新能源汽車熱泵空調控制系統設計實現

楊少柏 李尾 鐘昌 廖星東 張揚清

摘要：新能源汽車是未來發展趨勢，隨著新能源汽車的發展，空調系統也發生了很大改變。本文介紹新能源熱泵控制系統中空調運行控制的實現，詳細描述了系統中基于飛思卡爾單片機設計的熱泵控制器控制原理和方案，此系統在改裝車輛上成功運行，且經過一系列驗證。

關鍵詞：熱泵空調;飛思卡爾單片機;控制系統

中圖分類號：U463.85 文獻標識碼：A 文章編號：1005-2550（2020）04-0062-07

楊少柏

畢業于華中師范大學，碩士學歷。現就職于東風馬勒熱系統有限公司，任產品設計工程師，主要從事控制器硬件設計及軟件開發工作。

隨著汽車技術水平的不斷提升，一些新型的空調系統也應運而生。但是能夠實現節能高效的制熱和制冷的空調系統不多，其中熱泵空調系統有很多優點，它在制熱方面具有PTC電加熱無法比擬的高效特性。新能源汽車空調系統和傳統燃油汽車空調系統工作原理相同，只是空調壓縮機的驅動方式及暖風產生方式有所不同。新能源汽車空調系統電動壓縮機通過高壓電驅動，電動空調壓縮機通過壓縮來自蒸發器的低壓低溫蒸汽，將其加壓到冷凝器，使制冷劑環繞系統循環。

國外熱泵技術具備一定的產業化應用基礎，電動汽車量產車型，如寶馬和日產均配置了熱泵空調系統。國內研發電動汽車熱泵型空調系統仍在起步階段。

1熱泵空調溫控原理

其實熱泵空調的原理并不復雜，無論在制冷還是制熱的情況下都只能對熱量進行轉移。

車內制冷時，電動壓縮機將高溫低壓的冷媒壓縮成高溫高壓的液體，通過閥的控制使液體流向車外換熱器，由于車外溫度相比而言較低，冷媒降溫成為低溫高壓的液體，經過膨脹閥后，冷媒膨脹為低溫低壓的液珠流入車內換熱器，使車內氣體溫度下降。然后冷媒轉化為高溫低壓的氣體，再流向電動壓縮機。如此循環，達到車內制冷效果。

車內制熱時，電動壓縮機將高溫低壓的冷媒壓縮成高溫高壓的液體，通過閥切換冷媒流向，流向車內熱交換器，這時車內溫度因此升高，同時冷媒降溫成為低溫高壓的液體，流經電子膨脹閥后，冷媒膨脹為低溫低壓的液珠流向車外換熱器內;而冷媒比車外溫度低，冷媒吸收車外氣體的熱量，轉化為高溫低壓的氣體，再流向電動壓縮機。如此循環，達到車內制熱效果。

本質上是通過多個閥的組合控制，切換冷媒的流動方向，使冷凝器和蒸發器的角色不斷的互換，同時配合電動壓縮機從而達到制冷制熱的效果。以上功能的實現由熱泵空調控制器實現。具體系統原理見圖1：

2部分傳感器及執行器選型

2.1電磁閥SOV

電磁閥是一種由電流經過線圈產生的電磁吸力來使內部芯鐵上下移動，控制閥的打開來控制介質流通的執行器件。

該熱泵控制系統所選用的這款電磁閥電壓變化范圍為DC9V-16V，額定電壓12V，工作電流額定0.8A，額定功率10W，介質的流動方向為單向，適用的制冷劑R134a，最大工作壓力為3.6Mpa。負載類型為感性負載。有兩pin腳組成，不分正負，只需一個引腳接地，一個引腳高低電平引腳。內部電路如圖3：

2.2電子膨脹閥EXV

熱力膨脹閥在電動車空調系統中將逐步由電子膨脹閥替代。采用電子膨脹閥可以更為精確地控制過熱度，已達到節能效果。該熱泵控制系統選用的電子膨脹閥為LIN控制。額定電壓12V，工作電壓9V～16V，額定電流小于0.35A，驅動頻率30-120PPS，根據脈沖數改變膨脹閥開度，當脈沖數為0時膨脹閥全閉，當脈沖數為480時膨脹閥全開，適用制冷劑R134a、R410A等，且介質流動方向為雙向流動，具體通信協議見圖：

2.3 PT傳感器

壓力溫度傳感器可以實現一個傳感器在同一點可以同時測量冷媒壓力和溫度，為客戶節省對配線束及安裝閥座，適時快速響應保護壓縮機，提高空調系統的效率。該熱泵控制系統選用的Prr傳感器工作壓力0-4.6MPaG。工作介質：R134a、R410a、R1234yf。工作溫度：-30到130～C。壓力精度：2%Vcc，溫度精度：0.8-1.8℃。其工作原理如圖：熱敏電阻的阻值隨溫度變化而變化，在電路上通過串聯外接電阻，分壓換算出NTC的阻值。

3硬件電路設計

3.1主控芯片

當前市場上出售的單片機種類非常多，但是在能夠滿足汽車要求的單片機中，飛思卡爾單片機具有精簡指令集、運行速度快，芯片實時性好、10帶負載能力強、可靠性強的優勢，而飛思卡爾單片機中MC9S12G128是經過一系列優化后的16bits MCU，其優點是成本低，功耗低，功能集成度高，PIN腳少但復用度高。Flash memory128Kbytes，三路SCI，SPI，八路PWM，十二路10bit ADC，同時具備看門狗定時器，能有效防止電壓波動、EMC、軟硬件意外故障造成的死機現象，片內也有二極管保護電路，遠遠達到產品的需要。

3.2步進電機驅動電路

控制風門的步進電機為四相步進電機。驅動芯片選用sT公司的L9826芯片，該芯片是一個八路低側驅動芯片專用于汽車領域，有片選引腳NCS和復位引腳NRES，通過SPI控制八個out的輸出，其中CLK為時鐘引腳，SDO為數據輸出，SDI為數據輸入。另外該芯片輸出電流能力可以達450Ma，且具有過壓、欠壓，負載短路、過熱等保護，完全可以滿足步進電機對驅動能力的要求。因為模式風門，混合風門，內外循環風門使用了三個步進電機，所以此控制器使用了兩片L9826芯片。

3.3 SOV閥驅動電路

英飛凌TL9104SH是首款智能型四通道低側開關，在12V系統中電流可高達直流5A。這就能驅動各種負載，例如高精度端口燃油噴射器、高能量閥或大電流繼電器。

在市場上的同類產品中TLE9104SH驅動電流更大，帶負載能力更強，且封裝面積非常小，極大縮減布局面積。功能上，它配備了一個16位串行外設接口（SPI），用于控制和診斷，所有通道都具有過流/過溫保護功能，通過有源鉗位電路進行增強，以驅動感性負載。可以通過SPI進行負載狀態檢測：對地短路（SCG），開路負載（OL）和電池短路（SCB）。四個輸入引腳可用于直接控制開關。同時它的安全功能包括額外的輸出使能引腳、SPI通信看門狗、SPI輸出狀態信息。這使得該產品成為在汽車和工業應用中實現安全關鍵的理想選擇。

3.4 CAN總線驅動

該控制器的CAN通信使用恩智浦半導體公司的TJAl042芯片，這款芯片是專門為汽車行業高速cAN通信設計，是一款在汽車行業內比較通用的一款芯片，成熟度高。次芯片傳輸速率能夠達到1MBITS/S，比TJ1040有更強的抗靜電能力，并且完全符合IS011898標準。該電路一方面可以控制Can類型的壓縮機，另一方面也可以與整車進行通信，同時在上電自檢、故障反饋等方面也可以應用。

3.5 EXV通信Lin總線驅動

因為電子膨脹閥的控制是使用LIN通信控制，所以在該控制器中設計了LIN通信電路，該電路是常見的LIN通信電路，二級管和電容有效的起到濾波去噪的作用，恩智浦公司的TJAl021是LIN2.0/SAE J2602收發器而在TJAl021芯片的內部集成了ESD保護電路，能夠有效的起到防靜電的作用，同時TJAl021與TJAl020是兼容的，波特率從從1 kBd到20 kBd，能夠滿足要求。這款芯片也是常見的LIN通信芯片，它在本地互聯網絡（L1N）主/從協議控制器和LIN中物理總線間進行接口，廣泛的運用在汽車LIN通信中。

3.6鼓風機驅動電路

新能源熱泵空調系統中，仍然需要使用鼓風機，與傳統空調并沒有區別，所以沿用了傳統空調中對鼓風機的控制電路。原理相同，輸出PWM信號經過積分電路和運放就可以實現鼓風機調速，通過改變PWM信號的占空比來改變鼓風機的端電壓，從而實現鼓風機的調速功能。

3.7Pt傳感器采集電路

該電路為典型的ADC采集電路，加入RC提高抗干擾能力，通過該電路采集六個PT傳感器。實時采集冷媒的溫度和壓力，從而監控熱泵空調的工作狀態。該單片機AD采集位數為10bits，精度非常準確，完全能夠達到用戶的要求。

4軟件設計

4.1程序編譯平臺

該控制器軟件編程部分是在Codewarrior IDE平臺實現，并使用平臺自動生成軟件功能PE，完成底層驅動代碼自動生成，免除了繁瑣的寄存器配置。只需要對生成的函數進行調用。例如ADC驅動，PWM驅動，CAN總線和LIN總線，SPI，SCI都可以直接通過PE生成已經配置好寄存器的封裝函數，減少開發時間，提高研發效率。

4.2系統軟件設計

此新能源熱泵空調控制器軟件使用C語言進行，編程，軟件可讀性非常強，方便了后期的維護升級。程序主要包括初始化，傳感器檢測采集，自動控制計算，風量控制，各種風門的控制，壓縮機控制等，主程序任務調度如圖16：

系統開機后首先進行系統初始化，對單片機IO端口，AD模塊，SPI，定時器，CAN，LIN等進行初始化設置，接著使用時間片調度的方法，對任務進行調度，優先級高的任務先執行，每10ms采集一次電池電壓和發動機狀態，并且接受LIN，總線或者CAN總線發過來的信息。每50ms完成控制邏輯判斷，執行相應的執行器、鼓風機、冷凝風扇、壓縮機等，每100ms該控制器通過can總線或者Lin總線將狀態信息發送給整車或者其他控制器。

在此過程中主程序會加上看門狗清零程序，每隔一段時間就會使用看門狗清零，一旦沒有清零，看門狗溢出，就會發出復位信息，單片機就會產生復位。

5硬件PCB

使用ORCAD中的Cadence完成原理圖設計，使用ORCAD中的LLEGRO完成PCB的布局布線，該布局合理合規，盡量避免信號之間的串擾。同時使用4層板設計，更好的減少電磁輻射和抗外界的電磁干擾。對于大電流，能夠走寬線盡量走寬線，電源部分采用鋪銅連接。整個布線效果見圖17：

6上位機軟件控制及監控

使用Matlab中的Simulink建立仿真模型，同時也可以看做上位機對控制器進行操作。Simulink是MATLAB中的一種可視化仿真工具，是一種基于MATLAB的框圖設計環境，是實現動態系統建模、仿真和分析的一個軟件包，被廣泛應用于線性系統、非線性系統、數字控制及數字信號處理的建模和仿真中。該軟件的好處是可以非常快的搭建模型，無需大量書寫程序，而只需要通過簡單直觀的鼠標操作，就可構造出復雜的系統。通過串口對控制器發出指令，控制該控制器進行工作。搭建的上位機如圖18所示：

如圖19和圖20可以清晰的觀察到壓力溫度傳感器采集到的數值。根據壓力溫度傳感器采集的數值顯示，非常容易判斷此時整個熱泵空調系統處在哪種工作狀態，工作是否正常。

7總結

控制器使用飛思卡爾16位單片機作為MCU，硬件方面嚴格通過了第三方EMC實驗室測試。軟件方面使用時間片調度的方式使代碼整潔易讀，方便維護，且不同任務之間不沖突，實時性高，負載率低。目前該控制機已經使用在多家整車廠，能夠在各種工況下正常工作，可靠性強。得到客戶的廣泛好評。