新能源汽車電動空調壓縮機驅動器設計研究
摘 要：電動汽車電動空調系統是一種直接依靠電動機驅動的輔助系統，代表着未來新型汽車空調技術的發展方向。以空調壓縮機驅動器為研究對象，對其進行了相應的軟硬件設計，驗證了壓縮機控制方案的可行性，對電動空調系統的研發具有參考價值和理論價值。
關鍵詞：電動空調壓縮機；驅動器；無刷直流電機
随着新能源汽車産業的興起和人們生活質量的提高，人們對新能源汽車的可靠性、舒适性和節能環保等性能提出了更高的要求，而電動汽車空調的好壞是決定乘車舒适性的重要因素之一[1]。電動空調系統屬于新能源汽車電動輔助系統的“六小電”(電動轉向、電動空調、電動制動、車載充電器、DC-DC、遠程監控系統/電動儀表)之一，在當前我國強調新能源汽車部件自主知識産權的背景下，對其關鍵技術進行基礎研究，對加快電動汽車節能技術發展、促進電動汽車産業技術進步具有現實和長遠的意義。
電動空調壓縮機是電動空調系統的重要核心零部件。随着新能源汽車的産業化，該産品的需求量會不斷上升，經濟利潤空間大，擁有光明的市場前景。同電動汽車驅動系統一樣，電動空調壓縮機也使用電動機進行驅動；為其研究開發一款性能良好、運行平穩、工作高效和安全可靠的驅動器控制系統非常重要。電動空調壓縮機驅動系統所采用的控制算法的優劣以及設計編寫對應的控制程序的水平是壓縮機正常工作的關鍵。目前，電動空調系統的研究停留在模型階段，并且還需要大量試驗進行模型驗證[2-4]。
本文以電動空調壓縮機驅動器為研究對象，對其進行相應的軟硬件設計，驗證壓縮機控制方案的可行性，對電動空調系統的研發具有參考價值和理論價值[5]。
1 電動空調系統概述電動空調系統是使用電動壓縮機的空調系統的總稱。動力電池是電動汽車的動力源，也是電動壓縮機的驅動源。常見的電動汽車使用電動壓縮機制冷系統進行制冷。電動機驅動相對于傳統發動機驅動，能量利用率更高，而空調系統是汽車耗能很大的輔助系統，幾乎占輔助系統功耗的70%，采用電動空調大大提高了汽車能量利用率。電動空調制冷系統如圖1所示。
圖1 電動空調制冷系統
而電動汽車采暖系統主要包括熱電電動汽車空調系統、熱泵型電動汽車空調系統及液氮電動汽車空調系統。
2 壓縮機驅動電動機型式确定無論是在傳統内燃機汽車上，還是在混合動力汽車上，亦或是在純電動汽車上，在壓縮機工作過程中，空調系統會充滿了制冷劑蒸汽，有刷電動機工作時碳刷會産生火花，安全性能降低，所以不采用有刷電動機，而無刷直流電動機結構緊湊，換相無火花，運行效率高，在各領域應用廣泛；故電動空調壓縮機驅動電動機采用無刷直流電動機。
3 壓縮機驅動電動機控制系統分析獨立式全電動壓縮機采用無刷直流電動機和壓縮機的一體化設計，但是這種設計有自身的缺陷。傳統無刷直流電動機需要通過位置傳感器産生正确的換向信息來進行控制，由于工作環境的影響，位置傳感器的信号受幹擾會産生畸變，這将降低電動機控制系統的實時性及可靠性，因此需要研究開發無位置、無刷直流電動機控制系統。壓縮機驅動示意圖如圖2所示。
圖2 壓縮機驅動示意圖
4 驅動器控制系統硬件設計電動空調壓縮機驅動控制器的硬件構成框圖如圖3所示。驅動控制系統的硬件主要由保護電路、電壓電流檢測電路、控制電路及功率驅動電路等組成。主要控制器是依據設計者需求，通過串行通信接口傳遞信息值到控制中心，芯片根據數模轉換器對直流電動機端的電壓與電流進行同步采樣，根據相應的控制算法程序，将得到的PWM控制信号傳輸給功率模塊，實現無刷電動機的實時控制。電源穩壓電路提供3種電壓，即單片機最小系統使用的電壓(3.3 V),外圍電路使用的電壓(5 V)和逆變橋驅動使用的電壓(15 V)。
圖3 控制器硬件框圖
由于電動機的轉速與無刷直流電動機的繞組反電勢是正相關的，電動機低速或者不工作時幾乎沒有反電勢，此時無法檢測到電勢過零信号，無法确定轉子位置，因而電動機無法起動，需要采用其他控制策略方法來起動。常見的軟硬件起動方法有硬件起動、預定位起動和三段式起動等。
5 驅動器控制系統軟件設計控制系統的軟件主程序流程圖如圖4所示，主程序的功能是對驅動控制系統進行相應的初始化設計，控制流程中設置死循環進行按鍵掃描，同時具有系統中斷功能處理。驅動控制平台采用64位ARM單片機構建，經過I/O接口完成數據信号的采集、處理、計算和控制PWM逆變信号的生成。平台PWM開關控制頻率可選擇20 kHz(控制循環周期為50 μs)。采用64位單片機系統控制，程序可用C語音編程，明顯提高了此驅動系統程序的可移植性、可修改性并且方便後期維護修改，使得此研究編寫的控制程序容易移植到其他電動壓縮機控制平台進行交互。
圖4 軟件控制流程圖
6 結語本文分析了電動空調設計需求及壓縮機控制系統需求，從硬件設計和軟件設計兩方面入手設計了壓縮機驅動系統，滿足了電動空調設計應用需求。
通過驅動控制系統的軟硬件實現，給出了部分硬件電路圖及軟件流程圖，初步驗證了設計驅動方案的可行性。
參考文獻：
[1] 徐林林.新能源汽車電動空調壓縮機驅動器的研究[D].福州:福建農林大學,2014.
[2] 宋長森.電動汽車空調系統設計與匹配[J].農業裝備與車輛工程,2011(10):33-35.
[3] 劉建飛,趙丹平,韋麗珍.汽車電動空調系統參數匹配與仿真[J].内燃機與動力裝置,2014,31(1),35-39.
[4] 曹愛強.新能源汽車電動空調控制系統及其實現研究[D].上海:同濟大學,2008.
[5] 魏名山,彭發展,黃海聖,等.斜盤式及渦旋式壓縮機對電動汽車熱泵空調系統制熱性能的影響[J].北京理工大學學報,2016,36(1):13-18.
*雲南省教育廳科學研究基金項目(2016ZZX250)
責任編輯 彭光宇
The Design of New Energy Vehicle Electric Air Conditioning Compressor Driver
SUN Yun, YANG Xueping, JIANG Chaoyu, XUE Xiuli
(Yunnan Vocational College of Mechanical and Electrical Technology, Kunming 650203, China)
Abstract：Electric vehicle air conditioning system is an assist system which is powered by electric machinery. And it has become one sign of future development direction of high technique of automobile. This paper takes compressor drive as the research object. The software and hardware system of electric air conditioning compressor driver have been designed. The feasibility of the compressor control scheme has been verified. Therefore, development of the electric air-conditioning system has reference value and theoretical value.
Key words：electric air-conditioning compressor, driver, brushless DC motor
中圖分類号：TK 42
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