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基于CAN總線的汽車空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化控制

文檔作者：龐小蘭文檔來源：肇慶科技職業(yè)技術(shù)學(xué)院		點擊數(shù)：	更新時間： 2021年03月23日
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基于CAN總線的汽車空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化控制
龐小蘭
肇慶科技職業(yè)技術(shù)學(xué)院
摘要：為實現(xiàn)在停車狀態(tài)下車內(nèi)通風(fēng)換氣，文章在車載CAN總線技術(shù)的基礎(chǔ)上，參照汽車空調(diào)的工作原理，利用
太陽能電池板來提供通風(fēng)動力，通過太陽能控制器和通風(fēng)控制器來控制車內(nèi)空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)的開啟， 優(yōu)化設(shè)計了汽
車空調(diào)通風(fēng)裝置并進行試驗驗證。試驗結(jié)果顯示該系統(tǒng)優(yōu)化控制的效果良好，避免了靜止的車輛在陽光直射下車
內(nèi)不通風(fēng)換氣的弊端。
關(guān)鍵詞：CAN總線；汽車空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)；太陽能
Optimal Control of Air Conditioning Ventilation System Based on CAN Bus
Abstract：In order to achieve ventilation in parking state，based on on—board CAN bus technology and consulting
air_conditioning working principle，using solar panel to provide ventilation power，by means of solar controller and
ventilation controller to control ventilation system on or off,optimal design and experimental validation of ventilation
instrument of air conditioning is carried out．The test result shows that the optimized control of the system is better and
in direct sunlight no ventilation and air exchange in the stationary vehicle is avoided．
K ey words：CAN bus；Autom otive air conditioning ventilation system ；Solar energy
現(xiàn)代社會中，人們對汽車安全性和舒適性等方面
的要求越來越高，為滿足這些性能需要，越來越多的
汽車上使用了大量的電子控制裝置，尤其是轎車系列
采用了許多電控單元。任何一個電控單元都需要與相
關(guān)的多個傳感器和執(zhí)行器發(fā)生通訊，并且各控制單元
問也需要進行信息交換，這樣使傳統(tǒng)的通信方式布線
非常復(fù)雜，并且增加了故障檢修的難度。隨著計算機
技術(shù)的發(fā)展， 汽車CAN總線技術(shù)的出現(xiàn)較好地解決
了這一問題。基于CAN總線的汽車舒適系統(tǒng)是汽車
網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的一個子系統(tǒng)，而汽車空調(diào)控制系統(tǒng)是
汽車舒適系統(tǒng)的一個重要子系統(tǒng)。文章在汽車CAN
總線技術(shù)的基礎(chǔ)上，對汽車空調(diào)控制系統(tǒng)實現(xiàn)了優(yōu)化
控制，從而進一步提高車輛的舒適性。
1 汽車空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化的必要性
汽車空調(diào)可以在汽車行駛時實現(xiàn)對車室溫度環(huán)境
的調(diào)節(jié)和改善，增加人的舒適感。但是， 當(dāng)汽車停止
行駛時，壓縮機失去了動力，汽車空調(diào)也就不能再調(diào)
節(jié)車室溫度。在夏季，車輛停放在室外，受到太陽的
． ． 46 ．．
輻射作用，車門和車窗在封閉狀態(tài)下，車內(nèi)溫度會迅
速升高。據(jù)估計，這一溫度在短時間內(nèi)可達到55℃
左右，當(dāng)駕乘人員再次進入車內(nèi)會在一定時間段內(nèi)感
覺不舒適。因此文章研究在停車狀態(tài)下利用太陽能電
池優(yōu)化通風(fēng)系統(tǒng)從而改善車內(nèi)環(huán)境，提高車輛的舒適
性能。
2 汽車CAN總線技術(shù)在汽車空調(diào)中的應(yīng)用
汽車CAN (Controller Area Network)， 即控制
器局域網(wǎng)，是國際上應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場總線之一，被
設(shè)計作為汽車環(huán)境中的微控制器通信，在車載各電控
裝置ECU之間交換信息，形成汽車電子控制網(wǎng)絡(luò)Ⅲ。
目前，CAN數(shù)據(jù)總線已經(jīng)被廣泛應(yīng)用到汽車電控系
統(tǒng)中，例如，汽車舒適系統(tǒng)中空調(diào)系統(tǒng)的應(yīng)用。
現(xiàn)代汽車空調(diào)已經(jīng)由計算機控制。完善的汽車計
算機控制的空調(diào)系統(tǒng)不僅可以對車內(nèi)空氣的溫度、濕
度、清潔度、風(fēng)量和風(fēng)向等進行自動調(diào)節(jié)，保證在各
種外界氣候和條件下使乘客都處于一個舒適的空氣環(huán)
境中，而且還可以實現(xiàn)經(jīng)濟運行控制、全面顯示及故
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第4期 車工
障檢測等功能。計算機控制的空調(diào)系統(tǒng)主要組成是：
傳感器、微機和執(zhí)行器。
3 汽車空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化控制
3．1 設(shè)計思路
對現(xiàn)代轎車上的汽車空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)提出以下優(yōu)化
控制方案：在轎車的天窗上安裝太陽能電池板，太陽
能電池板的電壓信號直接輸入給太陽能控制器。太陽
能控制器和蓄電池以及空調(diào)控制器相連接。當(dāng)空調(diào)控
制器接收到陽光溫度傳感器、車外溫度傳感器和車內(nèi)
溫度傳感器等發(fā)出的信號時，通過空調(diào)控制單元進行
計算比較，最終確定車內(nèi)溫度超過設(shè)計界限值時，發(fā)
出信號給CAN 總線，太陽能控制器從而獲取此信號，
來控制風(fēng)機和風(fēng)門的驅(qū)動電路，使通風(fēng)系統(tǒng)工作， 實
現(xiàn)車內(nèi)通風(fēng)換氣。通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計思路圖，如圖1所
／ 。
圖1 通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計思路圖
停車時，通風(fēng)系統(tǒng)依靠鼓風(fēng)機和通風(fēng)氣流形成裝
置工作。鼓風(fēng)機的動力來源是蓄電池， 由太陽能控制
系統(tǒng)給蓄電池充電。當(dāng)鼓風(fēng)機運轉(zhuǎn)時，車內(nèi)空氣通過
通風(fēng)氣流路徑被抽吸并排出車外。
通風(fēng)系統(tǒng)路徑包括車外新鮮空氣進入階段、儀表
板下方氣流連通口和車外氣流排放路徑3個部分。
空調(diào)氣流路徑由3部分組成：第1部分為空氣進
入段，主要由內(nèi)外循環(huán)風(fēng)門和鼓風(fēng)機組成，用來控制
車外新鮮空氣和車內(nèi)循環(huán)空氣的比例；第2部分為空
氣混合段，主要由蒸發(fā)器、加熱器和調(diào)溫門組成，用
來提供所需溫度的空氣；第3部分為空氣分配段，使
空氣吹向指定的方位。工作過程如下： 車外新鮮空
氣十車內(nèi)循環(huán)空氣一進入鼓風(fēng)機一空氣進入蒸發(fā)器冷
卻一由風(fēng)門調(diào)節(jié)部分空氣進入加熱器加熱一進入各風(fēng)
口。
在通風(fēng)模式下打開儀表板進氣連通口和空氣排放
路徑通氣口， 同時由通風(fēng)系統(tǒng)路徑和空調(diào)氣流路徑相
互之間的切換裝置關(guān)閉空調(diào)的氣流路徑。另外，在通
風(fēng)模式下，只能形成通風(fēng)系統(tǒng)路徑而不形成空調(diào)氣流
路徑，并且保證在通風(fēng)以外的模式下，形成空調(diào)氣流
路徑而不形成通風(fēng)系統(tǒng)路徑。
3．2 工作條件
通風(fēng)系統(tǒng)是否工作受4方面條件控制。
1)由于是停車通風(fēng)，所以接收的第1個信號是
發(fā)動機是否啟動。當(dāng)發(fā)動機啟動時，此通風(fēng)系統(tǒng)不工
作，反之發(fā)動機不啟動時，此系統(tǒng)工作。
2)車門與車窗的打開和關(guān)閉也是一個輸入信號，
因為當(dāng)車內(nèi)有乘員時，可以利用車門和車窗通風(fēng)換氣，
不需要此系統(tǒng)工作。
3)車內(nèi)溫度高低情況。當(dāng)車內(nèi)溫度不超過界限
值時，不需要啟動該系統(tǒng)。
4)當(dāng)太陽能供電較少時，此系統(tǒng)工作就需要消
耗蓄電池的電能， 為了防止蓄電池過度放電， 當(dāng)蓄電
池電量過低時，此系統(tǒng)停止工作。
3．3 太陽能控制系統(tǒng)設(shè)計
太陽能控制系統(tǒng)由太陽能電池板、蓄電池、太陽
能控制器和通風(fēng)控制系統(tǒng)組成，系統(tǒng)框圖，如圖2所
不。
圖2 太陽能控制系統(tǒng)
太陽能控制器是太陽能控制系統(tǒng)中最重要的組成
部分，其性能的好壞直接影響著整個系統(tǒng)的可靠性和
工作效率，因此，對其硬件電路結(jié)構(gòu)的設(shè)計和軟件的
編制顯得尤為重要【2】。太陽能控制器的設(shè)計主要有以
下3個方面：
1)充放電電路。當(dāng)蓄電池電壓處于正常情況下，
單片機控制的充電驅(qū)動TI(IRFZ44)為高電平，三
極管T3(C9013)導(dǎo)通，MOS管T1截止，此時太陽
能電池向蓄電池充電；當(dāng)蓄電池電壓達到13．2 V時，
單片機控制的充電驅(qū)動Tl為低電平，三極管T3導(dǎo)通，
MOS管T1截止，此時處于浮充狀態(tài)： 當(dāng)蓄電池電壓
高于設(shè)定的過充點14．4 V時，單片機控制的充電驅(qū)
動T1為低電平，三極管T3截止，MOS管T1導(dǎo)通，
此時充電回路通過MOS管T1進行短路保護； 當(dāng)蓄
電池電壓下降到13．0 V 時，三極管T3重新導(dǎo)通，
MOS管截止，恢復(fù)正常充電狀態(tài)，充放電電路圖，
．． 47．．
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201 1年4月
如圖3所示。
崮3 充放電電路
當(dāng)蓄電池電壓處于正常情況下， 單片機控
制的放電驅(qū)動T2(IRFZ44) 為低電平， 三極管
T4(C90l3)截止，MOS管T2導(dǎo)通，此時負載輸出
正常； 當(dāng)蓄電池電壓低于設(shè)定的過放點11．0 V時，
單片機控制的放電驅(qū)動T2為高電平，三極管T4導(dǎo)通，
MOS管T2截止，此時負載無輸出； 當(dāng)蓄電池電壓達
到12．4 v時，單片機控制的放電驅(qū)動T2為低電平，
三極管T4截止，MOS管T2導(dǎo)通，此時負載過放恢
復(fù)正常。
因肖特基二極管STPS2045CT比普通防反二極管
的管壓低， 電路損耗小，用它來防止蓄電池(B)向
光電池(P)反向充電，提高電路的可靠性 j。
2)顯示電路。此控制器采用2個雙色LED發(fā)光
二極管，LED1顯示充電狀態(tài)，LED2顯示放電狀態(tài)。
指示燈通過顏色漸變顯示電壓高低。充電狀態(tài)： 當(dāng)蓄
電池電壓低于13．0 V 時，LED1顯示綠色； 當(dāng)蓄電池
電壓在13．2～ 13．6 V之間時，LED1顯示橙色；當(dāng)蓄電
池電壓高于l4．4 V時，LED1顯示紅色。放電狀態(tài)：
當(dāng)蓄電池電壓低于11．0 V時，LED2顯示紅色；當(dāng)蓄
電池電壓在12．2～ 12．4 V之間時，LED2顯示橙色；
當(dāng)蓄電池電壓高于12．4 v 時，LED2顯示綠色。2個
雙色LED發(fā)光二極管顯示非常直觀，取代了以往多
個指示燈，使得電路非常簡單， 同時也給用戶帶來了
方便。
3)溫度補償。蓄電池的容量是隨溫度的變化而
變化的， 溫度升高，蓄電池的容量將增加，溫度下
降，蓄電池的容量將減少。因此，為了保證在很寬的
溫度范圍內(nèi)都能使電池剛好充足電，充電器的各種轉(zhuǎn)
換電壓必須隨電池電壓的溫度系數(shù)而變 ]。如果充放
電電流維持不變，相應(yīng)的充放電率將改變，不同的充
放電率對應(yīng)著不同的過充和過放點，因此要采用溫度
補償對蓄電池進行保護。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，溫度補償?shù)姆秶?
為～3～一7 mV／(oC·節(jié))，取中間值一5 mV／(℃·節(jié))。
因熱敏電阻MF58在一5～ 45℃其阻值有近似的線形
關(guān)系，可以實現(xiàn)溫度補償。環(huán)境溫度變化時，熱敏電
阻的阻值會隨溫度的變化而變化。單片機通過采樣溫
．． 48．．
度參數(shù)，將采樣值與存儲在單片機內(nèi)的電壓值比較，
對蓄電池的充電和放電電壓進行適當(dāng)控制，從而保護
蓄電池。
太陽能控制器的工作情況是由點火鑰匙擋位來決
定的。當(dāng)點火鑰匙擋位為關(guān)閉擋時(發(fā)動機不工作)，
太陽能控制器檢測蓄電池正常，此時給蓄電池充電，
鼓風(fēng)機工作； 當(dāng)點火開關(guān)處于非關(guān)閉擋時(發(fā)動機工
作)，太陽能控制器處于睡眠模式。通過CAN通信
模塊，太陽能控制器可獲取車內(nèi)溫度、車外溫度、陽
光輻射強度和點火信號等輸入信號，節(jié)省了另外增加
傳感器和布線的成本。
4 太陽能通風(fēng)系統(tǒng)功能試驗
按照上述利用太陽能對汽車空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)硬件以
及軟件的設(shè)計進行試驗。
測試時間：2010年6月中旬上午11：00～ 12：00。
試驗環(huán)境：晴天，環(huán)境溫度為(30±1)℃ ，輻射
強度約為900 W／m 。
試驗過程： 為了研究太陽能通風(fēng)系統(tǒng)的功能，
以A車和B車作為測試對象，其中A車安裝了太陽
能通風(fēng)系統(tǒng)，B車沒有安裝此系統(tǒng)。分別在每1輛車
內(nèi)正副駕駛座正中間和左右后座正中間，相當(dāng)于駕乘
人員胸部的位置布置2個測溫點以測量車室內(nèi)空氣溫
度；在車頂布置1個測溫點以測量陽光直射下車頂表
面的溫度。室外空氣溫度由專門熱電偶測定，所有測
溫點全部用PT1000鉑電阻測溫，通過Agilent34970A
數(shù)據(jù)采集儀與電腦連接，每隔1 min采集一次強度數(shù)
據(jù)。太陽輻射強度數(shù)據(jù)可以通過氣象臺網(wǎng)站獲得。
測試車輛在開啟空調(diào)運行一段時間之后，車內(nèi)溫
度分布達到穩(wěn)定狀態(tài)，并低于外界環(huán)境溫度。此時空
調(diào)停止運行，停置于室外，在陽光照射下，通過試驗
測定車內(nèi)各測點的溫度。在試驗中，停車后駕駛?cè)藛T
離開汽車，關(guān)閉車門時定為試驗記錄的起始點， 時間
跨度以min為單位。
試驗結(jié)果：
1)B車。汽車停放后，車內(nèi)溫度變化受外部受
熱條件及汽車各部分傳熱過程的綜合影響。在停車最
初階段，環(huán)境通過輻射和對流等方式對汽車傳熱，使
車內(nèi)氣溫迅速升高， 由于太陽輻射熱量經(jīng)過前后擋風(fēng)
玻璃和車窗玻璃大量進入車內(nèi)，而車內(nèi)環(huán)境又處于封
閉狀態(tài)， 形成了溫室效應(yīng)，停放l h后，車內(nèi)平均氣
溫可達42℃ 以上，最高可達55℃ 。
2)A車。試驗開始約25 min時，車內(nèi)溫度不斷
(下轉(zhuǎn)第55頁)

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