新能源汽车热泵空调控制系统设计实现

摘要：新能源汽车是未来发展趋势，随着新能源汽车的发展，空调系统也发生了很大改变。本文介绍新能源热泵控制系统中空调运行控制的实现，详细描述了系统中基于飞思卡尔单片机设计的热泵控制器控制原理和方案，此系统在改装车辆上成功运行，且经过一系列验证。

随着汽车技术水平的不断提升，一些新型的空调系统也应运而生。但是能够实现节能高效的制热和制冷的空调系统不多，其中热泵空调系统有很多优点，它在制热方面具有PTC电加热无法比拟的高效特性。新能源汽车空调系统和传统燃油汽车空调系统工作原理相同，只是空调压缩机的驱动方式及暖风产生方式有所不同。新能源汽车空调系统电动压缩机通过高压电驱动，电动空调压缩机通过压缩来自蒸发器的低压低温蒸汽，将其加压到冷凝器，使制冷剂环绕系统循环。

国外热泵技术具备一定的产业化应用基础，电动汽车量产车型，如宝马和日产均配置了热泵空调系统。国内研发电动汽车热泵型空调系统仍在起步阶段。

1 热泵空调温控原理

其实热泵空调的原理并不复杂，无论在制冷还是制热的情况下都只能对热量进行转移。

车内制冷时，电动压缩机将高温低压的冷媒压缩成高温高压的液体，通过阀的控制使液体流向车外换热器，由于车外温度相比而言较低，冷媒降温成为低温高压的液体，经过膨胀阀后，冷媒膨胀为低温低压的液珠流入车内换热器，使车内气体温度下降。然后冷媒转化为高温低压的气体，再流向电动压缩机。如此循环，达到车内制冷效果。

车内制热时，电动压缩机将高温低压的冷媒压缩成高温高压的液体，通过阀切换冷媒流向，流向车内热交换器，这时车内温度因此升高，同时冷媒降温成为低温高压的液体，流经电子膨胀阀后，冷媒膨胀为低温低压的液珠流向车外换热器内；而冷媒比车外温度低，冷媒吸收车外气体的热量，转化为高温低压的气体，再流向电动压缩机。如此循环，达到车内制热效果。

本质上是通过多个阀的组合控制，切换冷媒的流动方向，使冷凝器和蒸发器的角色不断的互换，同时配合电动压缩机从而达到制冷制热的效果。以上功能的实现由热泵空调控制器实现。具体系统原理见图1：

图1 系统框图

2 部分传感器及执行器选型

2.1 电磁阀SOV

图2 电磁阀

电磁阀是一种由电流经过线圈产生的电磁吸力来使内部芯铁上下移动，控制阀的打开来控制介质流通的执行器件。

该热泵控制系统所选用的这款电磁阀电压变化范围为DC9V—16V，额定电压12V，工作电流额定0.8A，额定功率10W，介质的流动方向为单向，适用的制冷剂R134a，最大工作压力为3.6Mpa。负载类型为感性负载。有两pin脚组成，不分正负，只需一个引脚接地，一个引脚高低电平引脚。内部电路如图3：

图3 内部原理

2.2 电子膨胀阀EXV

图4 电子膨胀阀EXV

热力膨胀阀在电动车空调系统中将逐步由电子膨胀阀替代。采用电子膨胀阀可以更为精确地控制过热度，已达到节能效果。该热泵控制系统选用的电子膨胀阀为LIN控制。额定电压12V，工作电压9V～16V，额定电流小于0.35A，驱动频率30-120PPS，根据脉冲数改变膨胀阀开度，当脉冲数为0时膨胀阀全闭，当脉冲数为480时膨胀阀全开，适用制冷剂R134a、R410A等，且介质流动方向为双向流动，具体通信协议见图：

图5 LIN协议控制

2.3 PT传感器

图6 PT传感器

压力温度传感器可以实现一个传感器在同一点可以同时测量冷媒压力和温度，为客户节省对配线束及安装阀座，适时快速响应保护压缩机，提高空调系统的效率。该热泵控制系统选用的PT传感器工作压力0-4.6MPaG。工作介质：R134a、R410a、R1234yf。工 作 温 度：-30到130ºC。压力精度：2%Vcc，温度精度：0.8-1.8℃。其工作原理如图：

图7 Pt传感器内部电路

热敏电阻的阻值随温度变化而变化，在电路上通过串联外接电阻，分压换算出NTC的阻值。

图8 阻值-温度曲线

3 硬件电路设计

3.1 主控芯片

图9 MCU

当前市场上出售的单片机种类非常多，但是在能够满足汽车要求的单片机中，飞思卡尔单片机具有精简指令集、运行速度快，芯片实时性好、IO带负载能力强、可靠性强的优势，而飞思卡尔单片机中MC9S12G128是经过一系列优化后的16bits MCU，其优点是成本低，功耗低，功能集成度高，PIN脚少但复用度高。Flash memory 128Kbytes，三路SCI，SPI，八路PWM，十二路10bit ADC，同时具备看门狗定时器，能有效防止电压波动、EMC、软硬件意外故障造成的死机现象，片内也有二极管保护电路，远远达到产品的需要。

3.2 步进电机驱动电路

图10 步进电机驱动

控制风门的步进电机为四相步进电机。驱动芯片选用ST公司的L9826芯片，该芯片是一个八路低侧驱动芯片专用于汽车领域，有片选引脚NCS和复位引脚NRES，通过SPI控制八个out的输出，其中CLK为时钟引脚，SDO为数据输出，SDI为数据输入。另外该芯片输出电流能力可以达450Ma，且具有过压、欠压，负载短路、过热等保护，完全可以满足步进电机对驱动能力的要求。因为模式风门，混合风门，内外循环风门使用了三个步进电机，所以此控制器使用了两片L9826芯片。

3.3 SOV阀驱动电路

图11 SOV阀驱动电路

英飞凌TL9104SH是首款智能型四通道低侧开关，在12V系统中电流可高达直流5A。这就能驱动各种负载，例如高精度端口燃油喷射器、高能量阀或大电流继电器。在市场上的同类产品中TLE9104SH驱动电流更大，带负载能力更强，且封装面积非常小，极大缩减布局面积。功能上，它配备了一个16位串行外设接口（SPI），用于控制和诊断，所有通道都具有过流/过温保护功能，通过有源钳位电路进行增强，以驱动感性负载。可以通过SPI进行负载状态检测：对地短路（SCG），开路负载（OL）和电池短路（SCB）。四个输入引脚可用于直接控制开关。同时它的安全功能包括额外的输出使能引脚、SPI通信看门狗、SPI输出状态信息。这使得该产品成为在汽车和工业应用中实现安全关键的理想选择。

3.4 CAN总线驱动

图12 CAN总线电路

该控制器的CAN通信使用恩智浦半导体公司的TJA1042芯片，这款芯片是专门为汽车行业高速CAN通信设计，是一款在汽车行业内比较通用的一款芯片，成熟度高。次芯片传输速率能够达到1MBITS/S，比TJ1040有更强的抗静电能力，并且完全符合ISO11898标准。该电路一方面可以控制Can类型的压缩机，另一方面也可以与整车进行通信，同时在上电自检、故障反馈等方面也可以应用。

3.5 EXV通信Lin总线驱动

图13 Lin总线电路

因为电子膨胀阀的控制是使用LIN通信控制，所以在该控制器中设计了LIN通信电路，该电路是常见的LIN通信电路，二级管和电容有效的起到滤波去噪的作用，恩智浦公司的TJA1021是LIN2.0/SAE J2602收发器而在TJA1021芯片的内部集成了ESD保护电路，能够有效的起到防静电的作用，同时TJA1021与TJA1020是兼容的，波特率从从1 kBd 到 20 kBd，能够满足要求。这款芯片也是常见的LIN通信芯片，它在本地互联网络(LIN)主/从协议控制器和LIN中物理总线间进行接口，广泛的运用在汽车LIN通信中。

3.6 鼓风机驱动电路

图14 鼓风机驱动电路

新能源热泵空调系统中，仍然需要使用鼓风机，与传统空调并没有区别，所以沿用了传统空调中对鼓风机的控制电路。原理相同，输出PWM信号经过积分电路和运放就可以实现鼓风机调速，通过改变PWM信号的占空比来改变鼓风机的端电压，从而实现鼓风机的调速功能。

3.7 Pt传感器采集电路

图15 PT传感器采集电路

该电路为典型的ADC采集电路，加入RC提高抗干扰能力，通过该电路采集六个PT传感器。实时采集冷媒的温度和压力，从而监控热泵空调的工作状态。该单片机AD采集位数为10bits，精度非常准确，完全能够达到用户的要求。

4 软件设计

4.1 程序编译平台

该控制器软件编程部分是在Codewarrior IDE平台实现，并使用平台自动生成软件功能PE,完成底层驱动代码自动生成，免除了繁琐的寄存器配置。只需要对生成的函数进行调用。例如ADC驱动，PWM驱动，CAN总线和LIN总线，SPI，SCI都可以直接通过PE生成已经配置好寄存器的封装函数，减少开发时间，提高研发效率。

4.2 系统软件设计

此新能源热泵空调控制器软件使用C语言进行，编程，软件可读性非常强，方便了后期的维护升级。程序主要包括初始化，传感器检测采集，自动控制计算，风量控制，各种风门的控制，压缩机控制等，主程序任务调度如图16：

图16 任务调度图

系统开机后首先进行系统初始化，对单片机IO端口，AD模块，SPI，定时器，CAN，LIN等进行初始化设置，接着使用时间片调度的方法，对任务进行调度，优先级高的任务先执行，每10ms采集一次电池电压和发动机状态，并且接受LIN总线或者CAN总线发过来的信息。每50ms完成控制逻辑判断，执行相应的执行器、鼓风机、冷凝风扇、压缩机等，每100ms该控制器通过can总线或者Lin总线将状态信息发送给整车或者其他控制器。

在此过程中主程序会加上看门狗清零程序，每隔一段时间就会使用看门狗清零，一旦没有清零，看门狗溢出，就会发出复位信息，单片机就会产生复位。

5 硬件PCB

使用ORCAD中的Cadence完成原理图设计，使用ORCAD中的LLEGRO完成PCB的布局布线，该布局合理合规，尽量避免信号之间的串扰。同时使用4层板设计，更好的减少电磁辐射和抗外界的电磁干扰。对于大电流，能够走宽线尽量走宽线，电源部分采用铺铜连接。整个布线效果见图17：

图17 Pcblayout

6 上位机软件控制及监控

使用Matlab中的Simulink建立仿真模型，同时也可以看做上位机对控制器进行操作。Simulink是MATLAB中的一种可视化仿真工具，是一种基于MATLAB的框图设计环境，是实现动态系统建模、仿真和分析的一个软件包，被广泛应用于线性系统、非线性系统、数字控制及数字信号处理的建模和仿真中。该软件的好处是可以非常快的搭建模型，无需大量书写程序，而只需要通过简单直观的鼠标操作，就可构造出复杂的系统。通过串口对控制器发出指令，控制该控制器进行工作。搭建的上位机如图18所示：

图18 Simulink上位机界面

如图19和图20可以清晰的观察到压力温度传感器采集到的数值。根据压力温度传感器采集的数值显示，非常容易判断此时整个热泵空调系统处在哪种工作状态，工作是否正常。

图19 温度采集

图20 压力采集

7 总结

控制器使用飞思卡尔16位单片机作为MCU，硬件方面严格通过了第三方EMC实验室测试。软件方面使用时间片调度的方式使代码整洁易读，方便维护，且不同任务之间不冲突，实时性高，负载率低。目前该控制机已经使用在多家整车厂，能够在各种工况下正常工作，可靠性强。得到客户的广泛好评。

作者：杨少柏，李尾，钟昌，廖星东，张扬清