汽车空调压缩机自动制冷控制技术及其温度控制方案设计

万 腾，王文静，周记国，谢 阳

（1.白城师范学院，吉林白城 137000；2.通榆县运输管理所，吉林通榆 137200）

1 引言

近年来，我国人民的生活水平不断提高，汽车的保有量也显著提升，作为现代化的交通工具，空调系统已成为乘坐舒适性的基础保证，空调系统在车厢内的制冷、取暖、换气等方面发挥着巨大的作用。汽车空调系统包含了众多零部件，是汽车结构中较大的功能系统，其体积通常可达到汽车整体的7%～10%，汽车的空调系统技术能力也在一定程度决定了汽车的档次。为提高整车的驾驶体验，汽车专业研发人员对空调控制技术进行了大量的研究，努力通过现代化的自动化技术使车内温度、湿度、空气流速、风量控制在最佳状态，同时时间精确且节能。因此，对汽车空调自动化控制系统的研究具有重要意义。

2 汽车空调压缩机控制系统组成与功能

2.1 控制系统的组成

空调控制中的制冷和取暖功能都是通过内外空间的热交换实现的，而通风功能是制冷和取暖的基础，也能实现车内外空气的流通。其中通风系统利用风机实现空气流通，制冷系统利用压缩蒸汽制冷，而取暖则是通过吸取发动机冷却液温度实现。而实际应用中通风和制冷功能是最常用到的，只有在我国北方地区的冬季，才会使用取暖功能，因此本文主要针对空调制冷和温控技术进行分析和设计。

汽车空调的控制系统主体结构主要包括了控制器、传感器、执行机构三大部分，如图1所示控制器是整个控制系统的核心，是信息处理的终端，也是空调系统有序运行的保证。传感器包含了多种功能和型号，常用的传感器有外部环境温度传感器、车厢温度传感器、车内空气质量传感器、光线传感器等。执行机构包括温度风门、除霜风门、循环风门、压缩机离合器开关、风机调速装置等[1]。

2.2 控制系统的功能

图1 汽车空调的控制系统主体结构

控制系统主要通过传感器获取车内外温度数据，并在车内进行显示，当空调系统被开启，并调节到指定温度时，车内的温度传感器会将车内的实时温度数据以电信号的形式提供给空调控制器，由控制器自动执行温度调节方案。控制器会控制压缩机开始工作，同时各风门开启，并通过风机调速装置提供驾驶者所需的适合风量，以满足制冷系统的控制要求。此外，当空调制冷系统出现异常，系统中的CAN通讯接口还能将空调系统的故障信号和当时的冷却水温度数据进行上传，以保证空调系统的可靠运行[2]。

3 压缩机制冷系统的设计要求

3.1 压缩机制冷控制系统的基本条件要求

空调控制系统以传统的手动空调系统为基础进行升级设计，主要提升空调系统的自动化和智能化程度，研究的方案可用于家用汽车、商用汽车、货运汽车等须自动控制空调的平台。空调制冷系统能够应对室外复杂的气候条件，能解决高温干燥调节、高温高湿调节、空气质量调节等问题，主要的使用温度条件在5～45℃室外环境下，汽车空调制冷控制系统的基本条件数据如表1所示。

3.2 控制系统需满足的要求

（1） 具有良好的技术先进性，选用优质压缩机、传感器等原件，确保产品质量，通过实体按键操作结合数字化屏幕的显示，保证操作的简便性和功能的直观性，通过操作结果的可视化显示，提升空调系统的科技感。

（2） 保证压缩机制冷控制系统具有良好的可靠性，故障率满足汽车空调使用要求，且具备故障警报和检测功能，保证故障影响最小化。

（3） 保证空调系统维护的便捷性，维修人员能通过故障码显示或数据上传查看等多种形式判定故障问题，提高故障维修效率。

表1 汽车空调压缩机制冷控制系统的基本条件数据

（4） 控制系统对车内温湿度条件的控制具有足够的精确度，其中温湿度控制的误差范围在5%以内，能够通过控制压缩机具备较强的制冷能力，保证车内温度的快速调节[3]。

4 制冷控制系统主要部件工作条件确定

控制系统的工作部件必须在合理的条件下工作，才能保证系统的正常稳定运行，其中关键工作部件的工作条件数据如表2所示。

5 控制系统功能设计

5.1 按键及对应功能设计

（1） 送风条件控制按键设计

（a） 送风模式按键，可调节送风位置工作情况，例如中部送风、底部送风、除雾气等，送风状态能够在屏幕上实现显示；

（b） 循环模式按键，分为内循环、外循环两种，用以改变进风状态；

（c） 风力调节旋钮，调整风量大小，改变风机转速。

（2） 温度条件控制按键设计

（a） 温度设定旋钮，通过旋转升高或降低空调出风口温度，并在显示设备上显示已调整的温度数值，控制器根据温度数值控制调整压缩机和风门的工作状态，达到调整车内温度的目的；

（b） A/C键主要控制压缩机的工作状态，当A/C键亮起，压缩机处于工作状态，并在显示屏上出现雪花标志。

（3） 其他功能按键设计

（a） AUTO键按下后会使空调自动工作状态，当传感器测得车厢内部温度与预设温度差超范围后，会自动开启压缩机启动制冷模式，以保持车内温度条件；

（b） OFF键主要用于关闭空调，此外，若空调存在故障问题，长按OFF键5 s以上可检查故障代码，明确故障原因[4]。

5.2 控制系统的功能实施

5.2.1 按键功能的实施

按键是空调功能的主要控制设备，是汽车中唯一的输入设备，驾驶员通过选择不同功能的按键实现对汽车空调功能的设定和调节。按键操作是向控制器输入指令并执行相关的设定，汽车控制系统多利用单片机功能实现，因此多采用灵活、结构简单非编码键盘形式全盘进行操作，非编码的形式只通过软件来识别键盘上的闭合键，从而完成温度设定、风量设定、空调模式设定等功能，按键操作后，微处理会自动扫描各功能按键的状态变化，根据不同的按键输入执行对应的空调设定程序，从而实现按键控制空调的功能。

5.2.2 压缩机功能控制

常规车用空调压缩机的电磁离合器工作电压为24 V，工作电流在3 A左右，因电流较大，因此选用适应性能更好的DC-SSR固态继电器作为驱动驱动开关控制装置。固态继电器属于无触点开关器件，能够实现通过较小信号控制大功率负载的功能要求。且固态继电器的吸合与释放时间仅需1 ms即可完成，且具有抗干扰能力强、可靠性高、稳定性好、输出输入完全隔离等诸多优点。控制系统利用单片机的I/O接口控制继电器的开关，达到对压缩机启动状态的控制，为减轻负载启停时产生的瞬间感应电流冲击问题，特在负载A位置并联了续流二极管（图2），以提升系统的可靠性。

表2 主要部件工作条件数据

5.2.3 温度功能控制

温度数据的获取是温度控制功能实现的基础，温度采集元件先进性和配套技术决定了温度控制的精确度。在空调控制系统中，常用来测量温度的元器件主要包括：半导体热敏元件、热电偶、金属热电阻等，现阶段使用较多的为半导体热敏元件，半导体热敏元件又分为NTC热敏元件和PTC热敏元件两类，本方案主张采用NTC热敏元件作为传感器主要技术元件，在应用过程中，根据电阻变化情况，得到温度采集电路输出电压范围在4.46～0.14 V范围之间，输出电压经过滤波后通过ADC接口传递给处理器进行分析，进而进行温度调节控制[5]。

图2 续流二极管稳定负载示意图

图3 控制风门开度与温度关系图

空调温度的预设值为18～29 ℃，其中18 ℃为最低温度，29 ℃为最高温度，正常情况下，空调的自动控制温度在此区间内，控制系统会根据驾乘人员设置的温度对比实际室内温度自动调整风门开度（图3） 和压缩机的工作状态，达到改变室内温度的功能。当驾乘人员将空调温度调至18 ℃以下时，系统会自动调整为最低制冷工作模式，此时温度风门完全关闭，空调面板显示为LO状态；当驾乘人员将空调温度调至30 ℃以上时，系统会自动调整为制热工作模式，循环风会经过暖水箱，空调面板显示为HI状态。

5.2.4 循环模式与风挡除雾控制

循环模式的改变通过循环风门的开关实现控制，当驾驶员选择外循环状态，循环风门关闭；当驾驶员选择内循环状态，循环风门开启。所选用的模式会通过屏幕进行显示。风挡除雾功能用来去除前风挡雾气造成的视线干扰，当驾驶员开启此功能，循环模式将切换为外循环，风机风力自动调整为7级，同时其他出风口关闭，显示屏显示除霜图标，此功能可通过手动模式降低除雾风力。

6 结语

总之，在汽车空调压缩机制冷技术快速发展的前提下，压缩机技术以及风机、风门等结构都更容易与传感器技术及其他自动化技术相结合，从而提高汽车空调制冷系统的自动化程度，通过合理的控制方案，有利于启程空调压缩机制冷技术向智能化方向进步，并在最大程度上提高驾乘感受，帮助实现汽车技术的整体提升。