一種基于脈沖寬度調(diào)制控制低成本空調(diào)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方式
閆? 偉,孔令靜,陳信強(qiáng),沙文瀚 (奇瑞新能源汽車股份有限公司,安徽?蕪湖?241000)
摘? 要:本文介紹了一種新能源低成本空調(diào)系統(tǒng)控制實(shí)現(xiàn)方案。引入整車控制器,參與空調(diào)系統(tǒng)中PTC、壓縮 機(jī)、面板的交互。根據(jù)鼓風(fēng)機(jī)自身電性能屬性,增加整車控制器脈沖寬度調(diào)制(PWM)接口資源,匹配性修 正調(diào)速模塊部分電路,另增加與鼓風(fēng)機(jī)閉環(huán)交互能力,通過整車控制器的PWM來控制鼓風(fēng)機(jī)調(diào)速,進(jìn)而實(shí)現(xiàn) 低成本空調(diào)系統(tǒng)。可實(shí)現(xiàn)在快節(jié)奏研發(fā)基調(diào)下的整車鼓風(fēng)機(jī)風(fēng)速調(diào)節(jié),滿足節(jié)能降本的空調(diào)制冷和制熱功能。
關(guān)鍵詞:脈沖寬度調(diào)制控制;鼓風(fēng)機(jī)調(diào)速;修正電路;低成本空調(diào)
0 引言
隨著新能源汽車市場關(guān)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(xiàn)很亮眼,產(chǎn)銷量同比增幅很明顯。電動車市場競爭力 增強(qiáng)也制約著產(chǎn)品開發(fā)周期,在高質(zhì)量要求的同時,開 發(fā)周期精簡后提早進(jìn)入市場,起到先入為主效果,滿足 市場需求。與此同時,隨著產(chǎn)量的越發(fā)增加,整車成本 也將會面臨壓縮,面對開發(fā)周期壓縮和成本降低的雙重 挑戰(zhàn)[1],在硬件基礎(chǔ)條件下的控制改進(jìn)將會是重點(diǎn)。自 身車型中的低成本空調(diào)系統(tǒng)的控制[2]顯得尤為重要,其 控制效果的改進(jìn)和功能的完善對于提升整個汽車空調(diào)系 統(tǒng)的性能也將至關(guān)重要[3]。不同廠商也針對自身空調(diào)系 統(tǒng)特性提出了不同的解決方案。
鑒于開發(fā)進(jìn)度,采用原空調(diào)系統(tǒng)各單件元素,引入 整車控制器(VCU)做適應(yīng)性開發(fā),在調(diào)速模塊基礎(chǔ)上 進(jìn)行簡單匹配性更改,實(shí)現(xiàn)低成本統(tǒng)調(diào)系統(tǒng)功能。
1 系統(tǒng)方案設(shè)計
1.1 系統(tǒng)交互功能方案
整車空調(diào)系統(tǒng)是使用者根據(jù)整車溫度過高或者過 低去觸發(fā)空調(diào)系統(tǒng),通過人機(jī)交互界面或者遠(yuǎn)程APP 對空調(diào)系統(tǒng)的ACP(空調(diào)面板)發(fā)送風(fēng)量、溫度、 模式、AC/PTC、內(nèi)外循環(huán)、除霜除霧[4]、自動控制[5] (AUTO)請求指令,ACP將請求指令進(jìn)行分解傳輸至 VCU(整車控制器)、風(fēng)門電機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)及PTC,VCU 根據(jù)需求輸入控制EAC(壓縮機(jī))轉(zhuǎn)速,實(shí)現(xiàn)使用者所 需的空調(diào)請求效果;
而低成本空調(diào)系統(tǒng)方案將鼓風(fēng)機(jī)控制權(quán)和PTC控 制權(quán)交由VCU來控制,VCU分解面板對鼓風(fēng)機(jī)風(fēng)速要 求,VCU通過PWM調(diào)速控制鼓風(fēng)機(jī)的調(diào)速模塊,實(shí)現(xiàn) 電壓的控制,進(jìn)而對鼓風(fēng)機(jī)控制,概圖如圖1所示;
1.2 匹配電路設(shè)計
采用低成本空調(diào)系統(tǒng)方案重點(diǎn)是VCU與調(diào) 速模塊的匹配,需要對原鼓風(fēng)機(jī)調(diào)速模塊[6]基 礎(chǔ)電路進(jìn)行細(xì)微修改,外部通過面板輸入調(diào)速 模塊PWM電壓信號,經(jīng)內(nèi)部RC及分壓電路轉(zhuǎn) 換為可供MOSFET工作在放大區(qū)的電壓,通過 調(diào)節(jié)PWM占空比,可以實(shí)現(xiàn)不同供電電壓, 從而利用MOSFET放大的工作原理對鼓風(fēng)機(jī)回 路的控制。調(diào)速模塊引出MOS管D極電壓,反 饋至空調(diào)面板,通過內(nèi)部電路調(diào)整PWM占空 比,從而實(shí)現(xiàn)整車控制器PWM控制鼓風(fēng)機(jī)風(fēng) 速,前后基礎(chǔ)電路預(yù)修正如圖2所示。
1.2.1 元器件參數(shù)
修正在預(yù)修正電路 下,PWM波形高 電平與整車低壓電 源電壓有關(guān),針對 此,對原有電路內(nèi) 部RC及分壓電路 器件參數(shù)進(jìn)行調(diào) 整:電阻R1 和 R2 分別選擇:6.8 kΩ 和5.1 kΩ,電容 選擇2個22 μF并 聯(lián)。參考MOS管 特性曲線[7]圖3,更改后的MOS管G極輸入電壓最大 值可以達(dá)到 6.8 V,小于其飽和開 啟電壓,不會對其工作效果產(chǎn)生 影響。
與此同時,F(xiàn)B反饋電壓需滿 足VCU的接收電壓在0~5 V內(nèi),故 需要再對電路電壓采樣點(diǎn)路進(jìn)行 更改,根據(jù)公式(1)計算確定參 數(shù)。經(jīng)計算R 3 = 4.7 K, R 4 =11K , 故選用R3 和R4 的阻值來實(shí)現(xiàn)修正 電路的匹配;
2 系統(tǒng)臺架仿真設(shè)計
2.1 系統(tǒng)臺架構(gòu)建
為驗(yàn)證匹配修正電路和低成本空調(diào)系統(tǒng)方案的可行 性,須提前在臺架上模擬測試驗(yàn)證。當(dāng)臺架仿真數(shù)據(jù)滿 足要求即可同步搭載在實(shí)車車型體現(xiàn)。
系統(tǒng)臺架構(gòu)建元素:VCU控制器、鼓風(fēng)機(jī)、調(diào)速模 塊、穩(wěn)壓電源替代蓄電池供電、PC電腦,利用萬用表 和示波器來實(shí)現(xiàn)同步監(jiān)測電壓和波形的實(shí)際輸出狀態(tài)。 在此構(gòu)建的系統(tǒng)臺架中,首先利用穩(wěn)壓電源模擬現(xiàn)實(shí)蓄 電池正常供電11~16 V范圍輸出給此系統(tǒng);其次通過PC 電腦CCP標(biāo)定方式實(shí)現(xiàn)不同檔位對應(yīng)的占空比輸出給調(diào) 速模塊;最后通過萬用表和示波器監(jiān)測并采集鼓風(fēng)機(jī)端 電壓值形成控制數(shù)據(jù)庫供VCU使用。
系統(tǒng)臺架構(gòu)建實(shí)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(fēng)機(jī)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(qū) 域,工況測試結(jié)果如表1。
2.3 臺架仿真分析
通過臺架模擬實(shí)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(fēng)機(jī)兩端 電壓-檔位-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(fēng)機(jī)兩端工 作電壓且在合理的要求范圍內(nèi),故此低成本空調(diào)系統(tǒng)匹 配電路修正方案可行。
3 實(shí)車搭載驗(yàn)證
為了驗(yàn)證低成本空調(diào)功能和臺架數(shù)據(jù)建模設(shè)計低成 本空調(diào)系統(tǒng)的控制邏輯,實(shí)現(xiàn)PWM占空比轉(zhuǎn)模擬量輸 出控制調(diào)速模塊,實(shí)現(xiàn)鼓風(fēng)機(jī)調(diào)速模塊的調(diào)速,滿足低 成本空調(diào)系統(tǒng)架構(gòu)對VCU的控制要求的方案能否真正體 現(xiàn)在量產(chǎn)車型上,需要經(jīng)過嚴(yán)格的需求—設(shè)計—開發(fā)— 驗(yàn)證V流程。
作為整個V流程中是最關(guān)鍵的環(huán)節(jié),實(shí)車搭載驗(yàn)證 將決定功能方案的可靠性和其他性能。實(shí)車測試數(shù)據(jù)如 圖6所示;通過采集數(shù)據(jù)與控制數(shù)據(jù)對比,在恒定蓄電 池供電電壓下,風(fēng)擋占空比的控制與風(fēng)擋檔位請求一 致,鼓風(fēng)機(jī)電壓也趨近于曲線形變化而非斷崖式。故此 方案在實(shí)車搭載是可靠的。
4 結(jié)論
本文基于預(yù)設(shè)計方案思想對低成本空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行V 流程設(shè)計開發(fā)[8],針對低成本空調(diào)系統(tǒng)中的VCU與調(diào)速 模塊控制匹配核心難點(diǎn)進(jìn)行模擬、測試和驗(yàn)證,為達(dá)到 最優(yōu)控制效果,修正匹配電路。參考臺架測試數(shù)據(jù)設(shè) 計PWM輸出占空比,實(shí)現(xiàn)VCU與調(diào)速模塊的控制,經(jīng) 實(shí)車搭載測試驗(yàn)證分析,滿足低成本空調(diào)系統(tǒng)的方案 要求。
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