汽車空調控制平臺化構建

郭艷，李建民，陳昌瑞

汽車空調控制平臺化構建

郭艷，李建民，陳昌瑞

(安徽江淮汽車集團股份有限公司，安徽 合肥 230601 )

針對汽車空調控制器種類繁多且無法通用的特點，提出構建空調控制器平臺的策略。通過構建控制器控制模塊，實現控制器設計的簡單化，減少控制器設計成本和時間，實現產品的通用，最終完成產品的平臺化建設的目標。

空調控制器；平臺化；通用

CLC NO.: U463.6 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)16-19-04

引言

隨著國內經濟的飛速發展，人們生活水平快速提高，現在，汽車空調系統已經成為汽車類產品中的必備裝置。汽車空調是汽車系統中較大的一個總成部件，又是車內四大環境（音響，照明，儀表，空調）之一，因此，空調對整個汽車來說是一個非常重要的部件，其性能的好壞也是評價一個汽車優劣的重要指標。

目前針對空調控制器的設計開發主要是依托于空調系統廠家，不同的廠商設計的空調控制器在結構上都存在一定的差異，而這些差異主要是外觀造型和安裝結構方面的，其內部控制電路原理基本相同，而且為實現這些相同功能的控制邏輯不同廠商使用的電路結構也存在一定的差異，定義的有效信號也不盡相同。

通過分析空調控制器內部結構，將空調控制器的功能定義規范化，實現控制功能模塊的建立，為空調控制器的平臺化構建打下基礎。有了規范化的空調控制器結構，就可以省去控制器內部結構的重新設計，簡化了設計流程，有效的監控空調控制器的設計問題，建立成熟，規范的空調控制器平臺。

1 空調控制器結構組成

從傳統的機械操縱方式到電動操控方式再到全自動空調控制方式的不斷進步，整體上提高了汽車空調的綜合性能。未來汽車空調控制系統將向網絡化和功能集成化方向發展。現在，空調系統一般采用多傳感器作為系統輸入，由 ECU實現自動控制，可將車內的溫濕度、空氣流速、冷凝風扇轉速、風機風量等自動控制在最佳狀態，系統可比傳統空調節約能耗 30%左右。

空調控制系統由傳感器、控制器（控制面板）和執行器組成。傳感器包括：車內溫度傳感器、車外環境溫度傳感器、蒸發箱溫度傳感器、光照傳感器等。執行器包括：風門執行器（如溫度風門執行器、中央風門執行器、除霜風門執行器、循環風門執行器等）、風機調速模塊、壓縮機離合器開關、暖水閥等。

圖1 自動空調控制系統基本構成

各部件功能簡介如下：

（1）溫度傳感器：檢測汽車內部、外部及蒸發箱等各處的溫度，將實時環境溫度轉變為電信號，作為控制輸入，輸入控制器。

（2）光照傳感器：檢測光照強度，并將其轉變成電信號，輸入控制器，作為控制輸入。

（3）各風門執行器：按照控制器的控制輸出要求，及時準確地使風門打開或關閉或維持某一特定角度，并將位置信號反饋給控制器。

（4）風機調速模塊：根據控制器控制信號要求實時調節鼓風機轉速（風量）。

（5）空調壓縮機離合器：根據控制器要求結合或斷開，控制壓縮機制冷或不制冷。

（6）暖水閥：按照控制器要求打開或關閉發動機循環水回路，以控制空調系統制熱或不制熱。

（7）CAN 通訊接口：用于發動機冷卻水溫度信號下載與空調系統故障信號上傳。

2 空調控制器模塊解析

2.1 系統的基本功能要求

（1）具有工作指示及夜間照明指示。

（2）操作送風模式按鍵，模式風門執行器動作，出風狀態與控制面板顯示一致。

（3）操作內循環模式按鍵，循環風門執行器動作，進風狀態與控制面板顯示一致。

（4）操作溫度設定按鍵，設定溫度隨之發生變化，自動空調根據溫度設定自動控制混合風門執行器、壓縮機等工作狀態，調節送風溫度，以改變和維持駕駛艙內溫度。

（5）按溫度調節鍵‘+’表示溫度設置加，按溫度調節鍵‘-’表示溫度設置減，按一下溫度設置加（減）鍵，設置溫度加（減）1℃，長按該鍵設置溫度連續上升（下降）。

（6）操作風力調節按鍵，風量相應改變，風機風速共分9 級。

（7）按下除霜鍵，系統處于加熱狀態，風機自動升為最高級數，進風方式處于內循環狀態。

（8）按下 A/C 鍵，啟動壓縮機工作，屏幕顯示雪花標志。

（9）按下 AUTO 鍵，系統處于自動工作狀態，當設定溫度與室內溫差變化時，系統自動確定送風級數、送風狀態。按下 A/C 鍵，除霜鍵或者設置溫度 LO、HI，系統自動退出 AUTO 模式。

（10）記憶功能。系統斷電，然后再次通電，系統的工作狀態與關機前的一致。

（11）空調系統故障查詢：長按 OFF 鍵（時間小于 5秒），溫度顯示區顯示故障代碼，連續按下 OFF 鍵，可查詢多個故障，連續 5 秒不按 OFF 鍵，則退出故障查詢方式。

（12）按 OFF 鍵，系統進入關機狀態，按任意鍵系統開機。

2.2 功能模塊

控制器主要由數據采集輸入模塊、控制信號輸出模塊、CAN 通訊模塊和信息顯示模塊四大部分組成。采集模塊作為數據輸入部分，檢測汽車駕駛艙內的溫度、車外環境溫度、光照強度等信息，將其轉化成電信號輸入 MCU；輸出控制模塊負責將數據進行存儲和運算，并通過執行器輸出；顯示模塊將溫度參數及各種運行信息顯示出來，是重要的人機界面。其結構框圖如圖 2所示。

圖2 控制器硬件結構框圖

2.2.1 MCU（微控制器）選擇

PIC單片機的總線結構是哈佛結構，指令和數據空間是完全分開的，一個用于指令，一個用于數據，由于可以對程序和數據同時進行訪問，所以提高了數據吞吐率。PIC的取指和執行采用雙指令流水線結構,當一條指令被執行時，允許下一條指令同時被取出，這樣就實現了單周期指令，只需要一個指令周期就可以完成訪問和操作。

2.2.2 溫度測量

在汽車空調控制中，溫度信號是整個系統進行計算的根據。如果溫度測量不準，控制系統的精度就無從談起。所以溫度采集環節直接關系到控制性能的好壞。通常用來測量溫度的元器件有熱電偶、金屬熱電阻和半導體熱敏元件等。溫度檢測與控制系統采用負溫度系數熱敏電阻（NTC），溫度特性曲線如圖 2.2所示，溫度采集電路原理如圖3 所示。

圖3 NTC 溫度的特性曲線

如下圖所示，使用電阻 R5、R8 進行分壓，R6 與 C11、C12 組成濾波網絡。電壓輸出范圍計算：根據電阻變化范圍，計算出輸出電壓范圍是 4.46V～0.14V。輸出電壓經過濾波后接到處理器的 ADC 接口。

圖4 溫度采集電路原理

2.2.3 光照強度測量

常用的光照傳感器均為光敏原件，如光敏電阻、光敏二極管或者光敏三極管等。光敏電阻接受陽光照射后其阻值會變小，光敏二極管和三極管的硅 PN 結受到光照后產生的光電效應，檢測光照強度電路原理圖如圖5所示，當光照強度發生變化時模擬信號采樣端口的電壓隨之發生變化。

圖5 光照強度測量電路原理圖

2.2.4 按鍵接口設計

按鍵（鍵盤）是微型計算機系統最常用的輸入設備，在硬件電路設計上，它是由若干按鍵組成的開關矩陣，用戶可以通過按鍵向控制面板輸入或設定。鍵盤分為編碼鍵盤和非編碼鍵盤，非編碼鍵盤是由軟件來識別鍵盤上的閉合鍵，它具有使用靈活、結構簡單等特點，因此被廣泛應用于單片機系統。

圖6 鍵盤結構圖

2.2.5 風門執行機構驅動

本設計中，溫度風門、中央風門、除霜風門和循環風門均采用直流伺服電機驅動，風門位置反饋采用電位器形式，執行機構電路原理圖如圖7所示。

風門執行器固定到空調殼體上，執行器的輸出軸通過一個連桿機構與風門軸相連接，當執行器輸出軸發生旋轉時帶動風門軸一起旋轉，實現風門的啟閉。

當風門需要調節時，MCU 向執行器驅動電路發出指令，驅動執行器開始 CW 或CCW 方向運轉，驅動電路的驅動電壓以 PWM 的形式施加到伺服電機的端子間，伺服電機的運轉帶動反饋電位器同步動作，電位器的輸出電壓隨之變化，并通過 AD 口送入 MCU，以確定風門運轉是否到位。

圖7 執行機構電路原理圖

圖8 電機驅動及電流檢測電路原理

2.2.6 MOS 驅動電路

驅動電路原理如下圖9所示：

圖9 為控制器提供所需的相應控制電壓

2.2.7 壓縮機控制

壓縮機電磁離合器的工作電壓為 24V，由于離合器的工作電流較大，一般可達 3A左右，故選用 DC-SSR 固態繼電器作為驅動芯片。固態繼電器是

一種無觸點開關器件，是用小信號控制大功率負載的一種電子開關，具有體積小、無噪音、無火花、無電磁干擾、無污染、可靠性高、穩定性好、開關速度快、抗干擾能力強、輸出輸入完全隔離等諸多優點。硬件設計中，通過單片機的I/O 接口控制繼電器的通斷，達到控制壓縮機啟停的目的，硬件原理如圖10所示。圖中在負載 L1 的兩端并接了一個續流二極管 D2，以減小負載啟停時的瞬間感應電流沖擊。

圖10 壓縮機控制原理圖

2.2.8 鼓風機控制

鼓風機調速模塊控制端直接由 MCU 的 PWM 輸出直接驅動，隨著占空比的增加，加載在鼓風機兩端的直流電壓也增加。鼓風機全速工作電壓 24V。

3 結論

通過對控制器內部控制結構的解析和總結，實現控制器功能邏輯的規范和同一，將控制器控制模塊單獨分離出來，制作為一個穩定的設計元素，可以被以后新車型控制器所借用，而不必每次耗費人力物力來重新設計。使用現成的技術，不僅可以大大簡化控制器的設計過程，而且還可以減少，新的控制器出現問題的數量，為我們提供一個良好的控制器平臺。甚至說，通過這個過程，可以積累我們的知識，提升我們的技術素養。

[1] 肖鴻光.汽車空調[M].北京：機械工業出版社,2009.11 ∶1～10.

[2] 聞芳.當前汽車空調的發展趨勢探究[J].黑龍江科技信息,2010.10.

[3] Masatoshi Mitsuiu. Improvement of refrigerant flow control method in automotive air-conditioners. SAE Trans,1987(96) section l∶167～178.IEEE, December 1990∶1590～1591.

Build the platform of air conditioning controller

Guo Yan, Li Jianmin, Chen Changrui
（Anhui jianghuai automobile group co., LTD., Anhui Hefei 230601）

Considering the operation of there are too many kinds of air conditioning controller and all of them can't be used by each other. We can put forward a strategy about building an air conditioning controller platform. By the way to build the module of air conditioning controller ,the process for designing will be simplified. The coast and time can be saved and will realize the product can be current.Finally we can complete the goal of building controller platform.

air conditioning controller; platform; Control Strategy; current

U463.6

A

1671-7988 (2017)16-19-04

10.16638 /j.cnki.1671-7988.2017.16.008

郭艷，就職于安徽江淮汽車集團股份有限公司。