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1、電動汽車熱泵空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計研究
摘要:本文研究基于單片機STM32F103C8T6新能源電動汽車熱泵空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計,并重點闡述了系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu),硬件及軟件系統(tǒng)設(shè)計的原理。具有成本低、結(jié)構(gòu)簡單、環(huán)保零污染、應(yīng)用前景好等優(yōu)點。
關(guān)鍵詞:新能源電動汽車;熱泵空調(diào)系統(tǒng);STM32F103C8T6
1總體概述
隨著科技進(jìn)步,石油能源的緊缺,人們生活水平和對環(huán)保意識的提高,新能源電動汽車熱泵系統(tǒng)有著零污染、成本低、控制簡單等優(yōu)點將逐步代替?zhèn)鹘y(tǒng)的燃油汽車。對汽車的舒適感的追求日益增長,汽車空調(diào)舒適性作為汽車舒適性的關(guān)鍵指標(biāo)之一,具有很大的研究價值和前景。傳統(tǒng)的控制系
2、統(tǒng)采用可編程控制器PLC為核心控制元件[1],其控制性能雖然優(yōu)良,易于上手,但是成本過高,且擴展性差,不能滿足現(xiàn)在多功能汽車的通信要求。本文運用STM32F103C8T6單片機對電動汽車空調(diào)熱泵系統(tǒng)進(jìn)行更新,具有工作性能穩(wěn)定,通信可靠,易于擴展,成本可控等優(yōu)點,可以取代傳統(tǒng)的可編程控制器PLC[2]系統(tǒng)。
2新能源電動汽車熱泵空調(diào)系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)及工作原理
2.1新能源電動汽車熱泵空調(diào)系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)。新能源電動汽車熱泵空調(diào)系統(tǒng)主要由制冷制熱循環(huán)系統(tǒng)、通風(fēng)配氣系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)三部分組成。制冷制熱系統(tǒng)包含壓縮機、室內(nèi)室外冷凝器、儲液干燥器、電子膨脹閥、室內(nèi)外蒸發(fā)器、輸液(氣)軟
3、管,電機散熱器等。新能源電動熱泵汽車空調(diào)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。
2.2新能源電動汽車熱泵空調(diào)系統(tǒng)工作原理。根據(jù)圖1新能源電動熱泵汽車空調(diào)系統(tǒng)對新能源電動汽車空調(diào)系統(tǒng)制冷制熱工作原理進(jìn)行分析如下:在制冷工況下,熱泵循環(huán)系統(tǒng)的工作過程:當(dāng)壓縮機電磁離合器閉合時,低溫低壓制冷劑氣態(tài)形式通過壓縮機壓縮成高溫高壓氣態(tài)形式,通過電磁閥1,將高溫高壓氣態(tài)形式流向室外冷凝器,通過室內(nèi)冷凝器和電磁閥1相連(僅作為制冷劑流通的通道流過)此時出口仍然為高溫高壓的氣體,電子膨脹閥1出口與室外熱交換器冷凝器相連,將高溫高壓的氣態(tài)形式凝結(jié)成中溫高壓的液態(tài)形式,并通過壓力傳感器和溫度傳感器將壓力和溫度信號傳遞給
4、空調(diào)控制器,電子電磁閥1出口與室內(nèi)蒸發(fā)器相連,室內(nèi)蒸發(fā)器出口為低溫低壓的氣體,室內(nèi)蒸發(fā)器又與單向閥相連,單向閥與氣液分離器相連,通過氣液分離器將未蒸發(fā)的液體分離,低溫低壓的氣體再回到壓縮機中,此時就實現(xiàn)了空氣制冷。制冷過程中電磁閥1僅作為通道進(jìn)行流通,開度通過溫度壓力傳感器P2采集的數(shù)據(jù)計算出蒸發(fā)器出口制冷劑的熱度來調(diào)節(jié)[3]。在冬季供暖工況下,低溫低壓的制冷劑氣體通過壓縮機壓縮成高溫高壓的氣體,通過室內(nèi)冷凝器凝結(jié)成中溫高壓液體,根據(jù)室內(nèi)冷凝器與電子膨脹閥相連,進(jìn)行節(jié)流降壓為低溫低壓的液體制冷劑,通過電子膨脹閥與室外熱交換器相接,出來為低溫低壓的氣體,通過板式換熱器,吸收電機散出的熱量,從而提
5、高制冷劑的溫度,將車內(nèi)的溫度制熱,此為冬季供暖的整個過程。其中電磁閥1與氣液分離器將未蒸發(fā)完的液體,通過氣液分離器把氣體回到壓縮機中。依然開度通過溫度壓力傳感器P1采集的數(shù)據(jù)計算出蒸發(fā)器出口制冷劑的熱度來調(diào)節(jié)[3]。
3新能源電動汽車熱泵空調(diào)控制電路整體構(gòu)架設(shè)計
根據(jù)以上的分析,為實現(xiàn)電動熱泵汽車空調(diào)制冷制熱過程,根據(jù)圖2為新能源電動汽車熱泵空調(diào)控制電路的結(jié)構(gòu)框圖,其中ECU選用單片機STM32F103C8T6,將輸入信號有車內(nèi)溫度傳感器,車外溫度傳感器,陽光傳感器,蒸發(fā)器溫度傳感器,冷凝器溫度傳感器,出風(fēng)口風(fēng)量傳感器,控制面板功能按鍵信號。輸出與反饋信號裝置有鼓風(fēng)機,
6、鼓風(fēng)機調(diào)速模塊,蒸發(fā)器,冷凝器散熱風(fēng)扇,各風(fēng)門電機,壓縮機。這些裝置通過總線模式與單片機STM32F103C8T6進(jìn)行通信,STM32F103C8T6通過CAN總線與整車VCU進(jìn)行通信[4]。最好將溫度、風(fēng)速、轉(zhuǎn)速等信息在空調(diào)狀況顯示器
4新能源電動汽車空調(diào)控制電路硬件設(shè)計
新能源電動汽車空調(diào)控制器基于STM32F103C8T6芯片,有汽車控制盤的模擬信號,如車內(nèi)外傳感器檢測到的溫度、陽光等,有高低壓壓力保護繼電器的數(shù)字信號等作為輸入信號。通過新能源電動熱泵汽車空調(diào)控制芯片STM32F103C8T6中MCU控制系統(tǒng)完成對空調(diào)工作狀態(tài)進(jìn)行計算和判斷,從而通過PWM脈沖波的
7、輸出來實現(xiàn)空調(diào)壓縮機啟??刂?,鼓風(fēng)機風(fēng)量控制,冷凝器、蒸發(fā)器散熱風(fēng)扇風(fēng)量控制等,如出現(xiàn)故障信號,對故障信號進(jìn)行處理、顯示和上報[1][6]。新能源電動汽車熱泵空調(diào)系統(tǒng)整體硬件電路控制框圖如圖3所示。
5新能源電動汽車空調(diào)控制電路軟件設(shè)計
新能源電動汽車熱泵空調(diào)系統(tǒng)工作模式有"手動控制";、"自動控制";兩種模式,主程序模塊的內(nèi)容包括系統(tǒng)初始化,溫度設(shè)定值與測量值的顯示,AT24C02的EEPROM讀寫等。系統(tǒng)初始化包括堆棧指針SP的初值,AT24C02的狀態(tài)寄存器,DMA狀態(tài)寄存器及控制寄存器等[6][7]。主程序流程圖如圖4所示。通過數(shù)據(jù)初始化,溫度設(shè)定值與室內(nèi)外傳感器監(jiān)測的溫度值做對比后,根據(jù)汽車空調(diào)啟動與關(guān)閉按鈕工作情況,進(jìn)入子系統(tǒng)運行,傳感器通過監(jiān)測的溫度再次存儲到EEPROM中,等下一個循環(huán)中與調(diào)節(jié)的溫度設(shè)置溫度做對比再次循環(huán)。通過次程序的設(shè)計,運行穩(wěn)定,反應(yīng)速度快,控制精準(zhǔn)。
6結(jié)束語
本文根據(jù)新能源電動熱泵汽車空調(diào)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu),分析了整個系統(tǒng)制冷制熱的工作原理,并設(shè)計了基于單片機STM32F103C8T6新能源電動汽車空調(diào)系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu),給出了硬件控制框圖,和主程序軟件控制流程圖。通過此系統(tǒng)結(jié)構(gòu),分析了硬件及軟件系統(tǒng)設(shè)計的原理,接口豐富,更易擴展,處理器運算能力更強,存儲量大,系統(tǒng)更加穩(wěn)定。