一種基于脈沖寬度調制控制低成本空調系統實現方式

閆偉 孔令靜 陳信強 沙文瀚

摘要：本文介紹了一種新能源低成本空調系統控制實現方案。引入整車控制器，參與空調系統中PTC、壓縮機、面板的交互。根據鼓風機自身電性能屬性，增加整車控制器脈沖寬度調制（PWM）接口資源，匹配性修正調速模塊部分電路，另增加與鼓風機閉環交互能力，通過整車控制器的PWM來控制鼓風機調速，進而實現低成本空調系統。可實現在快節奏研發基調下的整車鼓風機風速調節，滿足節能降本的空調制冷和制熱功能。

關鍵詞：脈沖寬度調制控制;鼓風機調速;修正電路;低成本空調

0引言

隨著新能源汽車市場關注度的日益提升及國家推出的一系列利好于新能源汽車的政策，我國新能源汽車表現很亮眼，產銷量同比增幅很明顯。電動車市場競爭力增強也制約著產品開發周期，在高質量要求的同時，開發周期精簡后提早進入市場，起到先入為主效果，滿足市場需求。與此同時，隨著產量的越發增加，整車成本也將會面臨壓縮，面對開發周期壓縮和成本降低的雙重挑戰，在硬件基礎條件下的控制改進將會是重點。自身車型中的低成本空調系統的控制顯得尤為重要，其控制效果的改進和功能的完善對于提升整個汽車空調系統的性能也將至關重要。不同廠商也針對自身空調系統特性提出了不同的解決方案。

鑒于開發進度，采用原空調系統各單件元素，引入整車控制器（VCU）做適應性開發，在調速模塊基礎上進行簡單匹配性更改，實現低成本統調系統功能。

1系統方案設計

1.1系統交互功能方案

整車空調系統是使用者根據整車溫度過高或者過低去觸發空調系統，通過人機交互界面或者遠程APP對空調系統的ACP（空調面板）發送風量、溫度、模式、AC/PTC、內外循環、除霜除霧、自動控制（AUTO）請求指令，ACP將請求指令進行分解傳輸至VCU（整車控制器）、風門電機、鼓風機及PTC，VCU根據需求輸入控制EAC（壓縮機）轉速，實現使用者所需的空調請求效果;

而低成本空調系統方案將鼓風機控制權和PTC控制權交由VCU來控制，VCU分解面板對鼓風機風速要求，VCU通過PWM調速控制鼓風機的調速模塊，實現電壓的控制，進而對鼓風機控制，概圖如圖1所示;

1.2匹配電路設計

采用低成本空調系統方案重點是VCU與調速模塊的匹配，需要對原鼓風機調速模塊基礎電路進行細微修改，外部通過面板輸入調速模塊PWM電壓信號，經內部RC及分壓電路轉換為可供MOSFETI作在放大區的電壓，通過調節PWM占空比，可以實現不同供電電壓，從而利用MOSFET放大的工作原理對鼓風機回路的控制。調速模塊引出MOS管D極電壓，反饋至空調面板，通過內部電路調整PWM占空比，從而實現整車控制器PWM控制鼓風機風速，前后基礎電路預修正如圖2所示。

1.2.1元器件參數修正

在預修正電路下，PWM波形高電平與整車低壓電源電壓有關，針對此，對原有電路內部RC及分壓電路器件參數進行調整：電阻R1和R2分別選擇：6.8 kΩ和5.1 kΩ，電容選擇2個22 uF并聯。參考MOs管特性曲線圖3，更改后的MOS管G極輸入電壓最大值可以達到6.8 V，小于其飽和開啟電壓，不會對其工作效果產生影響。

與此同時，FB反饋電壓需滿足VCU的接收電壓在0-5 V內，故需要再對電路電壓采樣點路進行更改，根據公式（1）計算確定參數。經計算R3=4.7K，R4=llK，故選用R3和R4的阻值來實現修正電路的匹配;

2系統臺架仿真設計

2.1系統臺架構建

為驗證匹配修正電路和低成本空調系統方案的可行性，須提前在臺架上模擬測試驗證。當臺架仿真數據滿足要求即可同步搭載在實車車型體現。

系統臺架構建元素：VCU控制器、鼓風機、調速模塊、穩壓電源替代蓄電池供電、PC電腦，利用萬用表和示波器來實現同步監測電壓和波形的實際輸出狀態。在此構建的系統臺架中，首先利用穩壓電源模擬現實蓄電池正常供電11-16 V范圍輸出給此系統;其次通過PC電腦CCP標定方式實現不同檔位對應的占空比輸出給調速模塊;最后通過萬用表和示波器監測并采集鼓風機端電壓值形成控制數據庫供VCU使用。

系統臺架構建實物如圖4所示。

2.2臺架仿真測試

在臺架仿真測試過程中，考慮到鼓風機在整車低壓電源是有范圍的，故使用臺架模擬11-16 V有效工作區域，工況測試結果如表1。

2.3臺架仿真分析

通過臺架模擬實際工況的供電電壓測試，更改后可以匹配VCU的PWM控制電路，分析繪制出鼓風機兩端電壓一檔位一占空比邏輯值，如圖5所示。

從圖中可知，此仿真比較精確地控制鼓風機兩端工作電壓且在合理的要求范圍內，故此低成本空調系統匹配電路修正方案可行。

3實車搭載驗證

為了驗證低成本空調功能和臺架數據建模設計低成本空調系統的控制邏輯，實現PWM占空比轉模擬量輸出控制調速模塊，實現鼓風機調速模塊的調速，滿足低成本空調系統架構對VCU的控制要求的方案能否真正體現在量產車型上，需要經過嚴格的需求一設計一開發一驗SEv流程。

作為整個V流程中是最關鍵的環節，實車搭載驗證將決定功能方案的可靠性和其他性能。實車測試數據如圖6所示;通過采集數據與控制數據對比，在恒定蓄電池供電電壓下，風擋占空比的控制與風擋檔位請求一致，鼓風機電壓也趨近于曲線形變化而非斷崖式。故此方案在實車搭載是可靠的。

4結論

本文基于預設計方案思想對低成本空調系統進行V流程設計開發，針對低成本空調系統中的VCU與調速模塊控制匹配核心難點進行模擬、測試和驗證，為達到最優控制效果，修正匹配電路。參考臺架測試數據設計PWM輸出占空比，實現VCU與調速模塊的控制，經實車搭載測試驗證分析，滿足低成本空調系統的方案要求。