新能源汽车电动空调压缩机驱动器设计研究
摘 要：电动汽车电动空调系统是一种直接依靠电动机驱动的辅助系统，代表着未来新型汽车空调技术的发展方向。以空调压缩机驱动器为研究对象，对其进行了相应的软硬件设计，验证了压缩机控制方案的可行性，对电动空调系统的研发具有参考价值和理论价值。
关键词：电动空调压缩机；驱动器；无刷直流电机
随着新能源汽车产业的兴起和人们生活质量的提高，人们对新能源汽车的可靠性、舒适性和节能环保等性能提出了更高的要求，而电动汽车空调的好坏是决定乘车舒适性的重要因素之一[1]。电动空调系统属于新能源汽车电动辅助系统的“六小电”(电动转向、电动空调、电动制动、车载充电器、DC-DC、远程监控系统/电动仪表)之一，在当前我国强调新能源汽车部件自主知识产权的背景下，对其关键技术进行基础研究，对加快电动汽车节能技术发展、促进电动汽车产业技术进步具有现实和长远的意义。
电动空调压缩机是电动空调系统的重要核心零部件。随着新能源汽车的产业化，该产品的需求量会不断上升，经济利润空间大，拥有光明的市场前景。同电动汽车驱动系统一样，电动空调压缩机也使用电动机进行驱动；为其研究开发一款性能良好、运行平稳、工作高效和安全可靠的驱动器控制系统非常重要。电动空调压缩机驱动系统所采用的控制算法的优劣以及设计编写对应的控制程序的水平是压缩机正常工作的关键。目前，电动空调系统的研究停留在模型阶段，并且还需要大量试验进行模型验证[2-4]。
本文以电动空调压缩机驱动器为研究对象，对其进行相应的软硬件设计，验证压缩机控制方案的可行性，对电动空调系统的研发具有参考价值和理论价值[5]。
1 电动空调系统概述电动空调系统是使用电动压缩机的空调系统的总称。动力电池是电动汽车的动力源，也是电动压缩机的驱动源。常见的电动汽车使用电动压缩机制冷系统进行制冷。电动机驱动相对于传统发动机驱动，能量利用率更高，而空调系统是汽车耗能很大的辅助系统，几乎占辅助系统功耗的70%，采用电动空调大大提高了汽车能量利用率。电动空调制冷系统如图1所示。
图1 电动空调制冷系统
而电动汽车采暖系统主要包括热电电动汽车空调系统、热泵型电动汽车空调系统及液氮电动汽车空调系统。
2 压缩机驱动电动机型式确定无论是在传统内燃机汽车上，还是在混合动力汽车上，亦或是在纯电动汽车上，在压缩机工作过程中，空调系统会充满了制冷剂蒸汽，有刷电动机工作时碳刷会产生火花，安全性能降低，所以不采用有刷电动机，而无刷直流电动机结构紧凑，换相无火花，运行效率高，在各领域应用广泛；故电动空调压缩机驱动电动机采用无刷直流电动机。
3 压缩机驱动电动机控制系统分析独立式全电动压缩机采用无刷直流电动机和压缩机的一体化设计，但是这种设计有自身的缺陷。传统无刷直流电动机需要通过位置传感器产生正确的换向信息来进行控制，由于工作环境的影响，位置传感器的信号受干扰会产生畸变，这将降低电动机控制系统的实时性及可靠性，因此需要研究开发无位置、无刷直流电动机控制系统。压缩机驱动示意图如图2所示。
图2 压缩机驱动示意图
4 驱动器控制系统硬件设计电动空调压缩机驱动控制器的硬件构成框图如图3所示。驱动控制系统的硬件主要由保护电路、电压电流检测电路、控制电路及功率驱动电路等组成。主要控制器是依据设计者需求，通过串行通信接口传递信息值到控制中心，芯片根据数模转换器对直流电动机端的电压与电流进行同步采样，根据相应的控制算法程序，将得到的PWM控制信号传输给功率模块，实现无刷电动机的实时控制。电源稳压电路提供3种电压，即单片机最小系统使用的电压(3.3 V),外围电路使用的电压(5 V)和逆变桥驱动使用的电压(15 V)。
图3 控制器硬件框图
由于电动机的转速与无刷直流电动机的绕组反电势是正相关的，电动机低速或者不工作时几乎没有反电势，此时无法检测到电势过零信号，无法确定转子位置，因而电动机无法起动，需要采用其他控制策略方法来起动。常见的软硬件起动方法有硬件起动、预定位起动和三段式起动等。
5 驱动器控制系统软件设计控制系统的软件主程序流程图如图4所示，主程序的功能是对驱动控制系统进行相应的初始化设计，控制流程中设置死循环进行按键扫描，同时具有系统中断功能处理。驱动控制平台采用64位ARM单片机构建，经过I/O接口完成数据信号的采集、处理、计算和控制PWM逆变信号的生成。平台PWM开关控制频率可选择20 kHz(控制循环周期为50 μs)。采用64位单片机系统控制，程序可用C语音编程，明显提高了此驱动系统程序的可移植性、可修改性并且方便后期维护修改，使得此研究编写的控制程序容易移植到其他电动压缩机控制平台进行交互。
图4 软件控制流程图
6 结语本文分析了电动空调设计需求及压缩机控制系统需求，从硬件设计和软件设计两方面入手设计了压缩机驱动系统，满足了电动空调设计应用需求。
通过驱动控制系统的软硬件实现，给出了部分硬件电路图及软件流程图，初步验证了设计驱动方案的可行性。
参考文献：
[1] 徐林林.新能源汽车电动空调压缩机驱动器的研究[D].福州:福建农林大学,2014.
[2] 宋长森.电动汽车空调系统设计与匹配[J].农业装备与车辆工程,2011(10):33-35.
[3] 刘建飞,赵丹平,韦丽珍.汽车电动空调系统参数匹配与仿真[J].内燃机与动力装置,2014,31(1),35-39.
[4] 曹爱强.新能源汽车电动空调控制系统及其实现研究[D].上海:同济大学,2008.
[5] 魏名山,彭发展,黄海圣,等.斜盘式及涡旋式压缩机对电动汽车热泵空调系统制热性能的影响[J].北京理工大学学报,2016,36(1):13-18.
*云南省教育厅科学研究基金项目(2016ZZX250)
责任编辑 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
中图分类号：TK 42
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