楊少柏 李尾 鐘昌 廖星東 張揚(yáng)清

摘要：新能源汽車是未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)，隨著新能源汽車的發(fā)展，空調(diào)系統(tǒng)也發(fā)生了很大改變。本文介紹新能源熱泵控制系統(tǒng)中空調(diào)運(yùn)行控制的實(shí)現(xiàn)，詳細(xì)描述了系統(tǒng)中基于飛思卡爾單片機(jī)設(shè)計(jì)的熱泵控制器控制原理和方案，此系統(tǒng)在改裝車輛上成功運(yùn)行，且經(jīng)過(guò)一系列驗(yàn)證。

關(guān)鍵詞：熱泵空調(diào);飛思卡爾單片機(jī);控制系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：U463.85 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1005-2550（2020）04-0062-07

楊少柏

畢業(yè)于華中師范大學(xué)，碩士學(xué)歷。現(xiàn)就職于東風(fēng)馬勒熱系統(tǒng)有限公司，任產(chǎn)品設(shè)計(jì)工程師，主要從事控制器硬件設(shè)計(jì)及軟件開發(fā)工作。

隨著汽車技術(shù)水平的不斷提升，一些新型的空調(diào)系統(tǒng)也應(yīng)運(yùn)而生。但是能夠?qū)崿F(xiàn)節(jié)能高效的制熱和制冷的空調(diào)系統(tǒng)不多，其中熱泵空調(diào)系統(tǒng)有很多優(yōu)點(diǎn)，它在制熱方面具有PTC電加熱無(wú)法比擬的高效特性。新能源汽車空調(diào)系統(tǒng)和傳統(tǒng)燃油汽車空調(diào)系統(tǒng)工作原理相同，只是空調(diào)壓縮機(jī)的驅(qū)動(dòng)方式及暖風(fēng)產(chǎn)生方式有所不同。新能源汽車空調(diào)系統(tǒng)電動(dòng)壓縮機(jī)通過(guò)高壓電驅(qū)動(dòng)，電動(dòng)空調(diào)壓縮機(jī)通過(guò)壓縮來(lái)自蒸發(fā)器的低壓低溫蒸汽，將其加壓到冷凝器，使制冷劑環(huán)繞系統(tǒng)循環(huán)。

國(guó)外熱泵技術(shù)具備一定的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用基礎(chǔ)，電動(dòng)汽車量產(chǎn)車型，如寶馬和日產(chǎn)均配置了熱泵空調(diào)系統(tǒng)。國(guó)內(nèi)研發(fā)電動(dòng)汽車熱泵型空調(diào)系統(tǒng)仍在起步階段。

1熱泵空調(diào)溫控原理

其實(shí)熱泵空調(diào)的原理并不復(fù)雜，無(wú)論在制冷還是制熱的情況下都只能對(duì)熱量進(jìn)行轉(zhuǎn)移。

車內(nèi)制冷時(shí)，電動(dòng)壓縮機(jī)將高溫低壓的冷媒壓縮成高溫高壓的液體，通過(guò)閥的控制使液體流向車外換熱器，由于車外溫度相比而言較低，冷媒降溫成為低溫高壓的液體，經(jīng)過(guò)膨脹閥后，冷媒膨脹為低溫低壓的液珠流入車內(nèi)換熱器，使車內(nèi)氣體溫度下降。然后冷媒轉(zhuǎn)化為高溫低壓的氣體，再流向電動(dòng)壓縮機(jī)。如此循環(huán)，達(dá)到車內(nèi)制冷效果。

車內(nèi)制熱時(shí)，電動(dòng)壓縮機(jī)將高溫低壓的冷媒壓縮成高溫高壓的液體，通過(guò)閥切換冷媒流向，流向車內(nèi)熱交換器，這時(shí)車內(nèi)溫度因此升高，同時(shí)冷媒降溫成為低溫高壓的液體，流經(jīng)電子膨脹閥后，冷媒膨脹為低溫低壓的液珠流向車外換熱器內(nèi);而冷媒比車外溫度低，冷媒吸收車外氣體的熱量，轉(zhuǎn)化為高溫低壓的氣體，再流向電動(dòng)壓縮機(jī)。如此循環(huán)，達(dá)到車內(nèi)制熱效果。

本質(zhì)上是通過(guò)多個(gè)閥的組合控制，切換冷媒的流動(dòng)方向，使冷凝器和蒸發(fā)器的角色不斷的互換，同時(shí)配合電動(dòng)壓縮機(jī)從而達(dá)到制冷制熱的效果。以上功能的實(shí)現(xiàn)由熱泵空調(diào)控制器實(shí)現(xiàn)。具體系統(tǒng)原理見圖1：

2部分傳感器及執(zhí)行器選型

2.1電磁閥SOV

電磁閥是一種由電流經(jīng)過(guò)線圈產(chǎn)生的電磁吸力來(lái)使內(nèi)部芯鐵上下移動(dòng)，控制閥的打開來(lái)控制介質(zhì)流通的執(zhí)行器件。

該熱泵控制系統(tǒng)所選用的這款電磁閥電壓變化范圍為DC9V-16V，額定電壓12V，工作電流額定0.8A，額定功率10W，介質(zhì)的流動(dòng)方向?yàn)閱蜗?，適用的制冷劑R134a，最大工作壓力為3.6Mpa。負(fù)載類型為感性負(fù)載。有兩pin腳組成，不分正負(fù)，只需一個(gè)引腳接地，一個(gè)引腳高低電平引腳。內(nèi)部電路如圖3：

2.2電子膨脹閥EXV

熱力膨脹閥在電動(dòng)車空調(diào)系統(tǒng)中將逐步由電子膨脹閥替代。采用電子膨脹閥可以更為精確地控制過(guò)熱度，已達(dá)到節(jié)能效果。該熱泵控制系統(tǒng)選用的電子膨脹閥為L(zhǎng)IN控制。額定電壓12V，工作電壓9V～16V，額定電流小于0.35A，驅(qū)動(dòng)頻率30-120PPS，根據(jù)脈沖數(shù)改變膨脹閥開度，當(dāng)脈沖數(shù)為0時(shí)膨脹閥全閉，當(dāng)脈沖數(shù)為480時(shí)膨脹閥全開，適用制冷劑R134a、R410A等，且介質(zhì)流動(dòng)方向?yàn)殡p向流動(dòng)，具體通信協(xié)議見圖：

2.3 PT傳感器

壓力溫度傳感器可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)傳感器在同一點(diǎn)可以同時(shí)測(cè)量冷媒壓力和溫度，為客戶節(jié)省對(duì)配線束及安裝閥座，適時(shí)快速響應(yīng)保護(hù)壓縮機(jī)，提高空調(diào)系統(tǒng)的效率。該熱泵控制系統(tǒng)選用的Prr傳感器工作壓力0-4.6MPaG。工作介質(zhì)：R134a、R410a、R1234yf。工作溫度：-30到130～C。壓力精度：2%Vcc，溫度精度：0.8-1.8℃。其工作原理如圖：熱敏電阻的阻值隨溫度變化而變化，在電路上通過(guò)串聯(lián)外接電阻，分壓換算出NTC的阻值。

3硬件電路設(shè)計(jì)

3.1主控芯片

當(dāng)前市場(chǎng)上出售的單片機(jī)種類非常多，但是在能夠滿足汽車要求的單片機(jī)中，飛思卡爾單片機(jī)具有精簡(jiǎn)指令集、運(yùn)行速度快，芯片實(shí)時(shí)性好、10帶負(fù)載能力強(qiáng)、可靠性強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，而飛思卡爾單片機(jī)中MC9S12G128是經(jīng)過(guò)一系列優(yōu)化后的16bits MCU，其優(yōu)點(diǎn)是成本低，功耗低，功能集成度高，PIN腳少但復(fù)用度高。Flash memory128Kbytes，三路SCI，SPI，八路PWM，十二路10bit ADC，同時(shí)具備看門狗定時(shí)器，能有效防止電壓波動(dòng)、EMC、軟硬件意外故障造成的死機(jī)現(xiàn)象，片內(nèi)也有二極管保護(hù)電路，遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)到產(chǎn)品的需要。

3.2步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

控制風(fēng)門的步進(jìn)電機(jī)為四相步進(jìn)電機(jī)。驅(qū)動(dòng)芯片選用sT公司的L9826芯片，該芯片是一個(gè)八路低側(cè)驅(qū)動(dòng)芯片專用于汽車領(lǐng)域，有片選引腳NCS和復(fù)位引腳NRES，通過(guò)SPI控制八個(gè)out的輸出，其中CLK為時(shí)鐘引腳，SDO為數(shù)據(jù)輸出，SDI為數(shù)據(jù)輸入。另外該芯片輸出電流能力可以達(dá)450Ma，且具有過(guò)壓、欠壓，負(fù)載短路、過(guò)熱等保護(hù)，完全可以滿足步進(jìn)電機(jī)對(duì)驅(qū)動(dòng)能力的要求。因?yàn)槟Ｊ斤L(fēng)門，混合風(fēng)門，內(nèi)外循環(huán)風(fēng)門使用了三個(gè)步進(jìn)電機(jī)，所以此控制器使用了兩片L9826芯片。

3.3 SOV閥驅(qū)動(dòng)電路

英飛凌TL9104SH是首款智能型四通道低側(cè)開關(guān)，在12V系統(tǒng)中電流可高達(dá)直流5A。這就能驅(qū)動(dòng)各種負(fù)載，例如高精度端口燃油噴射器、高能量閥或大電流繼電器。

在市場(chǎng)上的同類產(chǎn)品中TLE9104SH驅(qū)動(dòng)電流更大，帶負(fù)載能力更強(qiáng)，且封裝面積非常小，極大縮減布局面積。功能上，它配備了一個(gè)16位串行外設(shè)接口（SPI），用于控制和診斷，所有通道都具有過(guò)流/過(guò)溫保護(hù)功能，通過(guò)有源鉗位電路進(jìn)行增強(qiáng)，以驅(qū)動(dòng)感性負(fù)載?？梢酝ㄟ^(guò)SPI進(jìn)行負(fù)載狀態(tài)檢測(cè)：對(duì)地短路（SCG），開路負(fù)載（OL）和電池短路（SCB）。四個(gè)輸入引腳可用于直接控制開關(guān)。同時(shí)它的安全功能包括額外的輸出使能引腳、SPI通信看門狗、SPI輸出狀態(tài)信息。這使得該產(chǎn)品成為在汽車和工業(yè)應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)安全關(guān)鍵的理想選擇。

3.4 CAN總線驅(qū)動(dòng)

該控制器的CAN通信使用恩智浦半導(dǎo)體公司的TJAl042芯片，這款芯片是專門為汽車行業(yè)高速cAN通信設(shè)計(jì)，是一款在汽車行業(yè)內(nèi)比較通用的一款芯片，成熟度高。次芯片傳輸速率能夠達(dá)到1MBITS/S，比TJ1040有更強(qiáng)的抗靜電能力，并且完全符合IS011898標(biāo)準(zhǔn)。該電路一方面可以控制Can類型的壓縮機(jī)，另一方面也可以與整車進(jìn)行通信，同時(shí)在上電自檢、故障反饋等方面也可以應(yīng)用。

3.5 EXV通信Lin總線驅(qū)動(dòng)

因?yàn)殡娮优蛎涢y的控制是使用LIN通信控制，所以在該控制器中設(shè)計(jì)了LIN通信電路，該電路是常見的LIN通信電路，二級(jí)管和電容有效的起到濾波去噪的作用，恩智浦公司的TJAl021是LIN2.0/SAE J2602收發(fā)器而在TJAl021芯片的內(nèi)部集成了ESD保護(hù)電路，能夠有效的起到防靜電的作用，同時(shí)TJAl021與TJAl020是兼容的，波特率從從1 kBd到20 kBd，能夠滿足要求。這款芯片也是常見的LIN通信芯片，它在本地互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)（L1N）主/從協(xié)議控制器和LIN中物理總線間進(jìn)行接口，廣泛的運(yùn)用在汽車LIN通信中。

3.6鼓風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

新能源熱泵空調(diào)系統(tǒng)中，仍然需要使用鼓風(fēng)機(jī)，與傳統(tǒng)空調(diào)并沒(méi)有區(qū)別，所以沿用了傳統(tǒng)空調(diào)中對(duì)鼓風(fēng)機(jī)的控制電路。原理相同，輸出PWM信號(hào)經(jīng)過(guò)積分電路和運(yùn)放就可以實(shí)現(xiàn)鼓風(fēng)機(jī)調(diào)速，通過(guò)改變PWM信號(hào)的占空比來(lái)改變鼓風(fēng)機(jī)的端電壓，從而實(shí)現(xiàn)鼓風(fēng)機(jī)的調(diào)速功能。

3.7Pt傳感器采集電路

該電路為典型的ADC采集電路，加入RC提高抗干擾能力，通過(guò)該電路采集六個(gè)PT傳感器。實(shí)時(shí)采集冷媒的溫度和壓力，從而監(jiān)控?zé)岜每照{(diào)的工作狀態(tài)。該單片機(jī)AD采集位數(shù)為10bits，精度非常準(zhǔn)確，完全能夠達(dá)到用戶的要求。

4軟件設(shè)計(jì)

4.1程序編譯平臺(tái)

該控制器軟件編程部分是在Codewarrior IDE平臺(tái)實(shí)現(xiàn)，并使用平臺(tái)自動(dòng)生成軟件功能PE，完成底層驅(qū)動(dòng)代碼自動(dòng)生成，免除了繁瑣的寄存器配置。只需要對(duì)生成的函數(shù)進(jìn)行調(diào)用。例如ADC驅(qū)動(dòng)，PWM驅(qū)動(dòng)，CAN總線和LIN總線，SPI，SCI都可以直接通過(guò)PE生成已經(jīng)配置好寄存器的封裝函數(shù)，減少開發(fā)時(shí)間，提高研發(fā)效率。

4.2系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

此新能源熱泵空調(diào)控制器軟件使用C語(yǔ)言進(jìn)行，編程，軟件可讀性非常強(qiáng)，方便了后期的維護(hù)升級(jí)。程序主要包括初始化，傳感器檢測(cè)采集，自動(dòng)控制計(jì)算，風(fēng)量控制，各種風(fēng)門的控制，壓縮機(jī)控制等，主程序任務(wù)調(diào)度如圖16：

系統(tǒng)開機(jī)后首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化，對(duì)單片機(jī)IO端口，AD模塊，SPI，定時(shí)器，CAN，LIN等進(jìn)行初始化設(shè)置，接著使用時(shí)間片調(diào)度的方法，對(duì)任務(wù)進(jìn)行調(diào)度，優(yōu)先級(jí)高的任務(wù)先執(zhí)行，每10ms采集一次電池電壓和發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)，并且接受LIN，總線或者CAN總線發(fā)過(guò)來(lái)的信息。每50ms完成控制邏輯判斷，執(zhí)行相應(yīng)的執(zhí)行器、鼓風(fēng)機(jī)、冷凝風(fēng)扇、壓縮機(jī)等，每100ms該控制器通過(guò)can總線或者Lin總線將狀態(tài)信息發(fā)送給整車或者其他控制器。

在此過(guò)程中主程序會(huì)加上看門狗清零程序，每隔一段時(shí)間就會(huì)使用看門狗清零，一旦沒(méi)有清零，看門狗溢出，就會(huì)發(fā)出復(fù)位信息，單片機(jī)就會(huì)產(chǎn)生復(fù)位。

5硬件PCB

使用ORCAD中的Cadence完成原理圖設(shè)計(jì)，使用ORCAD中的LLEGRO完成PCB的布局布線，該布局合理合規(guī)，盡量避免信號(hào)之間的串?dāng)_。同時(shí)使用4層板設(shè)計(jì)，更好的減少電磁輻射和抗外界的電磁干擾。對(duì)于大電流，能夠走寬線盡量走寬線，電源部分采用鋪銅連接。整個(gè)布線效果見圖17：

6上位機(jī)軟件控制及監(jiān)控

使用Matlab中的Simulink建立仿真模型，同時(shí)也可以看做上位機(jī)對(duì)控制器進(jìn)行操作。Simulink是MATLAB中的一種可視化仿真工具，是一種基于MATLAB的框圖設(shè)計(jì)環(huán)境，是實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和分析的一個(gè)軟件包，被廣泛應(yīng)用于線性系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)、數(shù)字控制及數(shù)字信號(hào)處理的建模和仿真中。該軟件的好處是可以非?？斓拇罱Ｐ?，無(wú)需大量書寫程序，而只需要通過(guò)簡(jiǎn)單直觀的鼠標(biāo)操作，就可構(gòu)造出復(fù)雜的系統(tǒng)。通過(guò)串口對(duì)控制器發(fā)出指令，控制該控制器進(jìn)行工作。搭建的上位機(jī)如圖18所示：

如圖19和圖20可以清晰的觀察到壓力溫度傳感器采集到的數(shù)值。根據(jù)壓力溫度傳感器采集的數(shù)值顯示，非常容易判斷此時(shí)整個(gè)熱泵空調(diào)系統(tǒng)處在哪種工作狀態(tài)，工作是否正常。

7總結(jié)

控制器使用飛思卡爾16位單片機(jī)作為MCU，硬件方面嚴(yán)格通過(guò)了第三方EMC實(shí)驗(yàn)室測(cè)試。軟件方面使用時(shí)間片調(diào)度的方式使代碼整潔易讀，方便維護(hù)，且不同任務(wù)之間不沖突，實(shí)時(shí)性高，負(fù)載率低。目前該控制機(jī)已經(jīng)使用在多家整車廠，能夠在各種工況下正常工作，可靠性強(qiáng)。得到客戶的廣泛好評(píng)。