乘用车空调控制器的模块化设计

熊世宽

（一汽轿车股份有限公司产品部，吉林 长春 130012）

乘用车空调控制器的模块化设计

熊世宽

（一汽轿车股份有限公司产品部，吉林 长春 130012）

以空调控制器为例，通过采用将“黑盒子”与控制面板分离、软件与硬件分离等方法和理念，最大程度地实现空调控制器的模块化开发，以提升产品通用化水平。该设计方法和理念对其它控制器进行模块化开发也具有参考意义。

空调控制器；平台化开发；模块化设计

1 模块化开发背景

当前，汽车行业竞争空前激烈，企业成本压力日益增大，如何有效地降低零部件开发成本成为摆在各大主机厂研发部门面前的重大课题。空调控制器作为空调系统的一个重要零部件，随着市场的变化和行业的发展，以往缺乏平台化、模块化布局的开发方式，不但研发成本高、周期长，而且已经无法快速响应产品的多样化需求，不能满足企业的生存与发展的需要。在此背景之下，模块化设计方法应运而生。

空调控制器的模块化设计，是指在对汽车空调系统的各项功能进行深入的、有前瞻性的市场研究和分析的基础上，设计功能模块，通过对各个模块的选择和组合，构成不同的控制器产品。模块化开发在前期就将各个模块单独开发完成，具体到车型时，专注于模块组合，无需担心模块内部问题，可使产品通用化水平显著提高，成本显著降低，开发验证周期显著减少。

分析空调控制器的特性，影响其实现模块化设计的主要因素有3点：①空调面板人机界面造型多变；②空调新功能不断增加，新技术加速普及；③不同车型空调标定的数据无法通用。

2 模块化开发方案

针对上述模块化设计的制约因素，一个有效的解决方案为：首先将空调面板与控制器分离，解决控制器因造型变化而无法通用的问题；其次将控制器软件与硬件分离，并依据平台功能定义，将软件和硬件分别作为独立的零件进行模块化设计；最后将相同平台的结构件、硬件和不同模块的软件进行组合，形成不同的控制器，来满足产品的多样化、差异化需求。通过这种多次“分离+组合”的方式，可以显著提升控制器的通用化水平。空调控制器的模块化设计构想流程见图1。

图1 空调控制器的模块化设计思路

2.1 平台选定及功能模块定义

在开展空调控制器的模块化设计之前，首先需要根据车型的现状选择系统平台，不同的平台空调系统结构不同，功能差异也较大。按照功能配置不同，汽车空调系统可分为手动空调和自动空调2种。自动空调根据控制温区的差异又可分为单区自动空调、双区自动空调以及三区以上自动空调等类型。平台选定之后，即可根据平台的功能需求以及对汽车空调未来发展趋势的研究，定义并设计各个功能子模块的参数指标和接口，为实现控制器的软件、硬件模块化开发提供基准。

平台功能模块的设计应具有一定的前瞻性，所定义的系统功能模块除应涵盖当前平台的所有功能需求，还要有足够的预留，以方便未来功能的扩展。表1和表2定义了2种不同平台空调控制系统的功能模块，其中表1适用于双区自动空调及以下平台，表2适用于三区自动空调及以上平台。

表1 双区自动空调以下平台的功能模块

表2 三区自动空调及以上平台的功能模块

2.2 空调面板与控制模块分离

传统空调控制器的操作面板和控制模块一般是集成一体的。这种结构由于受面板造型多变性影响，控制器的通用化难以保证，弊端是显而易见的。

与之相反，采用面板与控制模块分离的开发方法，不但可以增加面板造型设计的自由度和灵活性，而且使控制器的平台化、模块化设计也成为可能。在两者分离之后，空调操作面板既可以作为一个独立的零件进行开发，也可以根据实际需要与音响娱乐面板集成，从而减少整体零部件的数量。

图2提供了2种空调面板和控制器分离之后，网络架构实现的不同方案。2种方案各有利弊，具体项目开发时，应根据项目实际情况进行选择。

图2 空调面板与控制器分离方案

2.3 软件与硬件分离

将空调控制器软件作为单独的零部件，相同平台的硬件和不同的软件组成不同的控制器，实现平台功能的差异化。硬件开发需要测试、产品认可，开发验证周期长、成本高，但软件的变型相对验证周期短、成本低。通过软硬件分离的方法，既保证了硬件的通用性，又通过软件的差异化来对应同平台但有差异功能的变型车需求。

在生产过程中，车型1和车型2采用同一硬件，2个控制器具有硬件可互换性和通用性，硬件的规模化产生成本的节约。在售后领域，更换控制器时只需要重新刷新软件即可，不用拆卸和更换整个控制器，节省工时和备件成本。

2.4 硬件的模块化设计

硬件的模块化设计是对各硬件子模块进行设计和组合的过程。平台硬件的设计应按空调平台定义的最大功能需求开展，并完成相应的测试验证工作；变型车设计时，可在其基础上进行必要的删减。如果某些功能不需要，可在PCB制作时，不安装与该功能相关的硬件子模块或元器件，以省去该功能模块的元器件费用。

硬件子模块的详细设计依托于平台功能模块的定义而开展。以某乘用车双区自动空调为例，该空调控制器硬件平台主要包括以下模块。

1）单片机系统，采用飞思卡尔MC9S12G128为核心的主控芯片，64个针脚，Flash容量128 K，硬件接口及内存均有一定的预留量，可用于未来功能的扩展和软件升级。

2）电机控制采用NCV7719芯片，可驱动4路直流电机（左/右温度电机、模式电机、内外循环电机），同时具有低静态电流及过流、过温保护特性，可满足双区空调平台电机控制需求。

3）电源模块采用NCV4275芯片，可提供精度为±%2的5 V电压输出。

4）高速CAN通信采用TJA1043芯片，满足CAN 2.0标准；LIN通信采用TJA1021，满足LIN 2.1协议。

图3为某双区自动空调控制器硬件平台的系统框图。根据系统功能要求，该平台空调控制器硬件模块包括一个16位MC9S12G128单片机及14个功能不同的子模块。MCU与特定的硬件子模块组合，可以完成不同的控制任务。

基于该平台做变型车开发时，由于平台硬件已经开发成熟，变型车硬件只需对平台硬件做适当裁减即可。例如，假设该变型车为单区自动空调，普通定排量压缩机（采用硬线控制），高速CAN通信，无空气净化、PTC加热功能，则该车型的硬件系统开发方案可参考图4方案进行。其中，灰色部分为对应被裁减的子模块。

2.5 结构件的通用化设计

图3 某双区自动空调控制器硬件平台系统框图

图4 某单区自动空调控制器硬件系统框图

同一平台空调控制器的结构件（包括前后盖、印制电路板、插接件等）应采用通用化设计，以避免重复开发和多次开模。通过减少设计工时、开模费用和批量采购，可降低结构件成本。

2.6 软件分层设计

软件通过分层设计实现模块化开发。

根据程序对象不同，将空调控制器软件分为底层软件和应用层软件（含标定数据）2部分。底层软件由于硬件平台已经固定，基本不会有太大变化，可以和硬件、结构件当做一个零部件，由零部件供应商直接提供。应用层软件采用Matlab进行基于模型的开发，每一个功能模块封装为一个子系统，包括鼓风机控制模块、压缩机控制模块、电机控制模块、后除霜模块、空气质量控制模块等。根据可配置性差异，这些模块又可以分为与标定参量有关、不可配置的基础控制模块和与标定参量无关的可配置模块2大类。基础控制模块由于不同车型标定参量不同，软件无法通用，所以需要各车型单独设计。可配置模块与控制变量无关，主要包括空气质量控制模块、远程空调控制模块、离子发生器模块、座椅加热/通风模块等，如果不需要其中某些功能，可在整车厂生产线下线时用配置码进行配置。

软件系统主控制流程如图5所示。主要过程如下：首先进行系统的初始化，包括硬件初始化和软件程序初始化。然后进入自学习，将各种电机、执行器状态调整至出厂状态，为空调控制做好准备。之后MCU检测电源状态，如果点火开关正常启动，则信号采集模块开始采集传感器数据及网络信号，根据采集的数据指令，判断是否满足鼓风机开启条件。如果条件满足，则进入空调开启模式，系统首先判断各风门电机位置是否满足要求，如不满足要求，则调整电机位置；如果满足要求，则进入压缩机开启判断命令。压缩机控制程序结束之后，进入风量调节程序，之后依步骤进入各个循环。

通过软件分层、模块化设计的方法，不但可以使各个车型的空调控制系统性能均达到最佳，而且还最大限度地提高了空调控制器的通用化水平。在后续平台变型车开发时，设计师仅需要进行必要的舒适性标定和功能配置即可。因而大幅缩短了软件开发周期，节约了开发费用。

图5 空调控制主流程图

3 结束语

通过采用将空调面板与控制器分离，以及软件和硬件分离的方法进行模块化设计，可以提高空调控制器的通用化水平，缩短项目开发周期，降低零部件开发成本，有效地提升了企业产品研发的实力。

［1］ 田庆宝，韩新民. 模块化设计的实现方法研究［J］. 成组技术与生产现代化，2008，25（4）：48-51.

［2］ 刘纪超，李晓舟，许金凯. 产品模块化设计方法及其发展趋势［J］.机电技术，2015（3）：157-160.

（编辑 凌 波）

Modular Design of Climate Controller for Passenger Car

XIONG Shi-kuan
（Products Development Department， FAW Car Co.， Ltd.， Changchun 130012， China）

This paper introduces feasibility study in modular design of climate controller for passenger cars.

climate controller； platform development； modular design

U463.851

A

1003-8639（2017）05-0076-04

2016-09-30

熊世宽（1984-），男，工程师，先后从事空调系统和整车电子电气架构开发等工作。