汽车智能充电技术对空调系统的影响分析及系统优化

李先杰，陈辉，刘江，徐奇

（上海汽车集团股份有限公司，上海 201804）

汽车智能充电技术对空调系统的影响分析及系统优化

李先杰*，陈辉，刘江，徐奇

（上海汽车集团股份有限公司，上海 201804）

智能充电技术作为节能技术之一，能有效降低油耗、减少排放。但是智能充电技术会引起用电器工作异常。本文基于智能充电系统工作原理，并结合空调系统鼓风机控制原理，分析了智能充电系统对空调鼓风机控制的影响，结合负载实验数据，提出了优化方法。优化结果表明：本文所采用的优化方法，电压波动在0.2 V以内，效果明显，满足整车技术要求；同时对整车成本影响较小。

智能充电；鼓风机；电压波动；控制；优化

0 引言

随着全球能源危机状况和温室气体排放日益严重，各国政府对汽车环保、节能技术的发展越来越重视，各汽车公司都在积极寻求解决方法。智能充电技术作为节能技术之一，能有效降低油耗、减少排放，得到越来越广泛的研究[1]。但是，智能充电技术通过调节发电机输出电压来减小发动机负载或在刹车时对发动机多余扭矩进行能量回收[2-3]，势必会引起通过蓄电池供电的用电器电压波动，从而出现用电器工作异常，引起客户抱怨，如前大灯亮度变化、空调鼓风机风量变化等异常现象[4-5]。本文将就智能充电技术对汽车空调系统的影响做具体分析。

1 智能充电系统工作原理

智能充电系统组成如图1所示，主要由发电机、蓄电池以及电源管理单元（Power management unit,PMU）组成。其工作原理如下：在汽车行驶过程中，PMU根据整车负载、工况以及蓄电池温度、状态、荷电状态（State of charge,SOC）等情况，通过调节发电机的励磁电流、改变发电机输出电压，从而调节发动机负载、降低油耗。发电机输出电压较高时，发电机对蓄电池充电以及对整车负载供电；发电机输出电压较低时，充电电流为0，发电机不再对蓄电池充电，只对整车负载供电，从而减小发动机负载。

在汽车加速时，PMU会迅速减小发电机输出电压，相应发动机负载减小，提高车辆加速性能，达到节油的目的，而此时用电器电压会相应降低；在刹车时，对发动机多余扭矩进行能量回收，PMU会迅速增大发电机输出电压，对蓄电池充电以及对整车负载供电，从而用电器电压迅速增大。在这两种工况下，发电机输出电压会在短时间内具有较大波动，从而会引起用电器电压有较大波动。

图1 智能充电系统组成

2 智能充电系统对空调系统的影响

对于无智能充电系统车型，发电机输出电压基本不变，由发电机对整车负载供电，蓄电池起稳压作用，用电器电压较稳定。对于采用智能充电系统车型，行驶过程中，发电机输出电压会在 12.6 V～15 V波动，从而整车负载的供电电压也会随之波动。供电电压波动对空调系统而言，主要影响体现在鼓风机控制上。空调鼓风机一般采用的是永磁式有刷直流电机，其转速公式[6]为：

式中：

n——鼓风机的转速；

U——端电压；

Ia——电枢电流；

Ra——电枢电阻；

Ce——电机结构有关的常数；

φ——磁通量。

对于永磁直流电机来说，Ce和φ是常数；而电枢电阻Ra非常小，因而电枢上的压降变化很小。从公式(1)可以看出，鼓风机的转速n会随着端电压U的增大而增大，随着端电压U的减小而减小；由于转速的变化引起鼓风机工作声音的变化。

对于配置手动空调控制器（MTC）车型而言，风量控制采用大电流开关和调速电阻的方式[7]，其控制原理如图2所示。供电电压直接加在鼓风机和调速电阻上，随着供电电压的波动，鼓风机每档风量均会随之波动，从而直接影响鼓风机风量和噪声，使鼓风机工作声音忽大忽小。同时对空调制热制冷效果、鼓风机和调速电阻寿命均会有一定的影响。

对于配置自动空调控制器（ATC）车型而言，风量控制采用调速模块来实现[5]，其控制原理如图3所示。鼓风机两端具有电压反馈信号，空调控制器通过反馈信号对鼓风机进行闭环控制。当鼓风机工作在低档位时，即使供电电压波动，控制器通过调节调速模块阻抗使鼓风机两端电压稳定。但是，当鼓风机工作在最高档位时，调速模块完全导通，供电电压直接加在鼓风机两端，此时调速模块不再具有调节作用，鼓风机电压会随着供电电压的波动而波动，从而直接影响鼓风机风量和噪声，使鼓风机工作声音忽大忽小，而且对空调制热制冷效果、鼓风机和调速模块寿命均会有一定的影响。

图2 MTC车型鼓风机控制原理图

图3 ATC车型鼓风机控制原理图

3 实验结果及分析

通过分别对配置MTC车型和ATC车型进行路试验证，试验结果如图4、图5所示。

从图4可以看出，车辆在行驶过程中，智能充电系统使供电电压在12.6 V～15 V波动，从而鼓风机在每一档位，电压均随着供电电压波动而波动，最大波动电压达到 1.6 V。在路试过程中，随着供电电压波动时，鼓风机工作声音忽大忽小，主观感受明显，用户无法接受。

同样，从图5可以看出，鼓风机工作在最高档时，鼓风机电压随着供电电压波动而波动，最大波动电压达到 2 V，鼓风机工作声音变化明显。而工作在低档时，即使供电电压波动，鼓风机两端电压较稳定。

图4 MTC车型鼓风机电压随供电电压波动

图5 ATC车型鼓风机最高档电压随供电电压波动

对于MTC车型，鼓风机工作声音之所以忽大忽小，主要是因为供电电压是直接加在鼓风机两端，供电电压变化，鼓风机电压必然变化，实验结果与前面的分析是一致的。

对于ATC车型，鼓风机最高档产生电压波动是因为供电电压的波动以及在最高档位时调速模块被完全导通，失去调节作用。而在非最高档时，空调控制器可以通过调节调速模块闭环控制使鼓风机两端电压稳定。

为了解决鼓风机电压波动，主要有以下四点优化措施。

1) 改变MTC车型鼓风机控制方法，采用ATC车型调速模块的线性电压控制方法，使整车成本略微上升。

2) 对于ATC车型最高档电压波动，可以采取限制鼓风机最高档目标电压，使鼓风机工作在最高档时仍然可以通过调速模块调节工作电压。但是该方法会降低鼓风机最高转速，影响空调系统最大制冷性能，需要对空调最大制冷性能做进一步验证。

3) 优化鼓风机最高档时智能充电系统策略：对于智能充电系统，在刹车和加速这两种工况下，发电机输出电压会在短时间内具有较大变化，从而会引起用电器电压具有较大波动。在鼓风机最高档位时，通过获取鼓风机档位信号，禁止刹车和加速时发电机输出电压的突变，能有效改善鼓风机最高档位时电压波动的问题。

4) 在鼓风机控制回路增加稳压模块，该方法虽然改善效果明显，但严重增加系统成本。

4 优化后结果及分析

对于本文，采取措施1)和3)分别对空调系统和智能充电系统进行优化。由于MTC车型和ATC车型同样采取调速模块，控制效果一致。因此，仅给出ATC车型优化前后实验结果，如图6和图7所示。

综合图6和图7可以看出，优化前，即使供电电压波动，鼓风机次高档电压较稳定，而最高档电压随着供电电压波动而变化。优化后，鼓风机最高档供电电压以及鼓风机两端电压均较稳定，波动电压在0.2 V以内，鼓风机工作声音变化不明显，问题得到解决。

图6 优化前鼓风机波动情况

图7 优化后鼓风机波动情况

5 结论

本文从智能充电系统和鼓风机控制工作原理出发，分析智能充电系统对鼓风机控制的影响，并提出优化方案。通过路试实验验证，在优化之后，智能充电系统对鼓风机控制影响不明显，鼓风机两端电压较稳定，工作声音没有明显变化。优化效果明显，满足整车技术要求，同时对整车成本影响较小。本文的研究不仅仅对空调系统鼓风机控制具有一定的指导意义，同时也对其它车用电器的控制具有一定的借鉴意义。

[1]李兵,杨殿阁,孔伟伟,等.汽车智能电源控制系统研究[J].汽车安全,2014(2): 44-47.

[2]万里翔，柯坚，许明恒.汽车能力回收系统的研究[J].机床与液压,2003(3): 224-227.

[3]刘占峰，宋力，赵丹平.汽车空调[M].北京: 北京大学出版社,2011.

[4]杨连福.汽车电器与电子设备[M].北京: 机械工业出版社,2011.

[5]徐向阳.汽车电器与电子控制技术[M].北京: 机械工业出版社,2002.

[6]凌跃胜,黄文美,宋桂英.电机理论基础[M].北京:中国电力出版社,2006.

[7]阙雄才,陈江平.汽车空调实用技术[M].北京: 机械工业出版社,2004.

Analysis on the Impact of Smart Charging on Air Conditioning System of Vehicle and the System Optimization

LI Xian-jie*,CHEN Hui,LIU Jiang,XU Qi
(SAIC Motor Corporation Limited,Shanghai 201804,China)

Smart charging technology is one of the energy saving technologies,which reduces fuel consumption and emission effectively.However,the smart charging technology causes the abnormal situation of electrical appliances.Based on the principle of the smart charging system and the air conditioning blower control,the impact of smart charging technology on air conditioning blower control is analyzed.Then the optimizing methods were proposed based on the road test data.The optimization results indicate that,the effectiveness is obvious with the voltage fluctuation within 0.2 V,which meets the requirement of vehicle technical specification with the methods employed.The increased cost on vehicle is relatively small.

Smart charging;Blower;Voltage fluctuating;Control;Optimization

10.3969/j.issn.2095-4468.2014.06.205

*李先杰（1979-），男，工程师，硕士。研究方向：汽车空调控制。联系地址：上海市安研路201号上海汽车集团股份有限公司技术中心，邮编：201804。联系电话：021-61388267。E-mail：lixianjie_1@163.com。