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燃油车高压管道电容式R134a冷媒空调管道压力传感器在系统中的应用

发表时间：2020/1/8 来源：《科技新时代》2019年11期作者：万庆江、程钦、曾奇、王文奎

[导读] 在汽车制造业飞速发展的今天，汽车中已经安装了越来越多的自动控制系统增加汽车的安全性和舒适性。安全性和舒适性作为当今汽车界讨论得最多的话题，非常值得深入研究。

万庆江、程钦、曾奇、王文奎
        曲阜天博汽车零部件制造有限公司山东曲阜273100

        摘要：在汽车制造业飞速发展的今天，汽车中已经安装了越来越多的自动控制系统增加汽车的安全性和舒适性。安全性和舒适性作为当今汽车界讨论得最多的话题，非常值得深入研究。
        关键词: 高压管道   传感器系统
        空调管道的高压传感器（冷媒R134a/R1234yf），以下简称空调压力传感器/压力传感器，根据其在整个空调系统中的安装位置不同可分为低压传感器和高压传感器（如图1），主要功能为采集当前冷媒的机械压力，并以电信号的形式发送至空调控制器，空调控制器根据接收到的信号来控制压缩机的开闭、压缩机的功率以及冷却风扇的转速。极端工况下，当压力传感器检测到空调管道中的压力过高或者过低时，空调控制器会做出判断及时切断压缩机保护整个空调系统。
        今天我们要研究的就是空调管道的高压传感器（冷媒R134a/R1234yf）。对于PHEV混合动力的空调系统中使用的高压/温度传感器和热泵空调系统（冷媒R744）的压力传感器不在本次研究范围之内。PHEV车辆使用的温度压力传感器机械结构和软件算法以及控制策略都有很大的不同。



        图1空调压力传感器安装位置示意图

        1、燃油车汽车空调系统简介
        实现对车厢内空气进行制冷、加热、换气和空气净化的装置。它可以为乘车人员提供舒适的乘车环境，降低驾驶员的疲劳强度，提高行车安全。
        汽车空调主要功能：
        1.1、温度调节：
        （1）制冷系统：夏22℃～28℃
        （2）制热系统：冬16℃～18℃
        温度低于14℃,人就会感觉到冷,温度越低,越觉得手脚动作僵硬,不能灵活操作机件。温度超过28℃,人就会觉得燥热,温度越高,越觉得头昏脑胀,精神集中不起来,思维迟钝,容易造成交通事故。
        1.2、湿度调节
        （1）夏：50%~60%；
        （2）冬：40%~50%
        在这种湿度环境中,人会觉得心情舒畅,皮肤觉得特别光滑、柔嫩。普通汽车空调一般不具备这种功能，只有高级豪华汽车采用冷暖一体化空调器，才能对车内的湿度进行适当调节。
        1.3、通风系统
        （1）流速；
        （2）方向
        人在流动的空气中比在静止的空气中要舒适,这是因为流动的空气能促进人体内外散热的缘故。空气流速在0.2m/s以下且以低速变动要佳。
        1.4、净化
        过滤空气中的有害杂质进入车内：粉尘花粉、PM2.5等
        车室内空间小,乘员密度大,全封闭空间内，汽车发动机废气中的一氧化碳和道路上的粉尘、野外有毒的花粉都容易进入车室内,造成车室内空气闷浊,严重影响乘员的身体健康。
        2、空调压力传感器的产品功能
        压力传感器根据其应用压力范围分成高压传感器和低压传感器。
        二氧化碳高压传感器用于R744新型冷媒热泵系统中，其空调系统的冷媒压力最大可以达到300bar左右。跟传统的压力传感器相比，有着革命性的颠覆，全铝壳体以及高度密封性等等。
        在R134a/R1234yf传统冷媒系统中，其空调系统的冷媒压力最大只有60bar左右。
        在新型冷媒（R744）面世之前，我们把传统冷媒（R134a/R1234yf）的这类压力传感器俗称为高压传感器。
        以下也简称高压传感器或压力传感器。如图2、3空调系统图所示。
        空调压力传感器的直接作用是检测实时的冷媒压力信号，LIN信号空调压力传感器是当空调控制器发送请求时，对应ID的LIN帧头在总线上广播时，空调压力传感器将冷媒压力以标准LIN格式发送至空调ECU，模拟输出、PWM输出和sent输出的则将压力信号实时传递给空调ECU，除了信号的监控，部分压力传感器还具备诊断功能，当传感器自身发生故障时，发将故障码以特定的形式发送给汽车ECU，当使用OBD等诊断系统进行诊断时，可以提示客户空调压力传感器故障，更换空调压力传感器。除此之外，空调冷媒压力还可以间接实现以下功能：
        （1）系统压力过低时保护压缩机
        当出现冷媒泄漏等原因造成系统冷媒压力下降时（一般冷媒小于0.15MPa时），传感器将当前压力传递给ECU，ECU会切断压缩机工作电源，保护压缩机。
        （2）系统压力过高时保护空调管路
        当出现膨胀阀堵塞或冷凝器风扇无风原因造成系统冷媒压力上升时（一般冷媒大于2.6MPa时），传感器将当前压力传递给ECU，ECU会切断压缩机工作电源，以免造成空调管路爆裂。当然，在这里每个空调控制器厂家的策略可能会略有不同，并不是一次触发就发立即切断压缩机，有的是连续几次或持续一段时间。
        （3）改变冷凝器电子风扇转速
        通过传感器监控冷媒由气态转化为液态后的系统压力值，当系统压力值过高时（一般达到1.5MPa时），传感器将当前压力传递给ECU，ECU调高电子风扇转速，增大冷凝器散热效果，将系统压力值稳定在合理范围内，达到最佳制冷效果。
        （4）怠速提升
        其作用是当小排量发动机在怠速状态时，若驾驶舱需要较大的空调制冷量时，发动机控制单元会提高发动怠速，如将怠速由800rpm提升到900rpm。


              图3空调系统原理图


        3、空调压力传感器的工作原理
        那么电容式空调压力传感器是如何将冷媒压力型号转换为标准电信号的呢？
        产品原理：如图5所示，冷媒压力作用在陶瓷感压膜片上，使膜片产生微小的形变，同时感压膜片上印刷的电容极板随之形变，产生一个与压力成数学关系的电容信号，该信号通过后端处理电路采集、补偿、放大、滤波、计算、LIN转换等形成标准的空调ECU可识别的电信号。

        图5空调压力传感器原理图
        3.1、冷媒机械压力转换为电容信号：

        当冷媒压力作用于空调压力传感器前端的陶瓷电容时，陶瓷电容的膜片受压产生弹性形变，陶瓷膜片上印刷有电容的电极，根据电容的计算公式，当电容极板形变时，其电容的极板间距d发生了变化，其容值也随之变化，其容值随压力的变化如下图所示

        3.2、冷媒的机械压力已经被转化为电容的容值，电容容值并不是空调控制器识别的信号，所以后续需要的电容信号进行调理处理，如图所以，陶瓷电容①产生的容值，首先有C/V（电容转换为电压的专用电路）转换电路转化为原始的电压信号，原始的电压信号经过ADC（模数转换器）转换为原始的数字信号，原始数字信号经过滤波器后被发送的内置校准MCU中，内置MCU对原始的数字信号进行零点漂移校准、压力矫正，温度漂移校准，非线性校准等一些列校准补偿，之后校准后的信号（CAL_DATA）被发送至数模转化器被转换成模拟信号输出，或者被发送至LIN 收发器被转换为标准的LIN信号输出等等。

        结束语：
        至此，空调压力传感器的基本原理以及在系统中的直接以及间接作用已完成描述，汽车空调系统随着新能源与自动化的推进，其功能也越来越复杂，这也要求空调压力传感器的功能日趋复杂，在随后的研究中，带有温度功能的空调温度压力传感器以及高压的R744冷媒空调压力传感器功能以及其在系统中的应用将成为各大汽车零部件供应商得研究的方向。