新能源汽车热泵空调控制系统设计实现

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。