一种基于CAN的电动空调控制系统设计

苏万樯

（苏州紫荆清远新能源汽车技术有限公司，江苏 苏州 215299）

1 概述

随着汽车技术的发展，汽车的智能化和网络化已经成为汽车电子的发展方向，汽车空调也越来越多地引入了电子控制。对于在电动汽车上的车用空调，由于没有了传统发动机的皮带轮驱动，一般都采用电动空调，其压缩机的旋转摆脱了与发动机的机械连接，加热功能一般采用PTC加热器，也不用受制于发动机的废气余热，即电动空调比传统空调具备更好的可控性。与此同时，作为车联网的核心，智能中控平台已经在汽车上越来越广泛地使用，这些中控平台具有大屏幕触控界面，性能强大，能够在平台上开发各种应用程序，不断扩展中控平台的功能［1］。这两方面的技术发展为电动空调的智能化控制提供了很好的前提条件［2］。

但目前电动空调在电动汽车上的安装使用，绝大多数还是沿用传统车上的空调使用方式：即把集成了空调控制面板的空调控制器安装在车内仪表板上，用户通过操作空调面板上的开关或旋转旋钮，给空调控制器输入控制信号，空调控制器根据输入的信号来控制压缩机、风门等执行器，使空调按用户需求运行。这种做法和传统车上的空调操作方式一致，但未能充分利用电动空调更灵活的可控性。

本文提出一种基于CAN的电动空调控制器设计，去除传统的空调实体控制面板，改由智能中控的触摸屏界面控制，用户通过点击智能中控触摸屏的相应界面，产生用户控制需求输入，智能中控通过触摸屏获取到用户输入后，将这些控制信号通过CAN总线发送给空调控制器，空调控制器根据接收到的控制命令来执行控制动作，驱动空调进行工作［3］。将这种基于CAN的无实体控制面板的空调控制器和智能平台的中控系统结合起来，就可以很容易地和其他车载应用组合，从而实现远程控制空调及智能控制空调，使之成为汽车智能化、互联化的一个特性。车内增加一个环境温度传感器，还可以在不改变空调本体的条件下，实现空调温度的自动控制。

这种方案已在我司的067型双门4座小型纯电动汽车及小型装甲电动SUV车型上试装，实用性得到了验证，即将推向市场。

2 总体设计

总体设计方案如图1所示，智能中控在触摸屏上显示虚拟空调面板，并接收用户的触摸输入，通过CAN总线将用户对空调控制的请求发送给空调控制器，空调控制器读取CAN信号并提取空调控制请求信息，结合读取的蒸发器温度传感器和PTC温度传感器信息后，根据空调控制逻辑，驱动相应的空调系统的执行器以实现空调控制，并将当前的空调控制状态通过CAN总线以空调反馈信号的形式反馈给智能中控。

用户除了可以通过智能中控触摸屏上的虚拟空调旋钮手动设定空调之外，还可以直接设定所需要的温度后，由智能中控和空调控制器一起实现对空调的自动控制。智能中控读取车内温度传感器的信号，得到当前车内的环境温度，根据车内当前温度和用户设定温度的差值，通过CAN总线发出对空调的控制需求，空调控制器通过CAN总线收到空调控制输入，并根据控制输入的要求驱动空调工作在相应的制热或制冷状态，从而实现对空调的自动控制。

3 硬件设计

本文所述方案中的空调相关的传感器和执行器沿用现有的成熟方案；智能中控的硬件设计，可以选择基于安卓系统、IOS或WinCE的车机产品。由于安卓系统的开放性，目前市面上应用较多的是基于安卓系统的车机产品，只需要选择带CAN通信功能并且能够支持读取温度传感器信号的安卓车机产品即可。

对于空调控制器的硬件设计，与传统空调控制器相比，去掉了实体空调控制面板，改由通过CAN总线接收空调控制要求，其他对执行器的空调控制逻辑基本相同。但由于传统空调控制器一般不对鼓风机进行控制，而是由使用者通过旋转风量档位开关的方式改变串入鼓风机电路的电阻大小来实现不同的鼓风机转速档位，因此本方案为了实现空调的自动控制，还需要增加对鼓风机的驱动控制电路。

空调控制器的整体硬件设计框图如图2所示。该控制器的主控芯片采用飞思卡尔的MC9S08DZ60为主控制芯片，此芯片是一款价格低廉性能强大的8位单片机，主频40MHz，具有4KB的RAM和60KB的Flash，接口丰富，具有1路CAN、1路SPI、24通道12位ADC。

电源芯片选用LM2940电源稳压芯片，可以将车上的12 V电源转换成稳定的5 V电源，为主芯片MC9S08DZ60供电。由于MC9S08DZ60具有一个CAN通信模块，只需要增加一个CAN收发器TJA1051即可实现CAN总线通信。选用安森美的NCV7708B电桥驱动器对3个风门电机进行驱动。其余2个温度传感器的模拟信号输入及4个驱动信号输出较为简单，通过选择合适的采样及放大元器件即可搭建实现接口电路。

4 软件设计

智能中控的软件设计，如果采用安卓系统的车机，则只需要开发安卓系统的应用程序即可，智能中控的应用程序需实现的控制逻辑流程图如图3所示［4］。

空调控制器收到CAN总线上智能中控发来的空调控制CAN信号后，需执行对空调的控制动作，空调控制器上需实现的空调控制逻辑流程图如图4所示。

5 CAN通信协议设计

为了实现智能中控和空调控制器之间的通信并实现对整个空调系统的协调控制，需要设计合理的通信协议。智能中控和空调控制器之间采用CAN通信协议，将空调控制CAN信号和空调反馈CAN信号均设计为单帧信号，每帧信号带有8个字节的数据，这样可以使所有空调控制信息和空调反馈信息均在单帧内完成，无需设计网络传输层，便于简化智能中控和空调控制器的通信代码的实现［5］。

空调控制CAN信号的一个示例设计如表1所示，每个字节代表不同的空调控制功能，字节的不同取值代表不同的控制要求。CAN ID：0x100；CAN总线速率：250 Kb；发送周期：100 ms；发送方：中控；接收方：空调控制器。

表1 空调控制CAN信号设计示例

空调反馈CAN信号的一个示例设计如表2所示，每个字节代表不同的空调功能状态。CAN ID：0x101；CAN总线速率：250Kb；发送周期：100ms；发送方：空调控制器；接收方：中控。

表2 空调反馈CAN信号设计

6 总结

充分利用电动汽车上所用的电动空调的可控性及现有智能中控平台的可扩展性，可以将传统的空调控制面板取消，改用智能中控的触摸屏虚拟实现，并将空调的控制需求通过CAN总线发送给空调控制器来实现对空调的控制，这种方案不但可以实现传统手动空调的各种功能，而且通过增加对车内环境温度的检测，还可以实现对空调的自动控制；而空调面板本身虚拟化后，其人机交互界面也可以不断更新，可以做出各种酷炫效果和个性化的空调面板而无需任何硬件改动及增加硬件成本，具有很好的市场实用价值。

［1］王怡洁.Google推动车联网进程［J］.汽车与配件，2014（27）： 31-33.

［2］曹中义.电动汽车空调系统解决方案［J］.汽车电器，2008（3）： 1-4.

［3］蔡黎，代妮娜，邓明.基于OBD协议的Android平台汽车虚拟仪表设计［J］.电子技术应用，2011，37 （12）：83-86.

［4］郑昕斌.基于CAN总线的汽车自动空调控制器开发［J］.机电技术，2012（2）：122-125.

［5］李风雷.新能源车用空调压缩机控制板的CAN通信系统开发［J］.测控技术与仪器仪表， 2012， 5 （1）： 36-39，53.