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 （奇瑞新能源汽车股份有限公司，安徽 芜湖 241000)
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。
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[1]，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[2]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[3]。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[4]、自动控制[5] （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[6]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MOSFET工作在放大区的电压，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 µF并 联。参考MOS管 特性曲线[7]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R 3 = 4.7 K， R 4 =11K ， 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验证。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-档位-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—设计—开发— 验证V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[8]，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。
参考文献：
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[5] 刘忠宝.汽车自动空调控制系统研究与开发[D].长春:吉林大学, 2011.
[6] 吴君挺.基于PLC的鼓风机变频调速系统[D].新乡:河南科技学 院,2009.
[7] 2SK2313 Datasheet[S]. TOSHIBA:( 1-5), 1998-11-12.
[8] 田真,张曼雪,董婷婷,等.基于V模式的整车控制系 统开发及模型单元测试[J].汽车工程学报,2012(6).
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