作者單位：東風馬勒熱系統(tǒng)有限公司研發(fā)部
隨著汽車技術水平的不斷提升，一些新型的空調系統(tǒng)也應運而生。但是能夠實現(xiàn)節(jié)能高效的制熱和制冷的空調系統(tǒng)不多，其中熱泵空調系統(tǒng)有很多優(yōu)點，它在制熱方面具有PTC電加熱無法比擬的高效特性。新能源汽車空調系統(tǒng)和傳統(tǒng)燃油汽車空調系統(tǒng)工作原理相同，只是空調壓縮機的驅動方式及暖風產(chǎn)生方式有所不同。新能源汽車空調系統(tǒng)電動壓縮機通過高壓電驅動，電動空調壓縮機通過壓縮來自蒸發(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)。
國外熱泵技術具備一定的產(chǎn)業(yè)化應用基礎，電動汽車量產(chǎn)車型，如寶馬和日產(chǎn)均配置了熱泵空調系統(tǒng)。國內研發(fā)電動汽車熱泵型空調系統(tǒng)仍在起步階段。
1熱泵空調溫控原理
其實熱泵空調的原理并不復雜，無論在制冷還是制熱的情況下都只能對熱量進行轉移。
車內制冷時，電動壓縮機將高溫低壓的冷媒壓縮成高溫高壓的液體，通過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)過膨脹閥后，冷媒膨脹為低溫低壓的液珠流入車內換熱器，使車內氣體溫度下降。然后冷媒轉化為高溫低壓的氣體，再流向電動壓縮機。如此循環(huán)，達到車內制冷效果。
車內制熱時，電動壓縮機將高溫低壓的冷媒壓縮成高溫高壓的液體，通過閥切換冷媒流向，流向車內熱交換器，這時車內溫度因此升高，同時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；而冷媒比車外溫度低，冷媒吸收車外氣體的熱量，轉化為高溫低壓的氣體，再流向電動壓縮機。如此循環(huán)，達到車內制熱效果。
本質上是通過多個閥的組合控制，切換冷媒的流動方向，使冷凝器和蒸發(fā)器的角色不斷的互換，同時配合電動壓縮機從而達到制冷制熱的效果。以上功能的實現(xiàn)由熱泵空調控制器實現(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)過線圈產(chǎn)生的電磁吸力來使內部芯鐵上下移動，控制閥的打開來控制介質流通的執(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，介質的流動方向為單向，適用的制冷劑R134a，最大工作壓力為3.6Mpa。負載類型為感性負載。有兩pin腳組成，不分正負，只需一個引腳接地，一個引腳高低電平引腳。內部電路如圖3：
2.2電子膨脹閥EXV
熱力膨脹閥在電動車空調系統(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熱度，已達到節(jié)能效果。該熱泵控制系統(tǒng)選用的電子膨脹閥為LIN控制。額定電壓12V，工作電壓9V～16V，額定電流小于0.35A，驅動頻率30-120PPS，根據(jù)脈沖數(shù)改變膨脹閥開度，當脈沖數(shù)為0時膨脹閥全閉，當脈沖數(shù)為480時膨脹閥全開，適用制冷劑R134a、R410A等，且介質流動方向為雙向流動，具體通信協(xié)議見圖：
2.3PT傳感器
壓力溫度傳感器可以實現(xiàn)一個傳感器在同一點可以同時測量冷媒壓力和溫度，為客戶節(jié)省對配線束及安裝閥座，適時快速響應保護壓縮機，提高空調系統(tǒng)的效率。該熱泵控制系統(tǒng)選用的PT傳感器工作壓力0-4.6MPaG。工作介質：R134a、R410a、R1234yf。工作溫度：-30到130oC。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，在電路上通過串聯(lián)外接電阻，分壓換算出NTC的阻值。
3硬件電路設計
3.1主控芯片
當前市場上出售的單片機種類非常多，但是在能夠滿足汽車要求的單片機中，飛思卡爾單片機具有精簡指令集、運行速度快，芯片實時性好、IO帶負載能力強、可靠性強的優(yōu)勢，而飛思卡爾單片機中MC9S12G128是經(jīng)過一系列優(yōu)化后的16bitsMCU，其優(yōu)點是成本低，功耗低，功能集成度高，PIN腳少但復用度高。Flash memory 128Kbytes，三路SCI，SPI，八路PWM，十二路10bitADC，同時具備看門狗定時器，能有效防止電壓波動、EMC、軟硬件意外故障造成的死機現(xiàn)象，片內也有二極管保護電路，遠遠達到產(chǎn)品的需要。
3.2步進電機驅動電路
控制風門的步進電機為四相步進電機。驅動芯片選用ST公司的L9826芯片，該芯片是一個八路低側驅動芯片專用于汽車領域，有片選引腳NCS和復位引腳NRES，通過SPI控制八個out的輸出，其中CLK為時鐘引腳，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450Ma，且具有過壓、欠壓，負載短路、過熱等保護，完全可以滿足步進電機對驅動能力的要求。因為模式風門，混合風門，內外循環(huán)風門使用了三個步進電機，所以此控制器使用了兩片L9826芯片。
3.3SOV閥驅動電路
英飛凌TL9104SH是首款智能型四通道低側開關，在12V系統(tǒng)中電流可高達直流5A。這就能驅動各種負載，例如高精度端口燃油噴射器、高能量閥或大電流繼電器。
在市場上的同類產(chǎn)品中TLE9104SH驅動電流更大，帶負載能力更強，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16位串行外設接口（SPI），用于控制和診斷，所有通道都具有過流/過溫保護功能，通過有源鉗位電路進行增強，以驅動感性負載。可以通過SPI進行負載狀態(tài)檢測：對地短路（SCG），開路負載（OL）和電池短路（SCB）。四個輸入引腳可用于直接控制開關。同時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)應用中實現(xiàn)安全關鍵的理想選擇。
3.4CAN總線驅動
該控制器的CAN通信使用恩智浦半導體公司的TJA1042芯片，這款芯片是專門為汽車行業(yè)高速CAN通信設計，是一款在汽車行業(yè)內比較通用的一款芯片，成熟度高。次芯片傳輸速率能夠達到1MBITS/S，比TJ1040有更強的抗靜電能力，并且完全符合ISO11898標準。該電路一方面可以控制Can類型的壓縮機，另一方面也可以與整車進行通信，同時在上電自檢、故障反饋等方面也可以應用。
3.5EXV通信Lin總線驅動
因為電子膨脹閥的控制是使用LIN通信控制，所以在該控制器中設計了LIN通信電路，該電路是常見的LIN通信電路，二級管和電容有效的起到濾波去噪的作用，恩智浦公司的TJA1021是LIN2.0/SAEJ2602收發(fā)器而在TJA1021芯片的內部集成了ESD保護電路，能夠有效的起到防靜電的作用，同時TJA1021與TJA1020是兼容的，波特率從從1kBd到20kBd，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(LIN)主/從協(xié)議控制器和LIN中物理總線間進行接口，廣泛的運用在汽車LIN通信中。
3.6鼓風機驅動電路
新能源熱泵空調系統(tǒng)中，仍然需要使用鼓風機，與傳統(tǒng)空調并沒有區(qū)別，所以沿用了傳統(tǒng)空調中對鼓風機的控制電路。原理相同，輸出PWM信號經(jīng)過積分電路和運放就可以實現(xiàn)鼓風機調速，通過改變PWM信號的占空比來改變鼓風機的端電壓，從而實現(xiàn)鼓風機的調速功能。
3.7 Pt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，通過該電路采集六個PT傳感器。實時采集冷媒的溫度和壓力，從而監(jiān)控熱泵空調的工作狀態(tài)。該單片機AD采集位數(shù)為10bits，精度非常準確，完全能夠達到用戶的要求。
4軟件設計
4.1程序編譯平臺
該控制器軟件編程部分是在Codewarrior IDE平臺實現(xiàn)，并使用平臺自動生成軟件功能PE,完成底層驅動代碼自動生成，免除了繁瑣的寄存器配置。只需要對生成的函數(shù)進行調用。例如ADC驅動，PWM驅動，CAN總線和LIN總線，SPI，SCI都可以直接通過PE生成已經(jīng)配置好寄存器的封裝函數(shù)，減少開發(fā)時間，提高研發(fā)效率。
4.2系統(tǒng)軟件設計
此新能源熱泵空調控制器軟件使用C語言進行，編程，軟件可讀性非常強，方便了后期的維護升級。程序主要包括初始化，傳感器檢測采集，自動控制計算，風量控制，各種風門的控制，壓縮機控制等，主程序任務調度如圖16：
系統(tǒng)開機后首先進行系統(tǒng)初始化，對單片機IO端口，AD模塊，SPI，定時器，CAN，LIN等進行初始化設置，接著使用時間片調度的方法，對任務進行調度，優(yōu)先級高的任務先執(zhí)行，每10ms采集一次電池電壓和發(fā)動機狀態(tài)，并且接受LIN總線或者CAN總線發(fā)過來的信息。每50ms完成控制邏輯判斷，執(zhí)行相應的執(zhí)行器、鼓風機、冷凝風扇、壓縮機等，每100ms該控制器通過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。
在此過程中主程序會加上看門狗清零程序，每隔一段時間就會使用看門狗清零，一旦沒有清零，看門狗溢出，就會發(fā)出復位信息，單片機就會產(chǎn)生復位。
5硬件PCB
使用ORCAD中的Cadence完成原理圖設計，使用ORCAD中的LLEGRO完成PCB的布局布線，該布局合理合規(guī)，盡量避免信號之間的串擾。同時使用4層板設計，更好的減少電磁輻射和抗外界的電磁干擾。對于大電流，能夠走寬線盡量走寬線，電源部分采用鋪銅連接。整個布線效果見圖17：
6上位機軟件控制及監(jiān)控
使用Matlab中的Simulink建立仿真模型，同時也可以看做上位機對控制器進行操作。Simulink是MATLAB中的一種可視化仿真工具，是一種基于MATLAB的框圖設計環(huán)境，是實現(xiàn)動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和分析的一個軟件包，被廣泛應用于線性系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)、數(shù)字控制及數(shù)字信號處理的建模和仿真中。搭建的上位機如圖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，非常容易判斷此時整個熱泵空調系統(tǒng)處在哪種工作狀態(tài)，工作是否正常。
7總結
控制器使用飛思卡爾16位單片機作為MCU，硬件方面嚴格通過了第三方EMC實驗室測試。軟件方面使用時間片調度的方式使代碼整潔易讀，方便維護，且不同任務之間不沖突，實時性高，負載率低。目前該控制機已經(jīng)使用在多家整車廠，能夠在各種工況下正常工作，可靠性
