汽车空调的控制系统

8．5　汽车空调的控制系统

使用空调系统的目的是对车厢内的空气温度、湿度、洁净度以及风速进行合理调节，以营造出一个舒适的乘驾环境。为此，在车内、外环境工况不断变化的情况下，必须对空调系统的工作状态进行必要的调节和控制，以适应变化着的工况并使其更有效地发挥作用。同时控制系统也起着保证系统安全运行的作用。汽车空调的控制系统有手动式、半自动式和全自动控制式三种。

手动空调系统只能调节出风量和制冷制热，其风机转速、出风温度及送风方式等功能是驾驶员操纵和调节的。当驾驶员通过操纵仪表板上的温度控制杆和风扇开关来设定温度和风速时，空调会一直保持设定的工作状态，但当驾驶员或乘员觉得冷或热时，只能手动去反复调节，用起来很不方便。

自动空调系统即微机控制的自动空调。这种空调系统利用各种传感器随时检测车内外温度、阳光强度等信号，并把传感器的信号送到空调系统的电子控制单元(ECU)，电子控制单元按照预先编制的程序对传感器信号进行处理，并通过执行元件不断地对风机转速、出风温度、送风方式及压缩机工作状况等进行调节，从而使车内温度、空气流动状况等始终保持在驾驶员设定的水平上。大大提高了汽车的乘坐舒适性，并减小了驾驶员的操作疲劳强度。

目前还出现了一款带体感功能的智能空调，可以根据车上人员的温度变化而使冷气自动跟踪高温人员的温度使该人员的体温迅速得到降温。

半自动空调系统通过程序装置检测空气温度和气流混合风门位置来达到驾驶员选择的舒适程度。驾驶员手动操作控制器总成上的键，选择空调系统的工作模式和风机转速。全自动空调系统与半自动空调系统的主要区别是全自动空调系统有自诊断功能，即计算机控制模块设置有故障自诊断电路，检修时可读取的故障代码。此外，全自动空调系统能不断地提供变化的风机转速信号，以间隔数秒调节一次的较高频率调整车内温度。

8．5．1　半自动空调的控制系统

1．控制面板总成

控制面板总成装在仪表板上，它是驾驶员给空调系统计算机芯片输入控制数据的设备。驾驶员通过操纵面板上的开关按键选择空调的工作模式(冷气、暖气、除霜和通风)和风机转速。

2．传感器

半自动空调系统最常用的传感器是车内温度传感器、外界温度传感器和日照强度传感器。

(1)车内温度传感器。车内温度传感器是一个负温度系数热敏电阻。它的电阻值随温度降低而增大。当车内空气温度较低时，传感器的电阻较高;反之，电阻较低。车内温度传感器有两个接线端子与空调计算机相连，当车内温度传感器电阻发生变化时，空调计算机检测传感器两端电压降的变化来获得室内温度信号。车内温度传感器通常安装在仪表板后面的吸气装置内。

(2)车外温度传感器。车外温度传感器也是一个负温度系数的热敏电阻，用于向空调计算机输入车外环境温度变化的信号。它通常安装在散热器护栅后面，也有的安装在发动机罩锁扣处。

(3)日照强度传感器。日照强度传感器是一个光敏电压二极管，在受到光照时产生电压及电流输送至空调ECU，ECU根据此信号调节空调的风速与温度。日照强度传感器安装在汽车上能够感受阳光强度的地方，一般安装在仪表板上方。

3．程序装置

程序装置即空调计算机控制芯片ECU，它通过接收控制面板开关和传感器的输入信号，控制半自动空调系统的风机转速、气流控制风门、真空执行机构等。通过控制器总成给程序装置输入的数据控制各风门执行机构;再通过接收到的车内温度和外界温度传感器的输入信号来控制制冷压缩机电磁离合器、暖气加热器供水阀以及把各个风门放到适当工作模式位置等。

8．5．2　全自动空调的控制系统

1．信号输入装置

(1)开关信号

①空调控制面板。面板包括一组驾驶员操作的开关，这些开关将输入信号送至空调计算机。如图8－27所示。

图8－27　LS400轿车电控自动空调系统的操作面板

②点火开关。每次点火开关接通时，点火系统工作电源电压信号就被送到空调计算机。

③车门半开开关。有些空调系统中，驾驶员和乘客车门半开开关将车门信号送至空调计算机，在汽车停车后只要汽车的任何一扇门开着，车门半开开关信号即送到空调计算机，使制冷系统工作或提高制冷量，确保车内温度的恒定。

④灯光开关。当停车灯或前照灯点亮时，就有一个信号被送到空调计算机，计算机利用这些信号控制在空调控制板的照明设备。

⑤压力开关。制冷回路高压侧压力低于0．22MPa或高于3．2MPa，断开压缩机电磁离合器，实现高压保护和低压保护。只有制冷回路高压侧压力在0．22～3．2MPa时，电磁离合器才处于接通状态，空调系统正常工作。

(2)传感器信号

①车内温度传感器、车外温度传感器和日照强度传感器与半自动空调的一样。

②蒸发器出口温度传感器安装在空调的蒸发器出口位置，安装位置如图8－28所示。用来检测蒸发器表面的温度变化，发送适当的信号给ECU。空调蒸发器出口温度传感器的工作环境温度为－20℃～600℃。

③冷却液温度传感器。直接安装在暖风水箱底部的水道上，用于检测冷却液温度，将产生冷却液温度信号输送给空调ECU。

④压缩机锁止传感器。安装在空调压缩机的内部，用于检测压缩机的转速，压缩机每转一圈，锁止传感器产生4个脉冲信号输送给空调ECU。如果压缩机转速与发动机转速之比小于预定值，则空调ECU便使压缩机停转，指示器以约1s间隔闪光一次。

⑤静电式制冷剂流量传感器。安装在储液罐和膨胀阀之间。在电控自动空调系统中，静电式制冷剂流量传感器用于检测制冷剂流量。其结构原理如图8－29所示。

传感器内部有多个电极，当通过传感器的制冷剂流量发生变化时，则电极之间的静电电容量也发生变化，由此可检测出制冷剂流量。当制冷剂流量发生变化时，传感器以频率信号输入空调ECU，空调ECU根据此信号判断制冷剂流量是否正常。当出现异常时，利用监控系统进行报警。

图8－28　空调蒸发器出口温度传感器

图8－29　静电式制冷剂流量传感器原理

⑥烟雾浓度传感器。采用光电型散热光式烟雾浓度传感器检测烟雾，通过空调ECU可使空气交换器在有烟雾时自动运转，没有烟雾时自动停止，保持车内空气清新。烟雾浓度传感器的结构如图8－30所示，由发光元件、光敏元件及信号处理电路等三部分组成。

通过细缝的空气可以自由地流动，发光元件间歇地发出红外线，在没有烟雾的情况下，红外线射不到光敏元件上，电路不工作;但当烟雾等进入传感器内部时，烟雾粒子对间歇的红外光进行漫反射，就有红外光射到光敏元件上，这时空调ECU判断出车内有烟雾，就会使风机旋转。

⑦湿度传感器。主要有热敏电阻式和结露式两种形式。热敏电阻式湿度传感器，可用于汽车风窗玻璃的防霜和车内相对湿度检测。它是利用金属氧化物系列陶瓷材料制成的烧结体表面对水分的吸附作用来工作的，当烧结体吸附了水分子时，其电阻值发生变化，根据这一变化就可以检测出车内湿度的变化。其结构与工作特性如图8－31所示。当湿度增加时，传感器的阻值减少。

结露传感器是利用厚膜状陶瓷半导体的阻值在接近结露状态的湿度区域将急剧地变化这一原理制成的。其结构及特性如图8－32所示，其内部由电极、感湿膜、热敏电阻及铝基板组成。在高湿度情况下，传感器把湿度转换成阻值的变化并对湿度进行测定，测试精度高，响应特性好;可用于检测车窗结露，当处于结露状态时，传感器使汽车空调以除霜方式工作，从而保持车内乘员的良好视野。

图8－30　烟雾浓度传感器的结构与工作原理

图8－31　热敏电阻式湿度传感器结构与工作特性

图8－32　结露传感器的结构及特性

⑧风门位置传感器是一个滑动可变电阻器，将风门位置状态转变成电信号送至空调计算机，作为ECU控制风门开度的反馈信号。

2．空调ECU

空调ECU与操纵面板制成一体，它对输入的各种传感器信号和功能选择键的输入指令进行计算、分析、比较后发出指令，控制各个执行元件动作，使车内温度、空气流动状况等始终保持在驾驶员设定的水平上。另外，全自动空调ECU还有故障自诊断功能。

(1)计算所需送风温度。空调ECU根据驾驶员设定温度及车内温度、车外环境温度、光照传感器输送数据等计算所需的送风温度。空调ECU再根据送风温度，向伺服电动机等执行元件发出控制信号，实现各种控制功能。但是当驾驶员将温度设置在最冷或最热时，空调ECU将用固定值取代上述计算值进行控制，以加快响应速度。

(2)空气混合风门控制。空调ECU根据驾驶员设定温度和蒸发器温度调节空气混合风门向冷的方向转动或者向热的方向转动，降低或提高出风温度，直至调节到设定值。

(3)鼓风机转速控制。当按下“自动控制”键时，空调ECU根据送风温度自动调整鼓风机转速。若水温传感器检测到水温低于40℃时，空调ECU控制鼓风机停止转动。

(4)进风方式控制。当按下某个进风方式键时，空调ECU控制进风伺服电动机转动，将进风挡板固定在“车外新鲜空气导入”或“车内空气循环”位置上。当按下“自动控制”键时，空调ECU根据送风温度在上述两种方式之间交替自动改变进风方式。

(5)送风方式控制。当按下某个送风方式键时，空调ECU控制送风方式伺服电动机动作，将送风方式固定在相应状态上。当进行自动控制时，空调ECU根据求得的送风温度自动调节送风方式。当送风温度非常低时，最冷控制挡风板完全开启。

(6)压缩机控制。进行自动控制时，如果环境温度或蒸发温度降至一定值以下，空调ECU将控制压缩机间歇工作，即电磁离合器交替导通与断开，以节省能源。空调装置工作时，空调ECU同时从发动机点火器及压缩机锁止传感器采集发动机转速与压缩机转速信号，并进行比较。若两种转速信号的偏差率连续3s超过80%，空调ECU则判定压缩机锁止，同时电磁离合器脱开，防止空调装置进一步损坏，并使操纵面板上的A/C指示灯闪烁，以提示驾驶员。

3．执行元件

包括风门伺服电动机、鼓风机及压缩机电磁离合器等。

(1)进风伺服电动机。该电动机控制空调的进风方式，电动机的转子经连杆与进风风门相连。该伺服电动机内装有一个电位器，向空调ECU反馈进风伺服电动机的位置情况。

当驾驶员使用进风方式控制键选择“车外新鲜空气导入”或“车内空气循环”模式时，空调ECU即控制进风伺服电动机带动连杆顺时针或逆时针旋转，从而带动进风风门开启或闭合，达到改变进风方式的目的。

当按下“自动控制”键时，空调ECU首先计算出所需要的送风温度，并根据计算结果自动改变进风伺服电动机的转动方向，从而实现进风方式的自动调节。

(2)空气混合伺服电动机。当进行温度调节时，空调ECU控制空气混合伺服电动机连杆顺时针或逆时针转动，改变空气混合风门的开启角度，从而改变冷、暖空气的混合比例，调节送风温度。电动机内电位器的作用是向空调ECU输送空气混合风门的位置信号。

(3)送风方式控制伺服电动机。当按下操纵面板上某个送风方式键时，空调ECU便将电动机上的相应端子接地，而电动机内的驱动电路据此使电动机连杆转动，将送风控制风门转到应的位置上，打开某个送风通道。当按下“自动控制”键时，空调ECU根据计算结果(送风温度)在吹脸、吹双肩和吹脚三者之间自动改变送风方式。

(4)最冷控制伺服电动机。该电动机操纵的最冷控制风门有全开、半开和全闭3个位置。当空调ECU使某个位置的端子接地时，电动机驱动电路使电动机旋转，带动最冷控制风门处于相应位置。

(5)鼓风机。鼓风机的转速可以通过操作空调控制面板上的“高速”、“中速”和“低速”键设定。当按下“自动控制”键时，空调ECU根据送风温度自动调整鼓风机转速。若水温传器检测到水温低于40℃时，空调ECU控制鼓风机停止转动。

(6)压缩机电磁离合器。

①功用:接收空调ECU的指令，ECU根据输入信号控制压缩机电磁线圈的通电状态，从而控制压缩机的工作。当同时按下“A/C”键和风机键，空调ECU使压缩机电磁离合器吸合，压缩机开始工作;若环境温度或蒸发器温度降到一定值以下，空调ECU将控制压缩机间歇工作，即压缩机的电磁离合器交替地导通与截止，以节省能源。

②结构组成及工作原理:电磁离合器由三大部件组成:带轮组件、衔铁组件、线圈组件，见图8－33。

1－带轮　2－压缩机壳体　3－线圈　4－摩擦板　5－驱动盘　6－弹簧爪

图8－33　电磁离合器的组成

带轮由轴承支撑，可以绕主轴自由转动，其侧面平整，开有条形槽孔，表面粗糙，以便衔铁吸合后有较大的摩擦力。带轮有单槽、双槽和齿形槽等。带轮以冲压件居多，以使它的另一侧有一定空间可嵌入线圈绕组。线圈绕组是用于产生电磁场的，有固定式和转动式两种。固定式线圈被固定在压缩机壳体上，有引线引出供接电源使用。衔铁组件由驱动盘、摩擦板、复位弹簧等组成，整个组件靠花键与压缩机主轴连接。

③电磁离合器的工作原理:当线圈绕组中有电流通过时，产生较强的电磁场，吸合衔铁与带轮组件紧密结合，这样，带轮的转动带动压缩机工作;当电流消失后，衔铁靠复位弹簧迅速与带轮分离，带轮仍在转动，但压缩机停止工作。

④空调压缩机的控制电路如图8－34所示:

图8－34　空调压缩机的控制电路

空调ECU的MGC端子首先向发动机ECU发出压缩机工作信号，发动机ECU的A/C端子随即搭铁，使空调继电器触点闭合，压缩机电磁离合器线圈电路接通，电磁离合器吸合，使压缩机开始工作。