基于單片機(jī)STM32新能源電動汽車熱泵空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張婷 邱家彩

摘要：本文研究基于單片機(jī)STM32F103C8T6新能源電動汽車熱泵空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并重點(diǎn)闡述了系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)，硬件及軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)的原理。具有成本低、結(jié)構(gòu)簡單、環(huán)保零污染、應(yīng)用前景好等優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：新能源電動汽車;熱泵空調(diào)系統(tǒng);STM32F103C8T6

中圖分類號：U463.851? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2020）21-0018-02

1? 總體概述

隨著科技進(jìn)步，石油能源的緊缺，人們生活水平和對環(huán)保意識的提高，新能源電動汽車熱泵系統(tǒng)有著零污染、成本低、控制簡單等優(yōu)點(diǎn)將逐步代替?zhèn)鹘y(tǒng)的燃油汽車。對汽車的舒適感的追求日益增長，汽車空調(diào)舒適性作為汽車舒適性的關(guān)鍵指標(biāo)之一，具有很大的研究價(jià)值和前景。傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)采用可編程控制器PLC為核心控制元件[1]，其控制性能雖然優(yōu)良，易于上手，但是成本過高，且擴(kuò)展性差，不能滿足現(xiàn)在多功能汽車的通信要求。

本文運(yùn)用STM32F103C8T6單片機(jī)對電動汽車空調(diào)熱泵系統(tǒng)進(jìn)行更新，具有工作性能穩(wěn)定，通信可靠，易于擴(kuò)展，成本可控等優(yōu)點(diǎn)，可以取代傳統(tǒng)的可編程控制器PLC[2]系統(tǒng)。

2? 新能源電動汽車熱泵空調(diào)系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)及工作原理

2.1 新能源電動汽車熱泵空調(diào)系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

新能源電動汽車熱泵空調(diào)系統(tǒng)主要由制冷制熱循環(huán)系統(tǒng)、通風(fēng)配氣系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)三部分組成。制冷制熱系統(tǒng)包含壓縮機(jī)、室內(nèi)室外冷凝器、儲液干燥器、電子膨脹閥、室內(nèi)外蒸發(fā)器、輸液（氣）軟管，電機(jī)散熱器等。新能源電動熱泵汽車空調(diào)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

2.2 新能源電動汽車熱泵空調(diào)系統(tǒng)工作原理

根據(jù)圖1新能源電動熱泵汽車空調(diào)系統(tǒng)對新能源電動汽車空調(diào)系統(tǒng)制冷制熱工作原理進(jìn)行分析如下：

在制冷工況下，熱泵循環(huán)系統(tǒng)的工作過程：當(dāng)壓縮機(jī)電磁離合器閉合時(shí)，低溫低壓制冷劑氣態(tài)形式通過壓縮機(jī)壓縮成高溫高壓氣態(tài)形式，通過電磁閥1，將高溫高壓氣態(tài)形式流向室外冷凝器，通過室內(nèi)冷凝器和電磁閥1相連（僅作為制冷劑流通的通道流過）此時(shí)出口仍然為高溫高壓的氣體，電子膨脹閥1出口與室外熱交換器冷凝器相連，將高溫高壓的氣態(tài)形式凝結(jié)成中溫高壓的液態(tài)形式，并通過壓力傳感器和溫度傳感器將壓力和溫度信號傳遞給空調(diào)控制器，電子電磁閥1出口與室內(nèi)蒸發(fā)器相連，室內(nèi)蒸發(fā)器出口為低溫低壓的氣體，室內(nèi)蒸發(fā)器又與單向閥相連，單向閥與氣液分離器相連，通過氣液分離器將未蒸發(fā)的液體分離，低溫低壓的氣體再回到壓縮機(jī)中，此時(shí)就實(shí)現(xiàn)了空氣制冷。制冷過程中電磁閥1僅作為通道進(jìn)行流通，開度通過溫度壓力傳感器P2采集的數(shù)據(jù)計(jì)算出蒸發(fā)器出口制冷劑的熱度來調(diào)節(jié)[3]。

在冬季供暖工況下，低溫低壓的制冷劑氣體通過壓縮機(jī)壓縮成高溫高壓的氣體，通過室內(nèi)冷凝器凝結(jié)成中溫高壓液體，根據(jù)室內(nèi)冷凝器與電子膨脹閥相連，進(jìn)行節(jié)流降壓為低溫低壓的液體制冷劑，通過電子膨脹閥與室外熱交換器相接，出來為低溫低壓的氣體，通過板式換熱器，吸收電機(jī)散出的熱量，從而提高制冷劑的溫度，將車內(nèi)的溫度制熱，此為冬季供暖的整個(gè)過程。其中電磁閥1與氣液分離器將未蒸發(fā)完的液體，通過氣液分離器把氣體回到壓縮機(jī)中。依然開度通過溫度壓力傳感器P1采集的數(shù)據(jù)計(jì)算出蒸發(fā)器出口制冷劑的熱度來調(diào)節(jié)[3]。

3? 新能源電動汽車熱泵空調(diào)控制電路整體構(gòu)架設(shè)計(jì)

根據(jù)以上的分析，為實(shí)現(xiàn)電動熱泵汽車空調(diào)制冷制熱過程，根據(jù)圖2為新能源電動汽車熱泵空調(diào)控制電路的結(jié)構(gòu)框圖，其中ECU選用單片機(jī)STM32F103C8T6，將輸入信號有車內(nèi)溫度傳感器，車外溫度傳感器，陽光傳感器，蒸發(fā)器溫度傳感器，冷凝器溫度傳感器，出風(fēng)口風(fēng)量傳感器，控制面板功能按鍵信號。輸出與反饋信號裝置有鼓風(fēng)機(jī)，鼓風(fēng)機(jī)調(diào)速模塊，蒸發(fā)器，冷凝器散熱風(fēng)扇，各風(fēng)門電機(jī)，壓縮機(jī)。這些裝置通過總線模式與單片機(jī)STM32F103C8T6進(jìn)行通信，STM32F103C8T6通過CAN總線與整車VCU進(jìn)行通信[4]。最好將溫度、風(fēng)速、轉(zhuǎn)速等信息在空調(diào)狀況顯示器上顯示。

4? 新能源電動汽車空調(diào)控制電路硬件設(shè)計(jì)

新能源電動汽車空調(diào)控制器基于STM32F103C8T6芯片，有汽車控制盤的模擬信號，如車內(nèi)外傳感器檢測到的溫度、陽光等，有高低壓壓力保護(hù)繼電器的數(shù)字信號等作為輸入信號。通過新能源電動熱泵汽車空調(diào)控制芯片STM32F103C8T6中MCU控制系統(tǒng)完成對空調(diào)工作狀態(tài)進(jìn)行計(jì)算和判斷，從而通過PWM脈沖波的輸出來實(shí)現(xiàn)空調(diào)壓縮機(jī)啟停控制，鼓風(fēng)機(jī)風(fēng)量控制，冷凝器、蒸發(fā)器散熱風(fēng)扇風(fēng)量控制等，如出現(xiàn)故障信號，對故障信號進(jìn)行處理、顯示和上報(bào)[1][6]。新能源電動汽車熱泵空調(diào)系統(tǒng)整體硬件電路控制框圖如圖3所示。

5? 新能源電動汽車空調(diào)控制電路軟件設(shè)計(jì)

新能源電動汽車熱泵空調(diào)系統(tǒng)工作模式有“手動控制”、“自動控制”兩種模式，主程序模塊的內(nèi)容包括系統(tǒng)初始化，溫度設(shè)定值與測量值的顯示，AT24C02的EEPROM讀寫等。系統(tǒng)初始化包括堆棧指針SP的初值，AT24C02的狀態(tài)寄存器，DMA狀態(tài)寄存器及控制寄存器等[6][7]。主程序流程圖如圖4所示。

通過數(shù)據(jù)初始化，溫度設(shè)定值與室內(nèi)外傳感器監(jiān)測的溫度值做對比后，根據(jù)汽車空調(diào)啟動與關(guān)閉按鈕工作情況，進(jìn)入子系統(tǒng)運(yùn)行，傳感器通過監(jiān)測的溫度再次存儲到EEPROM中，等下一個(gè)循環(huán)中與調(diào)節(jié)的溫度設(shè)置溫度做對比再次循環(huán)。通過次程序的設(shè)計(jì)，運(yùn)行穩(wěn)定，反應(yīng)速度快，控制精準(zhǔn)。

6? 結(jié)束語

本文根據(jù)新能源電動熱泵汽車空調(diào)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，分析了整個(gè)系統(tǒng)制冷制熱的工作原理，并設(shè)計(jì)了基于單片機(jī)STM32F103C8T6新能源電動汽車空調(diào)系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)，給出了硬件控制框圖，和主程序軟件控制流程圖。通過此系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，分析了硬件及軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)的原理，接口豐富，更易擴(kuò)展，處理器運(yùn)算能力更強(qiáng)，存儲量大，系統(tǒng)更加穩(wěn)定。

參考文獻(xiàn)：

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