无论是酷暑还是寒冬,利用汽车加热冷却系统,乘客始终可以享受到舒适的车内环境。在不同类别的车辆中,这些暖通空调(HVAC)系统的复杂性和自动化程度也各不相同。经济型汽车可能需要驾驶员手动旋转旋钮来控制温度,而在高端车辆中,则可以通过传感器同时自动控制车内的温度以及空气的湿度和质量。
 
空气流动
无论何种类别的车辆,汽车 HVAC 系统都会交换空气,并在此过程中改变其温度、湿度和质量。
 
我们来看一下空气流动的原理。空气可以从车厢外部或内部吸入系统。也可以通过蒸发器或换热器进入 HVAC 系统进行调节;调节空气分布在整个车厢内,让乘客脚部保暖、防止挡风玻璃起雾。
 
空气流动的途径有很多种:从外部到蒸发器再到挡风玻璃,或从内部到热交换器再到车厢底部的通风口。那么 HVAC 系统是如何控制空气流动的方式呢?
 
图 1 是 HVAC 系统的侧视图。关键组件用数字标记,箭头指示空气流动的方向。图 1 中的部件 4 至 8 所示为风门执行器。橙色虚线表示风门移动的区域,而橙色实线代表风门。HVAC 系统中的风门执行器的数量取决于系统的整体复杂性——属于单区域还是多区域 HVAC。
 
图 1:由八个部件组成的汽车 HVAC:1 =鼓风机,2 =蒸发器,3 =加热器,4 =进气风门,5,6 和 7 =空气分配风门,8 =空气混合风门
 
风门执行器
空气通过管道在 HVAC 系统中流动;风门通过全部或部分打开或关闭管道的分段,控制空气的流动方式。风门执行器(也称为阻尼器)是移动风门的电气设备。
 
在汽车 HVAC 系统中有三类风门执行器:
进气风门执行器(图 1 中的部件 4):该风门执行器控制调节空气源 - 车外空气或车内的再循环空气。该风门执行器位置可由驾驶员使用再循环按钮或由 HVAC 系统根据车内空气质量传感器的数据进行控制。
 
空气混合风门执行器(图 1 中的部件 8):该风门执行器将暖气(热交换器)和冷风(蒸发器)混合,以达到设定的空气温度。
 
空气分配风门执行器(图 1 中的部件 5、6 和 7):该类风门执行器的数量根据车辆类别而不同,用于分配车厢内的空气。
 
直流电机
哪些电气设备负责驱动风门?正如空气流动的控制方式有多种一样,汽车制造商在驱动风门的电气设备上也有多种选择。包括带有电位器的有刷直流电机用于感测风门的位置;使用反电动势(反 EMF)测量位置或通过计算步数测量位置的步进电机的三相无刷直流(BLDC)电机。这些直流电机通过不同尺寸的齿轮驱动风门。
 
更多选择
选择电机后,HVAC 系统工程师还可以选择驱动电机的架构。如前所述,风门执行器可以在本地或远程控制。在本地控制中,控制电机的电子设备位于电机附近,即电动机控制 IC 集成在电机所在的相同壳体中(见图 2 中的风门执行器控制)。诸如局域互连网络(LIN)之类的通信协议控制电动机,将风门驱动到特定位置。在远程控制中,控制电机的电子设备位于远离风门执行器的 HVAC 控制单元(见图 3)。HVAC 控制单元上的电机驱动器和微控制器之间的通信可以通过串行外设接口(SPI)实现,甚至可以通过并行数字控制接口实现。
 
图 2 和图 3 说明了两种可能的架构。图 2 中的架构比图 3 中的架构更复杂;然而,图 2 中的架构提供了更大的设计可扩展性和灵活性。
 
图 2:风门执行器电机的远程控制
 
图 3:风门执行器的集成电机驱动器
 
更多选择
我们来看一下微控制器和电机驱动器控制集成电路之间的连接。HVAC 系统设计人员在该连接上也有多种选择。微控制器可以使用数字通信接口(如 SPI)连接到电机驱动器,也可以使用控制线直接连接到电机驱动器。图 4 和图 5 说明了这些选择。
 
图 4:使用 SPI 与电机驱动器通信的微控制器
 
图 5:直接控制电机驱动器的微控制器
 
简化元件
用于 BLDC 和步进电机的驱动器电子元件比驱动有刷直流电机所需的电子元件更为复杂。若您选择使用有刷直流电机来移动风门,则使用直接驱动风门电机的电机驱动器具有明显的优势——在硬件和软件方面都更简单。