新能源汽車自動空調控制原理的研究

梁耀杰

新能源汽車自動空調控制原理的研究

梁耀杰

（廣西水利電力職業技術學院，廣西 南寧 530023）

當前，新能源汽車自動空調的維修已成為新能源汽車后市場急需的關鍵技術。文章主要以新能源汽車自動空調的控制原理為研究對象，闡述了新能源汽車自動空調的組成、控制原理及應用。在應用案例中提出了對于檢測出來的變量數據，要學會利用數學知識的方法來判斷零部件工作的可靠性與準確性，為汽車的故障診斷與維修提供了新的判斷方法。

新能源汽車；空調系統；控制原理；故障診斷；壓力傳感器；鼓風機

引言

空調系統已成為現代汽車中不可缺少的系統之一，自動空調更是中高檔汽車標準配置之一。自動空調與普通手動空調相比，差異之處在于，自動空調的零部件組成不一樣，控制原理也不同。自動空調的優點主要是能長時間把駕乘人員調整后的目標溫度維持在一個相對穩定的范圍，能以最優的方式控制壓縮機工作的功率，在提高車內舒適效果的同時節約能源。隨著新能源汽車的迅速發展，新能源汽車在現有汽車市場的占有量日漸增大，新能源汽車的維護維修也逐漸增多，特別是新能源汽車自動空調的維護維修。因此，新能源汽車自動空調的控制原理已成為市場急需的關鍵技術。為了掌握該技術，本文對新能源汽車自動空調的控制原理開展了相關研究。

1 自動空調系統的組成

新能源汽車自動空調系統主要由整車控制器、空調控制器、鼓風機、壓縮機、冷凝器、蒸發器、PTC加熱器、各傳感器、A/C開關、鼓風機開關、伺服電機等部件組成。

1.1 整車控制器

在新能源汽車中，整車控制器在空調系統運行的工作中，通過檢測冷卻液的溫度來控制冷卻風扇的運轉，給空調系統的散熱器散熱；如果冷卻液溫度過高，將通過CAN網絡與空調控制器通訊，切斷空調系統的運轉。

1.2 空調控制器

空調控制器收到空調開關A/C開啟的指令后，根據駕乘人員設定的溫度目標，控制鼓風機的轉速大小，并根據空調系統各傳感器反饋回來的信號，判斷空調制冷/制熱的功率以及判斷是否滿足控體空調系統制冷/制熱的條件，如不滿足，則控制空調系統停止工作。

1.3 鼓風機

鼓風機根據空調控制器的不同控制指令，把蒸發器表面上的冷氣或PTC加熱器表面上的暖氣吹送到車內。

1.4 壓縮機

壓縮機負責把空調系統低壓管路中的氣態制冷劑壓縮成為高壓管路中高壓的制冷劑[1]，空調控制器控制壓縮機的工作以及壓縮機運轉功率的大小，壓縮機運轉功率的大小直接影響整個空調系統的制冷效果。

1.5 冷凝器

冷凝器在冷卻風扇的工作下，主要負責把壓縮機壓縮出來后的高溫高壓制冷劑冷卻成為高壓液態的制冷劑，冷凝器內安裝有干燥條，主要用來干燥與過濾制冷劑中的雜質與水分。如果冷凝器的冷卻效果不佳，則會影響空調系統的制冷效果。

冷卻風扇在空調系統的控制下，整車控制器結合冷卻液溫度的高低，控制冷卻風扇的高/低速運轉，如果冷卻風扇出現異常，空調的制冷效果也會受到影響。

1.6 蒸發器

蒸發器上的高壓管路與低壓管路和膨脹閥連接在一起，高壓管路中的高壓液態制冷劑通過膨脹閥中細小的閥門噴向蒸發器內，此時的制冷劑在蒸發器芯上由液態轉變成氣態，吸走了蒸發器表面上的熱量，鼓風機送來的風經過蒸發器后溫度也急劇下降，從而使送到車內的風溫度較低，達到了調節車內空氣溫度的作用。

1.7 PTC加熱器

新能源汽車空調系統的暖風裝置與傳統汽車的不一樣，傳統汽車主要是依靠發動機的冷卻液的溫度來取暖，而新能源汽車則利用高壓電給大功率的暖風PTC加熱器加熱，鼓風機送來的風經過暖風PTC加熱器后溫度急劇上升，從而使到達車內的風溫度較高，形成暖氣。

1.8 傳感器

新能源汽車自動空調的傳感器主要有空調壓力傳感器、蒸發器溫度傳感器、環境溫度傳感器（車外溫度傳感器）、陽光強度傳感器、冷卻液溫度傳感器等。

1.8.1 空調壓力傳感器

空調壓力傳感器安裝在冷凝器與蒸發器之間的高壓管路上，空調壓力傳感器根據檢測到的不同壓力，具有3個開關功能，分別是低壓開關、中壓開關、高壓開關。低壓開關作為接通壓縮機工作的信號，中壓開關作為接通冷卻風扇工作的信號，高壓開關用來斷開壓縮機工作的信號。空調壓力傳感器根據不同車型的控制原理可分三線制類型壓力傳感器和四線制壓力傳感器。它們與管路內制冷劑壓力的關系如表1所示。

表1 壓力開關與制冷劑壓力的關系

1.8.2 蒸發器溫度傳感器

蒸發器溫度傳感器用來監控蒸發器表面的溫度，空調控制器根據蒸發器溫度傳感器反饋回來的信號控制壓縮機的工作，蒸發器表面的溫度一般為3～5 ℃，如果低于2 ℃，空調控制器就會發出停止壓縮機工作的指令，防止蒸發器溫度繼續下降造成結冰，引起管路堵塞，影響制冷的效果。

1.8.3 其他傳感器

其他傳感器包括環境溫度傳感器（車內外溫度傳感器）、車內溫度傳感器與陽光強度傳感器、儀表出風口溫度傳感器、冷卻液溫度傳感器等，它們監控的信號反饋給空調控制器。

1.9 伺服電機

自動空調系統中，根據車輛配置的不同，伺服電機的數量也不同，分為調整空調風向的模式方向伺服電機、空氣車內外循環模式切換伺服電機、混合風門伺服電機等，均由空調控制器控制。

2 自動空調控制原理分析

2.1 自動空調制冷的控制原理

在開啟新能源汽車自動空調制冷模式前，首先要啟動新能源汽車，即需要上高壓電（“READY”燈或“OK”燈亮起）。接著打開鼓風機與A/C開關，選擇空調制冷的目標溫度。空調控制器收到以上信號后，同時結合壓力傳感器、蒸發器表面溫度信號、環境溫度傳感器信號、陽光強度傳感器信號、冷卻液溫度信號等判斷系統是否滿足開啟空調的條件[2]。

空調系統正常工作時，制冷劑高壓的壓力為12～16 kgf/cm2，壓力傳感器反饋回來的制冷劑的壓力應不低于1.96 kgf/cm2。若低于1.96 kgf/cm2，空調控制器判斷系統壓力過低，制冷劑不足，控制壓縮機停止工作；如果制冷劑壓力高于31.4 kgf/cm2，空調控制器會默認為高壓管路散熱不良或堵塞等，為了保護整個空調系統，同樣會發出停止壓縮機工作的指令；蒸發器表面溫度應高于2℃[3]，不存在結冰的狀態。車外環境傳感器反饋回來的溫度應高于空調制冷時的最低溫度，如空調制冷時，車內的最低溫度為16℃，如果車外環境傳感器反饋回來的溫度是4℃，已經遠低于空調的制冷最低溫度，系統將控制壓縮機停止工作。陽光強度傳感器的信號用來判斷太陽光的強度，空調控制器根據太陽光強度并結合車內、車外的實際溫度調整壓縮機工作的功率，讓車內的溫度迅速達到駕乘人員設置的目標溫度，控制原理如圖1所示。

圖1 新能源汽車自動空調控制原理圖

2.2 自動空調的運行試驗

在自動模式下，駕乘人員在車內開啟空調設定的目標溫度為16℃，此時車外的實際溫度為38℃，車內的溫度為45℃，結合陽光的強度，空調控制器會控制壓縮機以最大功率制冷，并把鼓風機自動調整到風量最大的檔位，循環模式為車內循環，風向為吹臉模式，這樣控制的目的是為了讓車內的溫度以最快的速度達到駕乘人員設定的目標溫度[4]。當車內的溫度達到18℃，接近設定的目標溫度16℃時，空調控制器就會自動降低壓縮機工作的功率，降低鼓風機的風量。當車內的溫度與設定目標一致時，空調控制器則會自動切斷壓縮機的工作，但鼓風機仍然運轉。這樣的控制邏輯既可以減少能源的消耗，又可以避免壓縮機持續工作造成冰堵。當車內的溫度高于設定的目標溫度時，空調控制器又會自動地控制壓縮機運轉。空調在開啟的狀態下，冷卻液溫度信號與壓力傳感器密切相關，當制冷劑的壓力達到中壓狀態時，為了提高空調的制冷效果，空調控制器會自動地控制冷卻風扇的高/低速運轉。冷卻風扇線路出現故障，會導致空調散熱器散熱不佳，引起空調管路的壓力急劇上升，空調控制器則會切斷壓縮機的工作[5]。

2.3 新能源汽車自動空調制熱的控制原理

新能源汽車空調在制熱時，同樣需要啟動車輛上高壓電。當車內的駕乘人員設定的目標溫度高于環境溫度時，空調控制器則會控制壓縮機停止運轉，同時控制暖風PTC加熱器工作。新能源空調的暖風PTC加熱器與傳統汽車的暖風PTC加熱器最大的不同在于，傳統汽車采用的是直流12 V低壓電，新能源采用的是其動力蓄電池輸出的高壓直流電，一般在300～600 V之間，具體工作電壓根據各車型配備的動力蓄電池電壓而定。工作時，車內的溫度達到設定的目標溫度后，暖風PTC加熱器則停止工作；車內的溫度低于設定的目標溫度時，暖風PTC加熱器繼續工作。其控制原理可以防止暖風PTC加熱器因過度加熱造成的損壞和燒毀，還可以節約動力蓄電池的電量，保持足夠的續航能力。

3 自動空調控制原理的應用

3.1 自動空調鼓風機不運轉

例如，一臺2020年12月生產的比亞迪秦EV，車輛行駛功能正常，交流慢充功能正常，儀表顯示動力蓄電池的電量SOC值為100%，但空調不制冷，鼓風機也不運轉。根據空調的控制原理，空調控制器收到鼓風機的打開信號后，才會發出信號控制壓縮機運轉，空調方能制冷。因此，經初步判斷，需要對該車的鼓風機的相關控制進行診斷。使用診斷儀讀取的故障碼B2A3314，前排鼓風機調整信號對地短路或開路；鼓風機的控制原理電路圖如圖2所示，診斷步驟如下。

圖2 鼓風機控制原理電路圖

（1）根據圖2電路圖所示，在未斷開連接器G23時，使用萬用表測量G23/2端子的對地電壓為12.2 V，正常；斷開鼓風機連接器G23、調速模塊連接器G24、空調控制器連接器G21（C）后，測量線束G24/4-G23/1、G24/4端子-C21（C）/24、G24/1-車身搭鐵G24/3-G21（B）/5之間的電阻值，均小于1 Ω，正常；連接鼓風機連接器G23，給G23/1與G23/2通電后，鼓風機能運轉。

（2）根據圖2電路圖進一步分析可知，鼓風機調速模塊收到空調控制器的占空比信號后，根據占空比的大小，通過控制鼓風機的負極來控制鼓風機的運轉及運轉的速度，即實現無級變速[6]。接著檢查空調控制器；連接G24、C21（C）、G21（B），給車輛上電，打開鼓風機，風量從最低調至最高，使用萬用表測量G21（C）/11-車身搭鐵的電壓，電壓從1.9 V變化至2.3 V，由此可知空調控制器正常。

（3）檢查鼓風機的調速信號。拔下鼓風機連接器G24，點火開關至于ON檔的位置，測得G24/3線束與車身搭鐵之間電源電壓為12.2 V，正常。

綜上所述，空調控制器、鼓風機、鼓風機與鼓風機調速模塊的線束、鼓風機調速信號均正常，因此可判斷：鼓風機不運轉的原因是鼓風機調速模塊故障所致。更換鼓風機調速模塊后，鼓風機運轉正常，空調制冷正常。

3.2 自動空調不制冷

某品牌的一輛新能源汽車，車輛能正常行駛，空調不制冷。經初步檢查，該車鼓風機各檔位運轉正常，但壓縮機不工作。無故障碼，讀取數據流顯示的高壓管路壓力為0。使用空調壓力表檢查高壓管路與低壓管路的壓力均為7 kgf/cm2，與診斷儀上數據流顯示的壓力不符。對空調系統進行重新抽真空加制冷劑，故障依然存在，數據流顯示的高壓管路壓力仍然是0。結合新能源汽車自動空調的控制原理進行分析，初步懷疑是壓力傳感器出現了故障。回收制冷劑后，在空調壓力表顯示為0時，打開點火開關對壓力傳感器進行檢測。因該車空調系統配備的壓力傳感器為三根線，使用萬用表測量其1號端子與3號端子的電壓為5 V，2號端子與車聲搭鐵的電壓為0.5 V。根據空調壓力傳感器的控制原理，5 V供電的壓力傳感器為信號輸出。12 V供電的壓力傳感器為占空比輸出。根據此原理，給空調系統加壓到不同的壓力后，檢測空調壓力傳感器得到的數據如表2所示。

表2 壓力傳感器在不同壓力輸出的電壓值

利用表2檢測出來的數據，把其生成曲線擬合的趨勢線，如圖3所示。

圖3 不同壓力與輸出電壓值的趨勢線

通過分析趨勢線可知，2是0.998 6，非常接近1，所以得出該壓力傳感器工作的可靠性較高，存在故障的概率不大[7]。進一步檢測壓力傳感器與空調控制器之間連接線束的電阻，均小于1 Ω，正常；最后更換空調控制器，對空調系統的管路進行重新抽真空加制冷劑，故障排除。

4 結束語

對于新能源汽車自動空調控制原理的研究，除了要掌握自動空調控制的原理之外，還需學會利用數學知識通過曲線擬合趨勢線的方法來判斷零部件的工作性能是否可靠，同時也要考慮高壓線路對空調系統的影響。在對涉及高壓線路進行實驗研究時，務必做好高壓安全的防護，時刻把安全放在首位。

[1] 劉穎，孫春陽. 汽車空調制冷系統常見故障的診斷分析[J]. 造紙裝備及材料，2022，51(5): 33-35.

[2] 張暑辰，錢春雷，史勖. 汽車空調節能效果特征與影響因素分析[J]. 質量與標準化，2022(9): 55-58.

[3] 鮑建名. 商務車空調系統結霜問題研究[J]. 汽車電器，2019(2): 67-69.

[4] 徐思亮. 汽車空調制冷系統疑難故障診斷[J]. 時代汽車，2020(5): 120-121.

[5] 夏國明. 論汽車空調的基本工作原理及制冷劑[J]. 內燃機與配件，2021(7): 67-68.

[6] 肖振興. 直流電機變速的PWM波的幾種產生方法[J]. 現代信息科技，2020，4(11): 42-44.

[7] 楊泱. 回歸模型篩選準則及方法比較研究[J]. 昆明理工大學學報(自然科學版)，2015，40(3): 134-138.

Research on the Control Principle of Automatic Air-Conditioning for New Energy Vehicles

Currently, the maintenance of automatic air conditioning for new energy vehicles has become a key technology urgently needed in the aftermarket of new energy vehicles. The article mainly focuses on the control principle of automatic air conditioning for new energy vehicles, and elaborates on the composition, control principle, and application of automatic air conditioning for new energy vehicles. In the application case, it was proposed that for the detected variable data, it is necessary to learn to use mathematical knowledge to judge the reliability and accuracy of component work, providing a new judgment method for automotive fault diagnosis and maintenance.

new energy vehicles;air conditioning system; control principle; fault diagnosis; pressure sensor; blower

TP27

A

1008-1151(2023)11-0085-04

2023-02-23

2023年度廣西高校中青年教師科研基礎能力提升項目“卡車車載電子控制暖風干衣機設計與開發”（2023KY1136）。

梁耀杰（1987－），男，廣西貴港人，廣西水利電力職業技術學院工程師，實驗師，研究方向為汽車檢測與維修技術。