一种基于脉冲宽度调制控制低成本空调系统实现方式

闫伟 孔令静 陈信强 沙文瀚

摘要：本文介绍了一种新能源低成本空调系统控制实现方案。引入整车控制器，参与空调系统中PTC、压缩机、面板的交互。根据鼓风机自身电性能属性，增加整车控制器脉冲宽度调制（PWM）接口资源，匹配性修正调速模块部分电路，另增加与鼓风机闭环交互能力，通过整车控制器的PWM来控制鼓风机调速，进而实现低成本空调系统。可实现在快节奏研发基调下的整车鼓风机风速调节，满足节能降本的空调制冷和制热功能。

关键词：脉冲宽度调制控制;鼓风机调速;修正电路;低成本空调

0引言

随着新能源汽车市场关注度的日益提升及国家推出的一系列利好于新能源汽车的政策，我国新能源汽车表现很亮眼，产销量同比增幅很明显。电动车市场竞争力增强也制约着产品开发周期，在高质量要求的同时，开发周期精简后提早进入市场，起到先入为主效果，满足市场需求。与此同时，随着产量的越发增加，整车成本也将会面临压缩，面对开发周期压缩和成本降低的双重挑战，在硬件基础条件下的控制改进将会是重点。自身车型中的低成本空调系统的控制显得尤为重要，其控制效果的改进和功能的完善对于提升整个汽车空调系统的性能也将至关重要。不同厂商也针对自身空调系统特性提出了不同的解决方案。

鉴于开发进度，采用原空调系统各单件元素，引入整车控制器（VCU）做适应性开发，在调速模块基础上进行简单匹配性更改，实现低成本统调系统功能。

1系统方案设计

1.1系统交互功能方案

整车空调系统是使用者根据整车温度过高或者过低去触发空调系统，通过人机交互界面或者远程APP对空调系统的ACP（空调面板）发送风量、温度、模式、AC/PTC、内外循环、除霜除雾、自动控制（AUTO）请求指令，ACP将请求指令进行分解传输至VCU（整车控制器）、风门电机、鼓风机及PTC，VCU根据需求输入控制EAC（压缩机）转速，实现使用者所需的空调请求效果;

而低成本空调系统方案将鼓风机控制权和PTC控制权交由VCU来控制，VCU分解面板对鼓风机风速要求，VCU通过PWM调速控制鼓风机的调速模块，实现电压的控制，进而对鼓风机控制，概图如图1所示;

1.2匹配电路设计

采用低成本空调系统方案重点是VCU与调速模块的匹配，需要对原鼓风机调速模块基础电路进行细微修改，外部通过面板输入调速模块PWM电压信号，经内部RC及分压电路转换为可供MOSFETI作在放大区的电压，通过调节PWM占空比，可以实现不同供电电压，从而利用MOSFET放大的工作原理对鼓风机回路的控制。调速模块引出MOS管D极电压，反馈至空调面板，通过内部电路调整PWM占空比，从而实现整车控制器PWM控制鼓风机风速，前后基础电路预修正如图2所示。

1.2.1元器件参数修正

在预修正电路下，PWM波形高电平与整车低压电源电压有关，针对此，对原有电路内部RC及分压电路器件参数进行调整：电阻R1和R2分别选择：6.8 kΩ和5.1 kΩ，电容选择2个22 uF并联。参考MOs管特性曲线图3，更改后的MOS管G极输入电压最大值可以达到6.8 V，小于其饱和开启电压，不会对其工作效果产生影响。

与此同时，FB反馈电压需满足VCU的接收电压在0-5 V内，故需要再对电路电压采样点路进行更改，根据公式（1）计算确定参数。经计算R3=4.7K，R4=llK，故选用R3和R4的阻值来实现修正电路的匹配;

2系统台架仿真设计

2.1系统台架构建

为验证匹配修正电路和低成本空调系统方案的可行性，须提前在台架上模拟测试驗证。当台架仿真数据满足要求即可同步搭载在实车车型体现。

系统台架构建元素：VCU控制器、鼓风机、调速模块、稳压电源替代蓄电池供电、PC电脑，利用万用表和示波器来实现同步监测电压和波形的实际输出状态。在此构建的系统台架中，首先利用稳压电源模拟现实蓄电池正常供电11-16 V范围输出给此系统;其次通过PC电脑CCP标定方式实现不同档位对应的占空比输出给调速模块;最后通过万用表和示波器监测并采集鼓风机端电压值形成控制数据库供VCU使用。

系统台架构建实物如图4所示。

2.2台架仿真测试

在台架仿真测试过程中，考虑到鼓风机在整车低压电源是有范围的，故使用台架模拟11-16 V有效工作区域，工况测试结果如表1。

2.3台架仿真分析

通过台架模拟实际工况的供电电压测试，更改后可以匹配VCU的PWM控制电路，分析绘制出鼓风机两端电压一档位一占空比逻辑值，如图5所示。

从图中可知，此仿真比较精确地控制鼓风机两端工作电压且在合理的要求范围内，故此低成本空调系统匹配电路修正方案可行。

3实车搭载验证

为了验证低成本空调功能和台架数据建模设计低成本空调系统的控制逻辑，实现PWM占空比转模拟量输出控制调速模块，实现鼓风机调速模块的调速，满足低成本空调系统架构对VCU的控制要求的方案能否真正体现在量产车型上，需要经过严格的需求一设计一开发一验SEv流程。

作为整个V流程中是最关键的环节，实车搭载验证将决定功能方案的可靠性和其他性能。实车测试数据如图6所示;通过采集数据与控制数据对比，在恒定蓄电池供电电压下，风挡占空比的控制与风挡档位请求一致，鼓风机电压也趋近于曲线形变化而非断崖式。故此方案在实车搭载是可靠的。

4结论

本文基于预设计方案思想对低成本空调系统进行V流程设计开发，针对低成本空调系统中的VCU与调速模块控制匹配核心难点进行模拟、测试和验证，为达到最优控制效果，修正匹配电路。参考台架测试数据设计PWM输出占空比，实现VCU与调速模块的控制，经实车搭载测试验证分析，满足低成本空调系统的方案要求。