基于智能芯片的新能源客车空调散热系统开发_李理.pdf

2023.6电脑编程技巧与维护图1空调智能散热系统工作原理1概述车载空调是商用客车的常规配置，其性能关系到商用客车行驶时车内环境的舒适性，同时也关乎商用客车的能耗高低。空调系统本身是车辆上一个能耗较高的电气设备，由空调压缩机、散热器、电子风扇组成，除空调压缩机工作时具有较高能耗外，其散热用的电子风扇在工作时的能耗也非常高，通常一个散热用的电子风扇的额定电流在1525 A之间，根据车辆大小和吨位的不同，安装28个电子风扇。传统商用客车空调的散热是非智能型散热系统，当商用客车空调工作后，由控制器简单闭合空调系统中散热电子风扇的控制回路，让所有电子风扇全速运行，这种控制方式在某些工况下不仅不能够满足空调系统的实际散热需求，同时能耗比较大1，3，4，6。针对新能源商用客车的特性，部分商用客车厂对传统客车空调散热系统进行改进，在空调散热系统工作时会参考混动车辆的发动机转速或纯电动车辆的低压直流电最大输出电流，对电子风扇的最大转速进行限制，这里之所以对电子风扇的最大转速进行限制，是为了防止多个电子风扇同时在全功率工作时，电流过大导致发电机或直流逆变器（DC/DC）损坏，这里之所参考发动机转速来保护发电机，是因为汽车构造决定发电机由发动机转子带动一起转动来发电。虽然上述改进相较于传统控制方式增加了智能控制部分，但是仅仅解决了避免发电机或DC/DC出现亏电现象，并没真正解决车载空调系统过高的能耗问题和车内环境舒适性问题2，5。在此采用的智能调控方法通过采集空调过冷度11、车内环境温度、空调出风口温度等参数动态调节电子风扇的转速，有效解决在实际使用中新能源商用客车的空调舒适性和能效比问题。最后通过实验测试可以得出结论，在不影响车内环境舒适度的情况下可以有效降低能耗，对商用客车减排节能起到关键作用。2系统硬件设计2.1工作原理空调智能散热系统的工作原理如图1所示。商用客车空调智能散热系统包括空调制冷系统、电子风扇、空调出风口温度传感器、车内环境温度传感器和智能控制器7，10，这里空调制冷系统主要组成部分是空调压缩机。其中，智能控制器通过车载局域网CAN总线通信端口采集空调制冷系统的过冷度，通过输入模拟量（AD）采样端口和温度传感器采集空调出风口温度及车内环境温度；然后智能控制器根据过冷度的变化、空调出风口温度变化及车内环境温度变化判断空调冷却系统需要的散热量，进而求出需要电子风扇输出的风量；接着智能控制器通过需求风量换算电子风扇需要达到的转速；最后智能控制器通过输出脉冲宽度调制（PWM）方式调节电子风扇的转速8，9，12。通过上述整个流程，我们能够了解到智能控制器在商用新能源客车空调智能散热系统中起到的关键作用，在此主要的控制方法就集成在智能控制器中。2.2智能芯片智能控制器主要采用STM32F105智能芯片，如图2所示。这是一款32位ARM微处理器，考虑到系统稳定性，在使用过程中这款智能芯片的主频被设置为36 MHz作者简介：李理（1980），男，讲师，高级工程师。基于智能芯片的新能源客车空调散热系统开发李理（厦门大学嘉庚学院，福建 厦门361000）摘要：阐述了基于智能芯片的新能源商用客车空调散热系统的工作原理及软硬件开发，并且对散热系统中电子风扇的控制策略进行了重点介绍。通过产品的实验，在相同工况和环境下，可以有效降低能耗，降低商用客车的碳排放。关键词：智能芯片；新能源商用客车；空调；电子风扇PWM控制电子风扇智能控制器过冷度采集空调制冷系统出风口温度采集空调出风口温度车内环境温度采集车内环境温度138DOI:10.16184/prg.2023.06.0412023.6电脑编程技巧与维护图2智能控制器主要芯片组成工作频率，同时配合商用客车的节能减排需求把工作状态设置为停机、待机及工作3个模式，为保证能耗低，在待机状态时控制器的能耗降低至0.1 A以下；在停机状态时控制器的能耗降低至0.01 A以下。在此描述的方法主要使用芯片内置的GPIO模块、定时器模块、CAN总线通信模块、PWM输出模块。除了主芯片外，还使用了一款AP1501的降压电源芯片，这款降压芯片可以把车载24 V电源降压到5 V电源，再通过TLV1117电源芯片把5 V电源降压到3.3 V给STM32F105主芯片提供电源。3系统软件设计如表1所示，智能控制器通过CAN总线以T周期不间断采集空调系统的过冷度y，采集信号由空调系统通过车载局域网CAN总线的SAE J1939协议13传输到智能控制器，传输报文ID为十六进制值0 x18FF0E9D，优先级采用0b110，在车载总线报文中优先级较低，发送方式采用循环发送，发送周期500 ms，之所以采用较低的优先级和较长的发送周期，一方面是为了确保车载局域网CAN总线负载不高于40%；另一方面是因为空调过冷度变化的频率主要在0.21.5 Hz，所以无需采用过高频率采集。空调制冷系统的过冷度数值一般高于0低于100，但是为保证信号定义范围的最大适用度，采用报文中的6、7两个字节来传输信号值并且把信号取值范围设定在-40210。根据空调冷却系统过冷度数值精度的需要，报文信号的分辨率设为0.1/bit。除了采集空调系统过冷度数值外，智能控制器通过主芯片的AD采样接口、外接温度传感器采集空调出风口温度z、车内中央环境温度y。为了保证采集数据的准确性，车内中央环境可以按照几何方位安装46个温度传感器，最后中央环境温度k可以取所有温度传感器的平均值。根据上述条件，对应多个采样周期T0,T1,T2,，分别采集到空调系统过冷度值为x0,x1,x2,，空调出风口温度值为z0,z1,z2,，车内环境温度值为y0,y1,y2,。通过公式xn=（xn-xn-1）,n 1,2,计算出过冷度值的变化xn，对过冷度变化值结果按照时间周期进行排列x0,x1,x2,。对xn中的数值进行筛选，删除xn为0的数字，保留xn不为0的数值。然后对照这些非0的过冷度变化数值xn保留对应的过冷度数值xn-1，再按照周期顺序对保留下来的过冷度数值xn进行排列：x0,xa,xb,a,b1,2,，其中ab，对应的周期值为T0,Ta,Tb,a,b1,2,，其中am且n,m在集合0,a,b中依次排列。之所以要计算空调过冷度变化率，是因为需要通过过冷度变化率判断空调制冷系统对散热量的需求，这里需要强调的是空调制冷系统过冷度数值的大小并不能准确反应对散热的需求量，但是过冷度值变化的快慢却在一定程度上反应了制冷系统对散热量的需求。除空调制冷系统中过冷度变化率这一重要参数外，还要解决过冷度变化率的提前估值，这是因为电子风扇的特性决定电子风扇转速的调节有一个滞后时间t1，同时散热温度的传导也有一个滞后时间t2，t2时间与空调制冷系统内部物理结构有关，t1时间不仅与风扇物理构造有关也和风扇控制方式有关，根据经验反馈t1+t2在35 s之间。提前量的预估有两种方法，一种是通过经验进行估值；另一种是参考空调散热需求的源头。这里采用源头参数估值法：首先通过公式wn=（yn-zn）,n0,1,2,计算出周期Tn对应的车内环境温度和出风口温度之间的预期温差值w0,w1,w2,。根据公式n+1=wn+1/wn,n0,1,2,，其中wn为0值时n+1等于0，计算每个周期的预期温差系数1,2,3,。这个系数叠加到过冷度变化率上就可以得到对风量需求的提前量。输出单元输入单元ID=0 x18FF0EXX循环周期空调冷却系统智能控制器优先级PGN500 ms665294字节67空调过冷度长度：16bit；分辨率：0.1/bit；偏移：-40；范围：-40210表1智能控制器与空调制冷系统间的CAN通信报文智能控制器电源芯片主芯片车载通信芯片1392023.6电脑编程技巧与维护因为电子风扇的本身特性，其最大风量为Fmax，最小风量为0，如果设置风扇风量等级为h整数值，则风扇风量的最小递增量和递减量为f=Fmax/h,h1,2,。此时因为风扇安装位置的不同，会使散热风扇的静压值有所变化，可以根据变化在原来递增递减量上乘以一个系数，即f=Fmax/h,h1,2,，其中取值范围(0,1。针对空调本身特性设置最小阈值Xmin和最大阈值Xmax，一旦出现过冷度xXmin现象时，则控制电子风扇全速运行来输出最大风量，从而保证空调系统不会出现过热停机现象。反之，一旦出现过冷度xXmax现象时，则控制风扇停止转动，以保证最大限度地节省能耗。设置最小阈值和最大阈值另一个重要作用是因为空调制冷系统还有其他干扰参数存在，例如，冷凝度，在非预期参数干涉下，有些极端情况会映射到过冷度数值大小上，因此设定最大、最小阈值以保证空调系统正常运行。当过冷度在（Xmin,Xmax区间范围内时，利用公式fn=fn-1+G（1+n）xnf,n0,a,b,求出当前周期Tn内电子风扇输出风量，其中G为负值常量系数，取值范围-1,0)，这个负值常量系数和空调系统有关，即空调系统出厂时就可以标定出来。4实验验证在相同的工况下，通过实验得出此套系统在改善车内环境温度的前提下可以减少电子风扇的能耗约26%。实验是在室内理想环境下测试的，如表2和表3所示。5结语商用客车空调智能散热系统在对新能源车内环境温度精确控制方面进行大量的研究工作的基础上，结合商用客车空调制冷器的关键特性，通过驱动电子风扇等部件实现对空调系统散热的精准控制，从而确保在满足环境舒适度的情况下有效降低电子风扇的能耗，进而减少碳排放量。参考文献1刘桂林.客车冷却系统的设计J.客车技术与研究,2008,30(2):32-35.2王小荷.电动冷却风扇在客车上的应用J.客车技术与研究,2008(5):27-29.3张思民.嵌入式系统设计与应用M.北京:清华大学出版社,2019.4胡汉才.单片机原理及系统设计M.北京:清华大学出版社,2002.5吴基安.商用客车电子技术M.北京:人民邮电出版社,1999.6夏靖波,陈雅蓉.嵌入式系统原理与开发M.3版.西安:西安电子科技大学出版社,2017.7余桢,陈海宁,潘李奎,等.空调性能最佳状态点的匹配研究J.制冷学报,2020,41(5):96-101.8李理.基于STM32F105单片机的汽车智能冷却系统的开发J.客车技术与研究,2017,39(6):26-27.9胡艳峰,唐键.基于SAEJ1939的增程式客车CAN总线设计J.汽车电器,2015(6):16-20.时间/s车外环境温度/车内环境温度/单个电子风扇转速r/m总电子风扇电流/A0.103127.34200（最高转速）26.310.023126.9420026.320.103126.3420026.330.013126.3420026.340.113126.1420026.350.093126.0420026.3表2同等工况下原空调系统环境温度及对应电子风扇的能耗时间/s车外环境温度/车内环境温度/单个电子风扇转速r/m总电子风扇电流/A00.103127.4420026.310.023127.2384024.420.113126.9341022.230.003126.4264017.440.113126.2177013.350.103126.1161013.1表3同等工况下空调智能散热系统控制下的环境温度及对应电子风扇能耗140