电动汽车用电动压缩机控制策略研究

岳伟涛 梁小俏 罗林国

摘要：针对电动汽车用电动压缩机，从电动压缩机控制原理、软件保护策略及与整车交互方面进行分析与研究。研究结论可帮助读者在一定程度上理解电动压缩机控制逻辑，为汽车工程师在电动压缩机开发设计提供一定帮助，同时对电动压缩机售后维修具有一定指导意义。

关键词：电动汽车;电动压缩机;硬件设计;软件保护策略;整车交互

中图分类号：U469.72 收稿日期：2022-02-23

DOI： 10.19999/j.cnki.1004-0226.2022.04.004

1 前言

近年来，随着电动汽车产业的兴起，人们对电动汽车的舒适性、可靠性和节能环保等提出了更高的要求，而电动汽车空调系统性能的好坏直接影响乘客舒适性[1-2]。电动汽车空调系统与传统燃油车空调系统的主要区别在于空调系统的动力源压缩机的变化，故压缩机的工作原理也发生了变化，由传统燃油车的机械压缩机变成了电动车的电动压缩机。

电动压缩机与机械压缩机的机械部分差异不大，常见的结构有活塞式和涡旋式。两者主要差异在于电动压缩机的电驱部分[3]，目前业内对电动压缩机的机械部分研究很多[4-5]，但对电动压缩机的控制器的设计与研究并不多见。

本文从电动压缩机控制原理、软件保护策略及与整车交互方面进行分析与研究，为电动汽车电动压缩机的设计、开发及售后维修提供一定参考。

2 控制原理设计简介

典型的电动压缩机控制器控制原理如图1所示，电动压缩机控制器硬件部分可分为高压供电部分、低压控制部分及高低压互锁回路组成，当压缩机收到低压控制信号后，IGBT导通高压供电，驱动电机带动压缩机工作。

2.1 高压供电部分

高压供电部分包括高压接插件、高压滤波电路及IGBT。其中高压接插件与整车线束连接，接插件底座为金属材质，通过螺栓与压缩机壳体导通，当接插件连接处漏电发生时，电流可以通过压缩机壳体传导到整车，再通过整车接地传到大地。

高压滤波电路一般有多个滤波电容并联组成，目的主要有两个：一是滤除母线电压的异常波动，使其输入给压缩机的电压是稳定的，避免大的电压波动导致压缩机损坏;二是吸收压缩机自身由于功率变化产生的纹波电压，防止压缩机产生的纹波对整车及其它高压件的影响。

IGBT是空调控制器中很重要的一个元器件，一般电动压缩机由6个IGBT组成，其作用是通过IGBT的通断来导通高压电路，以此驱动电机压缩机开始工作。由于IGBT会接通高压且会频繁吸合，其工作环境在整个控制器中最恶劣.IGBT常见的损坏模式有过流、过压和过热，为了保证IGBT在合适的温度范围内工作，一般电动压缩机控制器会加入很多的保护逻辑。

2.2 低压控制部分

低压控制部分包括低压接插件、滤波电路、DC-DC转换器、LIN/CAN通信回路、采样电路及ECU。其中低压接插件与整车线束连接，为压缩机控制器提供低压电和LIN/CAN信号通信。

滤波电路主要是为了保证低压输入电压的稳定。DC-DC转换器的目的是把12 V電转换为不同的电压，为不同的用电器提供电源，例如lGBT驱动电路一般需要15 V稳压电源，采样电路一般需要3.5 V稳压电源，LIN/CAN隔离和睡眠需要SV供电[6]。LIN/CAN通信为压缩机与整车交互的通道，整车通过LIN/CAN通信给压缩机下发各种指令，同时压缩机把自己的实际状态通过LIN/CAN反馈给整车判断压缩机的运行情况。采样电路作用于检测压缩机工作的电压、电流温度以及硬件保护回路。

ECU为电动压缩机控制器信号交互和收发的核心，ECU接收整车LIN/CAN信号，同时采集自身电压、电流、温度及各采样电路反馈的状态来判定压缩机是否满足启动状态，若满足启动条件，ECU发送启动信号给IGBT驱动芯片，驱动IGBT通断来启动压缩机电机。同时，ECU-直监控各元器件的工作状态，如有异常立刻停止压缩机运行并把故障模式反馈给整车。

2.3 高低压互锁回路

高低压互锁回路的目的是防止电动压缩机接插件未接或接触不良导致漏电而涉及人身安全的情况，其原理是通过一个低压线回路保证整车所有的高压和低压电器回路正常工作，只有当所有的接插件都接插到位时，各高压部件才能正常通信工作，当检测到互锁回路电流超过正常值时，整车会报互锁回路故障，此时整车无法上高压电。

3 软件保护策略

基于电动压缩机常见的失效模式介绍电动压缩机的保护策略，所有保护策略的目的是为了保护压缩机在工作异常时能及时降低运行功率或关机以及保护压缩机受到更加严重的损坏。电动压缩机的保护策略主要包括LIN/CAN通信保护、温度保护、过流保护、过压保护及低温预热。

3.1

LIN/CAN通信保护

LIN/CAN通信保护是指当压缩机与整车通信出现位错误、PID错误、无应答错误、帧错误、物理总线错误等时，当压缩机ECU检测到任一错误时间大于一定时间，压缩机立刻停止工作。当通信恢复正常后，压缩机恢复正常工作。

3.2 过温保护

过温保护是指当压缩机控制器检测到IGBT温度值过高或过低时（超过设定温度值），控制器及时上报IGBT温度故障，此时压缩机停机响应。当温度恢复到设定温度以下且停机时间大于设定时间后，压缩机重新响应整车需求。该保护的目的是为了避免IGBT在超过其温度区间工作而导致损坏。

为了避免温度传感器故障而无法检测IGBT温度，一般控制器内部会同时布置两个温度传感器。ECU以实测较高的温度传感器值为判定温度，同时两个温度传感器温度值会进行实时比较，当两者绝对值差超过设定温度时，压缩机会报温度传感器合理性故障。

3.3 过流保护02268ECD-DAD8-4907-A172-11582674779C

过流保护目的是为了避免压缩机内部电器元件由于过流而导致损坏，过流保护包括母线电流和相电流保护。

其中母线电流保护是指限定输入电流在某一值以内，当超过设定值时压缩机停机。相电流保护是为了避免IGBT被损坏，对于电动压缩机，相电流和压缩机负载有直接关系，负载越大，相电流越大，因此相电流也可作为过载保护的参数。同时，为了更好地保护IGBT，避免其长时间在大电流、高温下工作，相电流保护会和温度保护相关联保护，当IGBT温度较低时，相电流温度限值不变，当IGBT温度较高时，相电流限值随IGBT温度线性降低，直到IGBT过温保护。

3.4 过压保护

过压保护是指电压超过工作范围而限定压缩机转速或停机的保护。过压保护分为高压保护、低压保护。低压保护又分为12 V电压保护和15V驱动电压保护。

高压保护是为了防止输入电压过大导致控制器内部元器件被击穿而做的保护。同时当输入电压过低时，无法满足压缩机功率要求，压缩机限功率工作。目前市场上投放的充电桩充电电压不太稳定，存在瞬时高电压的情况，故压缩机过压保护一般有软件保护和硬件保护，软件保护保护ms级瞬时高电压，而硬件保护可检测到us级瞬时高电压，软件和硬件保护相结合可有效保护压缩机因高压而导致的IGBT击穿。为了防止高压传感器失效，一般控制器内部会布置两个高压传感器，压缩机控制器会定时比较两个高压传感器差值，当差值超过设定值时，压缩机停机工作。

当控制器检测到高压母线电压波动较大，比如在一个采样周期内检测到两次电压值差值超过设定值时，压缩机会降功率运行，当电压波动恢复到限定值以内，压缩机恢复目标转速。

4 整车交互

整车通过LIN/CAN通信驱动压缩机，一般整车会发生转速需求信号、允许功率信号及使能信号，当压缩机收到整车信号正常时，压缩机会响应整车需求开始工作，同时压缩机控制器会实时监控自身的工作状态，当压缩机发现异常时会立刻响应，并把故障信息反馈给整车。图2为整车与压缩机的交互示意图，可以把压缩机不同的状态之间的转换划分为以下10种：

转换一：当压缩机控制器收到整车工作请求时，控制器由压缩机关闭状态转到压缩机驱动状态。

转换二：当环境温度低于设定值时，压缩机开启预热功能，预热完成后，压缩机状态为开启状态。

转换三：当压缩机在开启或限功率状态时，压缩机出故障时，压缩机状态转到报错状态。

转换四：当压缩机停机时，控制器检测到故障时，压缩机状态转为报错狀态。

转换五：当压缩机故障状态时，控制器检测到故障接触后，压缩机状态转为停机状态。

转换六：当压缩机处于工作或限功率状态时，控制器收到整车的停机指令时，转为停机状态。

转换七：当压缩机处于报错状态，当错误解除后，控制器满足启动条件时，压缩机状态转为去驱动状态。

转换八：当压缩机处于停机或报错状态，当控制器休眠条件时，压缩机状态转为睡眠状态。

转换九：当压缩机处于驱动状态，当压缩机被限功率时，压缩机状态转为限功率状态。

转换十：当压缩机处于限功率状态，当限功率解除后，压缩机状态转为驱动状态。

5 结语

本文从电动汽车用电动压缩机控制原理、软件保护策略及与整车交互方面进行分析与研究，阐述了电动压缩机控制器的设计思路，针对LIN/CAN通信保护、过温保护、过流保护、过压保护及低温预热进行了详细描述，同时分析了压缩机控制器与整车常见的交互策略，希望可以对电动汽车电动压缩机控制部分的设计、开发及售后维修提供参考。

参考文献：

[1]张翔.中国新能源汽车市场分析[J].汽车电器，2014（12）：1-3.

[2]刘颖琦，王萌，王静宇，中国新能源汽车市场预测研究[J].经济与管理研究，2016，37（4）：86-91.

[3]黄志添新能源汽车与燃油汽车空调压缩机结构分析[J].汽车电器，2021（8）：85-88.

[4]刘兴旺，李迎福电动涡旋压缩机油气分离器升气管结构类型对分离性能的影响[J]化工机械，2021，48（5）：706-710.

[5]卢军豪，王景松，徐柏兴，等.纯电动汽车用涡旋式压缩机常见故障分析[J]汽车电器，2020（9）：33-34.

[6]李仁庆，沈长海，宋立彬，等，基于dsPIC33EP256MC504的电动汽车空调压缩机控制器设计研究[J].新能源汽车，2019，9（5）：17-21.

作者简介：

岳伟涛，男，1989年生，工程师，研究方向为电动压缩机设计研发。02268ECD-DAD8-4907-A172-11582674779C