在后續平臺變型車開發時，設計師僅需要進行必要的舒適性標定和功能配置即可。因而大幅縮短了軟件開發周期，節約了開發費用。

圖5 空調控制主流程圖

3 結束語

通過采用將空調面板與控制器分離，以及軟件和硬件分離的方法進行模塊化設計，可以提高空調控制器的通用化水平，縮短項目開發周期，降低零部件開發成本，有效地提升了企業產品研發的實力。

［1］ 田慶寶，韓新民. 模塊化設計的實現方法研究［J］. 成組技術與生產現代化，2008，25（4）：48-51.

［2］ 劉紀超，李曉舟，許金凱. 產品模塊化設計方法及其發展趨勢［J］.機電技術，2015（3）：157-160.

（編輯 凌 波）

Modular Design of Climate Controller for Passenger Car

XIONG Shi-kuan
（Products Development Department， FAW Car Co.， Ltd.， Changchun 130012， China）

This paper introduces feasibility study in modular design of climate controller for passenger cars.

climate controller； platform development； modular design

U463.851

A

1003-8639（2017）05-0076-04

2016-09-30

熊世寬（1984-），男，工程師，先后從事空調系統和整車電子電氣架構開發等工作。