燃油車高壓管道電容式R134a冷媒空調管道壓力傳感器在系統中的應用

發表時間:2020/1/8   來源:《科技新時代》2019年11期   作者:萬慶江、程欽、曾奇、王文奎
[導讀] 在汽車制造業飛速發展的今天,汽車中已經安裝了越來越多的自動控制系統增加汽車的安全性和舒適性。安全性和舒適性作為當今汽車界討論得最多的話題,非常值得深入研究。

萬慶江、程欽、曾奇、王文奎
        曲阜天博汽車零部件制造有限公司  山東曲阜273100
        
        摘要:在汽車制造業飛速發展的今天,汽車中已經安裝了越來越多的自動控制系統增加汽車的安全性和舒適性。安全性和舒適性作為當今汽車界討論得最多的話題,非常值得深入研究。
        關鍵詞: 高壓管道   傳感器  系統
        空調管道的高壓傳感器(冷媒R134a/R1234yf),以下簡稱空調壓力傳感器/壓力傳感器,根據其在整個空調系統中的安裝位置不同可分為低壓傳感器和高壓傳感器(如圖1),主要功能為采集當前冷媒的機械壓力,并以電信號的形式發送至空調控制器,空調控制器根據接收到的信號來控制壓縮機的開閉、壓縮機的功率以及冷卻風扇的轉速。極端工況下,當壓力傳感器檢測到空調管道中的壓力過高或者過低時,空調控制器會做出判斷及時切斷壓縮機保護整個空調系統。
        今天我們要研究的就是空調管道的高壓傳感器(冷媒R134a/R1234yf)。對于PHEV混合動力的空調系統中使用的高壓/溫度傳感器和熱泵空調系統(冷媒R744)的壓力傳感器不在本次研究范圍之內。PHEV車輛使用的溫度壓力傳感器機械結構和軟件算法以及控制策略都有很大的不同。
        
        
        
        圖1空調壓力傳感器安裝位置示意圖
       
        1、燃油車汽車空調系統簡介
        實現對車廂內空氣進行制冷、加熱、換氣和空氣凈化的裝置。它可以為乘車人員提供舒適的乘車環境,降低駕駛員的疲勞強度,提高行車安全。
        汽車空調主要功能:
        1.1、溫度調節:
        (1)制冷系統:夏22℃~28℃
        (2)制熱系統:冬16℃~18℃
        溫度低于14℃,人就會感覺到冷,溫度越低,越覺得手腳動作僵硬,不能靈活操作機件。溫度超過28℃,人就會覺得燥熱,溫度越高,越覺得頭昏腦脹,精神集中不起來,思維遲鈍,容易造成交通事故。
        1.2、濕度調節
        (1)夏:50%~60%;
        (2)冬:40%~50%
        在這種濕度環境中,人會覺得心情舒暢,皮膚覺得特別光滑、柔嫩。普通汽車空調一般不具備這種功能,只有高級豪華汽車采用冷暖一體化空調器,才能對車內的濕度進行適當調節。
        1.3、通風系統
        (1)流速;
        (2)方向
        人在流動的空氣中比在靜止的空氣中要舒適,這是因為流動的空氣能促進人體內外散熱的緣故?諝饬魉僭0.2m/s以下且以低速變動要佳。
        1.4、凈化
        過濾空氣中的有害雜質進入車內:粉塵花粉、PM2.5等
        車室內空間小,乘員密度大,全封閉空間內,汽車發動機廢氣中的一氧化碳和道路上的粉塵、野外有毒的花粉都容易進入車室內,造成車室內空氣悶濁,嚴重影響乘員的身體健康。
        2、空調壓力傳感器的產品功能
        壓力傳感器根據其應用壓力范圍分成高壓傳感器和低壓傳感器。
        二氧化碳高壓傳感器用于R744新型冷媒熱泵系統中,其空調系統的冷媒壓力最大可以達到300bar左右。跟傳統的壓力傳感器相比,有著革命性的顛覆,全鋁殼體以及高度密封性等等。
        在R134a/R1234yf傳統冷媒系統中,其空調系統的冷媒壓力最大只有60bar左右。
        在新型冷媒(R744)面世之前,我們把傳統冷媒(R134a/R1234yf)的這類壓力傳感器俗稱為高壓傳感器。
        以下也簡稱高壓傳感器或壓力傳感器。如圖2、3空調系統圖所示。
        空調壓力傳感器的直接作用是檢測實時的冷媒壓力信號,LIN信號空調壓力傳感器是當空調控制器發送請求時,對應ID的LIN幀頭在總線上廣播時,空調壓力傳感器將冷媒壓力以標準LIN格式發送至空調ECU,模擬輸出、PWM輸出和sent輸出的則將壓力信號實時傳遞給空調ECU,除了信號的監控,部分壓力傳感器還具備診斷功能,當傳感器自身發生故障時,發將故障碼以特定的形式發送給汽車ECU,當使用OBD等診斷系統進行診斷時,可以提示客戶空調壓力傳感器故障,更換空調壓力傳感器。除此之外,空調冷媒壓力還可以間接實現以下功能:
        (1)系統壓力過低時保護壓縮機
        當出現冷媒泄漏等原因造成系統冷媒壓力下降時(一般冷媒小于0.15MPa時),傳感器將當前壓力傳遞給ECU,ECU會切斷壓縮機工作電源,保護壓縮機。
        (2)系統壓力過高時保護空調管路
        當出現膨脹閥堵塞或冷凝器風扇無風原因造成系統冷媒壓力上升時(一般冷媒大于2.6MPa時),傳感器將當前壓力傳遞給ECU,ECU會切斷壓縮機工作電源,以免造成空調管路爆裂。當然,在這里每個空調控制器廠家的策略可能會略有不同,并不是一次觸發就發立即切斷壓縮機,有的是連續幾次或持續一段時間。
        (3)改變冷凝器電子風扇轉速
        通過傳感器監控冷媒由氣態轉化為液態后的系統壓力值,當系統壓力值過高時(一般達到1.5MPa時),傳感器將當前壓力傳遞給ECU,ECU調高電子風扇轉速,增大冷凝器散熱效果,將系統壓力值穩定在合理范圍內,達到最佳制冷效果。
        (4)怠速提升
        其作用是當小排量發動機在怠速狀態時,若駕駛艙需要較大的空調制冷量時,發動機控制單元會提高發動怠速,如將怠速由800rpm提升到900rpm。
        
        
              圖3空調系統原理圖
       
        
        3、空調壓力傳感器的工作原理
        那么電容式空調壓力傳感器是如何將冷媒壓力型號轉換為標準電信號的呢?
        產品原理:如圖5所示,冷媒壓力作用在陶瓷感壓膜片上,使膜片產生微小的形變,同時感壓膜片上印刷的電容極板隨之形變,產生一個與壓力成數學關系的電容信號,該信號通過后端處理電路采集、補償、放大、濾波、計算、LIN轉換等形成標準的空調ECU可識別的電信號。
        
        圖5空調壓力傳感器原理圖
        3.1、冷媒機械壓力轉換為電容信號:
        
        當冷媒壓力作用于空調壓力傳感器前端的陶瓷電容時,陶瓷電容的膜片受壓產生彈性形變,陶瓷膜片上印刷有電容的電極,根據電容的計算公式,當電容極板形變時,其電容的極板間距d發生了變化,其容值也隨之變化,其容值隨壓力的變化如下圖所示
        
        3.2、冷媒的機械壓力已經被轉化為電容的容值,電容容值并不是空調控制器識別的信號,所以后續需要的電容信號進行調理處理,如圖所以,陶瓷電容①產生的容值,首先有C/V(電容轉換為電壓的專用電路)轉換電路轉化為原始的電壓信號,原始的電壓信號經過ADC(模數轉換器)轉換為原始的數字信號,原始數字信號經過濾波器后被發送的內置校準MCU中,內置MCU對原始的數字信號進行零點漂移校準、壓力矯正,溫度漂移校準,非線性校準等一些列校準補償,之后校準后的信號(CAL_DATA)被發送至數模轉化器被轉換成模擬信號輸出,或者被發送至LIN 收發器被轉換為標準的LIN信號輸出等等。
        
        結束語:
        至此,空調壓力傳感器的基本原理以及在系統中的直接以及間接作用已完成描述,汽車空調系統隨著新能源與自動化的推進,其功能也越來越復雜,這也要求空調壓力傳感器的功能日趨復雜,在隨后的研究中,帶有溫度功能的空調溫度壓力傳感器以及高壓的R744冷媒空調壓力傳感器功能以及其在系統中的應用將成為各大汽車零部件供應商得研究的方向。

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