車用電動空調壓縮機ECU 測試方法研究

叢憲冬，李秋實

（東北林業大學 交通學院，哈爾濱 150040）

電動空調壓縮機在智能化和電氣化的趨勢下被廣泛應用于電動汽車及中高級燃油車中，空調系統主要功能是根據需求制冷或制熱，為駕乘人員提供一個舒適的環境[1]，減少駕駛員的駕駛疲勞。作為汽車空調系統的核心-空調壓縮機控制器，它的質量和安全性受到汽車廠家和消費者的廣泛關注。因此研制一套功能齊全的電動空調壓縮機ECU 測試方案，對消除用戶續航焦慮，排除產品安全隱患，具有重要意義。

盡管國內外學者對ECU 測試系統的開發研究工作已取得較大成果，但目前國內對新能源汽車空調系統的測試工作仍存在一定空白，研究工作與工業界需求仍有一定差距。比如現有測試系統無法在生產制造環節測試產品，控制單元性能測試項目不完備、測試工藝冗長、平臺兼容性差等問題。基于上述技術問題，本文研制一套高效完備的電動空調壓縮機ECU 測試方法，解決現有測試系統的某些缺陷。

1 車用電動空調ECU 工作原理

電控單元主體為一個集成電路板，外部由殼體封裝保護。板載集成了微處理器、輸入輸出接口、存儲器、模數轉化器、驅動電路、穩壓器等多個部分。

電動空調系統的電子控制單元對外部傳感器采集到的各類信號進行處理，如壓力傳感器和鼓風機反饋的數字量信號直接傳遞給控制器邏輯運算，而壓縮機和鼓風機的驅動信號需經過A/D 變換為數字量信號后，被控制器采集處理。外圍的電源電路提供低壓電平，經逆變器模塊將低壓的直流電轉變為交流電[2]，被信號調理電路濾波調制后供電給控制器。保護電路防止電壓值過大擊穿器件，是功率電器中的常設模塊。控制器經運算得到的指令輸出為低電平，無法驅動執行器[3]，需經驅動電路放大輸出信號至額定電壓值以驅動電機工作。

2 測試方案設計

搭建的測試系統結構框圖如圖1 所示，電機ECU 與PC 機間通過以太網通信，電源模塊負責輸出被測電機的母線電壓，臺架上搭建電機對拖進行負載仿真，兩臺電機之間通過聯軸器和扭矩傳感器相接。傳感器將采集的電機扭矩和轉速信號上傳至測試管理軟件中，被測控制器發送的三相電壓和電流被上位機的LabView 子程序實時存儲，參數經處理顯示為波形圖表，底層硬件之間利用CAN 總線通訊。

圖1 測試系統結構框圖Fig.1 Test system structure block diagram

2.1 硬件組成

硬件組成部分包括電源管理單元、數據采集卡、CAN 通信板卡、信號調理單元和負載仿真單元。硬件各部分連接圖如圖2 所示，機柜內部集成電源管理單元、板卡機箱、工控機和臺架。其中機柜內部的板卡機箱有眾多卡槽可放置數據采集卡、信號調理板卡和CAN 通信卡，工控機作為測試系統的下位機負責執行上位機指令并反饋數據。

圖2 硬件部分連接圖Fig.2 Hardware part connection diagram

2.2 軟件設計

本文的軟件操作平臺以LabView 為開發環境，利用NI 公司的多功能數據采集卡模擬測試過程中各類信號。軟件方案設計如圖3 所示，內容可分為三大模塊：數據采集模塊、信號輸出模塊和測試管理模塊。

圖3 軟件方案結構圖Fig.3 Software scheme structure diagram

利用LabView 編程各模塊的子程序，前面板是顯示界面負責輸出波形圖表。測試軟件操作界面實時顯示各項性能指標，監控電流和電壓變化曲線。信號輸出模塊對采樣信號降噪濾波處理并輸出波形。

測試管理模塊包括信息管理、用戶管理、測試序列執行等多個界面[4]。如圖4 所示，界面支持顯示操作人員、產品工單、產品工裝信息和測試序列執行的詳細過程，實時顯示測試的每一個測試項的結果和數據，測試標準值上限、下線、標準值。

圖4 測試執行界面Fig.4 Test execution interface

3 測試項分析

在批量化生產中ECU 可能因油污、焊接、震動因素導致虛焊、短路等故障。因此，需要在研發及生產環節加入對ECU 的功能性檢測，以確保ECU 各模塊功能正常。根據需求將測試項目在系統內劃分成4 個模塊：參數標定、負載模擬、通訊功能測試及過欠壓保護。

3.1 參數標定

方案選用基于CAN 總線的CCP 協議標定參數，其采用主-從式通信方式。標定系統由3 部分組成：主設備采用C# 編寫上位機標定軟件[5]，通訊模塊采用USB-CAN 卡，從設備為待標定ECU。CCP 協議棧的具體實現流程如圖5 所示。

圖5 CCP 協議棧實現流程Fig.5 CCP protocol stack implementation flow chart

初始化USB-CAN 卡，標定系統成功建立邏輯連接，啟動CAN 報文接收器持續不斷的接受報文。從機接受主機發送的CRO 報文，讀取數據傳輸報文中第1 個字節的CMD 代碼和從機需執行的指令參數。從機完成指令后向主機發送DTO 報文，主機根據返回報文中的第1 個字節PID 段識別DTO 報文類型，故障模式下返回故障代碼（ERR）供主機軟件處理，其余部分為數據參數區，用于反饋響應主機指令后參數狀態。

3.2 負載模擬

方案以2 臺功率一致的無刷直流電機對拖方式連接，構建負載仿真單元模擬過載工況。

數學模型可以更直觀描述各物理量之間的邏輯關系，對于無刷直流電機這種關系復雜、變量多的控制系統，優先架構數學模型，進行控制系統的研究分析，有利于對測試系統的精確模擬。為簡化分析過程，做出如下假設[6]：

（1）忽略電機鐵芯飽和，不計渦流和磁滯損失；

（2）永磁體材料的電導率為0，其內部的磁導率和空氣一致；

（3）電機的氣隙磁場在空氣中呈正弦分布；

（4）轉子上沒有阻尼繞組；

（5）電機電流為對稱三相電流。

式中：va、vb、vc是定子繞組兩端相電壓；Rs是每個定子繞組線圈的等效電阻；ia、ib、ic是流經定子繞組線圈的相電流；ψa、ψb、ψc是每個定子繞組線圈的總磁鏈；p=d/dt 是微分算子。

式 中：Laa、Lbb、Lcc是定子繞組的自感；Mac、Mab、Mbc、Mba、Mcb是定子繞組的互感。

三相繞組總磁鏈由定子繞組的永磁體磁鏈和3個繞組共同組成，定義如下：

式中：ψam、ψbm、ψcm是轉子磁鏈過定子A、B、C 三相繞組時產生的磁鏈。

根據上述公式構建電機數學模型，在LabView搭建仿真模塊采集輸出數據。搭建的電機試驗臺架如圖6 所示，主體包括負載電機、驅動電機以及扭矩傳感器，中間用聯軸器連接。

圖6 電機試驗臺架Fig.6 Motor test bench

左側驅動電機為真實電動空調壓縮機，右側為負載電機其轉矩與轉速方向相反。測試系統控制負載電機轉矩模擬實際負載，探究可能存在的隱形問題。負載可模擬在10%～78%的濕度和0℃～52℃的溫度下，調控電機輸出800～8500 r/min 范圍的轉速，輸出0～8 N·m 范圍的目標轉矩。

3.3 通訊功能測試

方案以無刷直流電機為被控對象，利用CAN 總線將測試各個節點聯合成完整的控制系統，測試系統驗證控制器接收各節點報文功能是否正常。ECU通訊功能測試中定義的各項目參數和功能如表1所示。

表1 其余測試項協議格式定義Tab.1 Protocol format definition of remaining test items

通訊模塊以CAN 總線為主要通信總線，上位機采用NI 公司的PCI-8512 板卡。測試過程如下：首先對CAN 模塊數據初始化，實現對CAN 控制器的自定義配置。板卡初始化完成后，測試系統中的ECU與上位機互相發送接收報文，交互信息被存放在緩沖器中，根據表1 中定義的格式解析報文內容，觀察發送和返回的報文是否與表1 中定義一致。PC 機與CAN 板卡之間通過驅動程序進行通訊，動態鏈接庫中包括常見CAN 通道開啟、初始化、啟動、復位、報文接受/發送、關閉等函數，進程可自由調用執行代碼相關函數。

3.4 過欠壓保護

過欠壓保護是大功率電氣設計中不可或缺的一部分。為有效檢測電壓值，防止瞬時高壓擊穿IGBT。通常會在控制器內部設置2 個高壓傳感器，定時比較兩者差值。當傳感器差值超過設定值時，壓縮機進入停機保護。在本方案中電機的額定電壓為350 V，設計持續輸入450 V 的過壓和215 V 的欠壓驗證電路閾值精度，探究電路對溫度和電流敏感度的變化。

基于上述測試方案設計，分析測試需求梳理框架對產品進行實際測試。測試完成對數據進行分析并對方案評價。測試總體流程如圖7 所示。

圖7 測試方案流程Fig.7 Test scheme flow chart

4 測試結果分析

測試總體過程如下：先完成上電準備開始測試，配置測試所需的參數搭建硬件環境。測試正式開始，操作上位機進入測試界面準備測試，持續給被測ECU 上電4 s，記錄控制器電源和PSM 板電壓；隨后增壓操作，持續2 s 輸出350 V 的額定電壓，完成u，v，w 三相電壓上電，讀取電壓值并通過高壓互鎖測試驗證高壓電路連接情況。

進入測試第1 項參數標定：設置負載電機，壓縮機轉子在額定功率下啟動并開始發送報文，延時18 s 后轉子通過CAN 發送報文被上位機讀取，持續2 s 讀取轉子工作碼、軟件版本日期、版本號以及故障碼，校驗故障碼是否正常，若正常則繼續測試，若失敗則根據碼值解析具體故障原因；轉子返回母線電壓值、壓縮機功率、溫度、轉速、扭矩等參數，判斷采集轉速是否正常記錄數據；轉子在壓縮機內以額定功率正常運作，繼續讀取母線電壓和u，v，w 三相電壓再依次采集數值，延時5 s 后該測試項結束。

進入測試第2 項控制器過欠壓保護測試：電壓經過二次增壓達到450 V 的過壓并持續12 s，再降低電源電壓至420 V 并保持15 s，依次讀取轉速、電壓值、轉子狀態等信息。參數讀取完成，設置電壓回歸額定狀態350 V，讀取電機轉速，過壓保護測試結束進入欠壓測試。設置電壓為215 V 的欠壓狀態輸出12 s，讀取相關參數，欠壓保護測試結束。

恢復額定電壓等待10 s 上電，轉子工作停止保持通訊連接正常讀取狀態，此時控制器停止發送報文等待結束，觀測到三相電壓源采集為0，電壓采集顯示壓縮機已停止工作，關閉控制器電源測試結束。

電壓隨時間變化曲線如圖8 所示，觀察到實驗效果達到預期。在整個測試執行過程中驗證了產品的可靠性，通過了安全規范生產的行業要求，絕緣測試、耐壓測試和漏電流測試通過表征產品絕緣性能良好；高壓互鎖測試佐證電路器件連接完好，沒有線束短接或外露風險；過欠壓保護中電壓波動處于正常范圍內，被控單元能在規定的時間內完成過壓和欠壓的恢復、停機，可保障操作人員的人生安全。整個測試方案設計合理、可靠，測試方案的準確性和有效性滿足預期設想。

圖8 電壓隨時間變化曲線Fig.8 Voltage curve over time

5 結語

本文基于電動空調壓縮機的工作原理和結構特點，開發設計一款車載空調壓縮機ECU 的測試方案，使測試人員從繁瑣的機械化流程中解放出來。自動化測試系統有效提高電動空調壓縮機控制器的檢測質量，優化測試流程，提高測試效率，使產品的質量和安全性得到有效保證。

方案充分發揮LabView 虛擬儀器平臺的智能化和可塑性強的特點，設計出集成度高的軟件界面和硬件平臺。目前該方案在工業界逐步推廣，已產生一定的商業價值，具有良好的示范效應。