电动客车空调节流控制方法、装置及空调系统与流程

本发明涉及空调技术领域，特别是涉及一种电动客车空调节流控制方法、装置及空调系统。

背景技术：

在客车空调系统中，节流机构是关键的部件系统，对制冷系统的性能起重要作用。目前主要使用的是热力膨胀阀、电子膨胀阀两种节流方法。

而对于电动客车空调的压缩机变频系统，为达到更高的能效，要求空调的节流机构有较大的流量调节范围。而且在空调系统启动时应保证快速制冷、制热，根据压缩机的工作状态，需要节流机构快速响应并达到预设膨胀阀开度。在空调系统关闭时，需要膨胀阀快速关闭节流口避免制冷剂回流。

传统的热力膨胀阀调节范围有限、精度差，对过热度响应时间长，延迟较明显，导致膨胀阀交替开大的关小产生震荡，对系统的经济和安全性不利。普通的热力膨胀阀而且不适用于智能控制系统，配置上不能响应。

现一般使用的电子膨胀阀，有着流量调节范围宽、响应速度快、较高控制精度的特点，但客车空调因其制冷系统具有强烈的非线性、滞后性以及工况时变性等特殊特性，系统的各参数之间存在强烈的耦合关系，并由于电子膨胀阀的流量特性、阀体的步进电机传动结构、制造工艺和控制系统的响应等问题，电子膨胀阀作为节流机构，智能控制系统跟随的硬件配置方面仍有限制，在能效及安全稳定性等方面存在缺陷和不足。

技术实现要素：

(一)要解决的技术问题

本发明的目的是提供一种电动客车空调节流控制方法、装置及空调系统，用于解决或部分解决现有客车空调的节流机构不便于智能控制，在能效及安全稳定性等方面存在不足的问题。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明第一方面，提供一种电动客车空调节流控制方法，采用电硅膨胀阀作为节流机构，该节流控制方法包括：采集空调系统的温度和压力；根据空调系统的实时温度和实时压力，获得空调系统的实时过热度；根据实时过热度，获得空调系统相适应的制冷剂流量；根据相适应的制冷剂流量对电硅膨胀阀的开度进行控制调节。

在上述方案的基础上，采集空调系统的温度具体包括：采集车厢环境温度、空调系统的蒸发器出口温度、蒸发器盘管温度以及冷凝器盘管温度。

在上述方案的基础上，对于每个温度采集点温度数据的采集过程为：连续通过防脉滤干扰平均滤波计算方法获得数据，用线性插值法采集到相应的温度数据。

在上述方案的基础上，采集空调系统的压力具体包括：采集电硅膨胀阀进口处的高压端压力以及出口处的低压端压力。

在上述方案的基础上，对于每个压力采集点压力数据的采集过程为：根据模拟量采集精度及时间要求，选择采样的次数；采用防脉冲干扰平均滤波法，采集多次数据进行排序，除去最大值和最小值计算剩余数据平均值作为压力数据。

在上述方案的基础上，所述节流控制方法还包括：预先通过实验获得空调系统的过热度与制冷剂流量和电硅膨胀阀开度的相互对应关系。

在上述方案的基础上，所述节流控制方法还包括：预先通过调节电硅膨胀阀开度多次采样试验和最小稳定过热度控制计算方法，获得空调系统最小稳定过热度基数；根据最小稳定过热度基数以及蒸发器热负荷，获得所需最小过热度；根据所需最小过热度对电硅膨胀阀的开度进行控制调节。

在上述方案的基础上，所述节流控制方法还包括：空调系统开启时，根据压缩机运行频率对电硅膨胀阀的开度进行控制调节；空调系统关闭时，电硅膨胀阀关闭；空调系统处于自动恒温运行状态时，根据实时过热度对电硅膨胀阀的开度进行控制调节；空调系统中的压缩机和/或风机的运行工况发生变动时，根据实时过热度对电硅膨胀阀的开度进行控制调节；空调系统的过热度发生震荡时，降低电硅膨胀阀的动作速度。

本发明第二方面，提供一种电动客车空调节流控制装置，包括：电硅膨胀阀；还包括：采集模块，用于采集空调系统的温度和压力；计算模块，用于根据空调系统的实时温度和实时压力，获得空调系统的实时过热度；分析模块，用于根据实时过热度，获得所需的制冷剂流量；驱动模块，用于根据所需的制冷剂流量对电硅膨胀阀的开度进行控制调节。

本发明第三方面，提供一种电动客车空调系统，包括上述电动客车空调节流控制装置，其中，所述电硅膨胀阀串联设于压缩机和蒸发器之间且固定设于车体回风口上方；所述采集模块、计算模块、分析模块和驱动模块分别与空调系统的主控系统相连，所述主控系统还与通讯模块相连，所述通讯模块用于远程交互。

(三)有益效果

本发明提供的一种电动客车空调节流控制方法、装置及空调系统，设置电硅膨胀阀作为节流机构解决了硬件及系统的耦合问题，控制响应速度更快，精度更高，使用寿命更长，更有利提高空调系统的节能、安全、稳定性；根据空调系统的实时过热度对电硅膨胀阀的开度进行调节，实现了节流机构的智能控制，降低压缩机的平均输出功率，达到节能的效果。

附图说明

图1为本发明实施例的一种电动客车空调节流控制方法的流程示意图；

图2为本发明实施例中微机电硅膨胀阀的控制电路架构示意图；

图3为本发明实施例中节流控制方法的示意图；

图4为本发明实施例中微机电硅膨胀阀的控制原理示意图；

图5为本发明实施例中空调系统的控制示意图；

图6为本发明实施例中主控系统的硬件框架图；

图7为本发明实施例中主控系统主程序设计示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明实施例提供一种电动客车空调节流控制方法，参考图1，采用电硅膨胀阀作为节流机构，该节流控制方法包括：采集空调系统的温度和压力；根据空调系统的实时温度和实时压力，获得空调系统的实时过热度；根据实时过热度，获得空调系统相适应的制冷剂流量；根据相适应的制冷剂流量对电硅膨胀阀的开度进行控制调节。

微机电硅膨胀阀，是将微机械电子技术引入到制冷控制领域的一种全新功能部件，是一种基于mems智能流体控制技术的微电机控制膨胀阀，用3层机构的mems技术芯片组成的导阀控制主阀的开度，通过调节阀门电源的脉冲宽度调制信号(pwm)的占空比来控制阀门的输入功率，硅材料的mems电阻通过发热膨胀，通过带动机械臂杆来放大位移，与下层的孔位产生错位，实现对主阀的精准控制。

硅微执行器作为制冷空调膨胀阀的导阀，运行控制更稳定，节能效果更明显。电硅膨胀阀在变频压缩机系统和空调智能操作系统中首先解决了硬件及系统的耦合问题，控制响应速度更快，精度更高，使用寿命更长。具有高精确度输出的微机电硅膨胀阀的空调节流机构和控制系统，更有利提高空调系统的节能、安全、稳定性。

该节流控制方法基于空调系统温度压力监控软件对空调系统过热度的运行计算，通过空调系统温度、压力传感器的监测数据反馈，能够根据微机芯片存储的预先设定的针对空调系统实时过热度负荷所需要的制冷剂流量及微机电硅膨胀阀的驱动控制程序，对微机电硅膨胀阀的开启度进行驱动控制与调节。从而实现节流机构的智能控制，降低压缩机的平均输出功率，达到节能的效果。

进一步地，硅膨胀阀可以0.5个脉宽调制跨步，主阀开启从20％至80％连续线性变化。硅膨胀阀主要包括硅微执行器导阀和主阀两部分。硅微执行器导阀由24v或12v脉宽调节(pwm)电信号驱动，通过调节占空比控制阀门的输入功率，方波信号调节脉冲宽度控制主阀门的开启。

导阀内的微电热执行器通电后产生微粒移并得到放大，位移量与(pwm)电信号的占空比成正比。占空比增大，导阀位移增大，常闭孔的开度变大，常开孔的开度变小，导阀传递给主阀阀心的控制压力变大，主阀阀芯向下移动，主阀的开度变大和流量增大，直到上方的控制压力与下方压力(反馈压力+弹簧力)平衡时为止。反之，占空比减小，导阀位移减小，常闭孔的开度变小，常开孔的开度变大，导阀传递给主阀阀心的控制压力变小，主阀阀芯向上移动，主阀的开度变大和流量减小，直到上方的控制压力与下方压力(反馈压力+弹簧力)平衡时为止。

主阀跟随导阀的线性移动，主阀的开度也随着导阀的位置变化，从而实现制冷剂流量的自动调节，不受反馈压力波动的影响。在未通电情况下，导阀的常闭也闭合，常开孔打开，在反馈压力作用下运动的流体通过控制孔进入导阀之后经开孔流出。在任何时候，当反馈压力与驱动压力不一致时，主阀就会移动，打开或关小主阀开度，直至反馈压力与驱动压力平衡。

在上述实施例的基础上，进一步地，参考图2，采集空调系统的温度具体包括：采集车厢环境温度、空调系统的蒸发器出口温度、蒸发器盘管温度以及冷凝器盘管温度。

在上述实施例的基础上，进一步地，对于每个温度采集点温度数据的采集过程为：连续通过防脉滤干扰平均滤波计算方法获得数据，用线性插值法采集到相应的温度数据。

温度数据采集过程相对复杂，为提高精度，连续通过防脉滤干扰平均滤波计算方法获得数据，用线性插值法采集到相应的温度值。

在上述实施例的基础上，进一步地，采集空调系统的压力具体包括：采集电硅膨胀阀进口处的高压端压力以及出口处的低压端压力。

在上述实施例的基础上，进一步地，对于每个压力采集点压力数据的采集过程为：根据模拟量采集精度及时间要求，选择采样的次数；采用防脉冲干扰平均滤波法，采集多次数据进行排序，除去最大值和最小值计算剩余数据平均值作为压力数据。

温度压力数据采集，根据模拟量采集精度及时间要求，选择采样的次数以及选择合适的软件滤波处理。压力数据采集采用防脉冲干扰平均滤波法，采集多次数据进行排序，除去最大和最小值计算剩余数据平均值。

空调制冷系统控制程序，根据采样得到的蒸发器出口温度，高低压系统压力值，使用模糊计算法得到空调系统的实际过热度值。其控制算法，根据系统设置目标温度与实际过热度的偏差以及偏差变化率，计算硅阀的开启度变量，从而实现空调系统ecu的反馈控制。

在上述实施例的基础上，进一步地，节流控制方法还包括：预先通过实验获得空调系统的过热度与制冷剂流量和电硅膨胀阀开度的相互对应关系。根据该对应关系在获得实时过热度的基础上对电硅膨胀阀的开度进行调节。

在上述实施例的基础上，进一步地，参考图3，节流控制方法还包括：预先通过调节电硅膨胀阀开度多次采样试验和最小稳定过热度控制计算方法，获得空调系统最小稳定过热度基数；根据最小稳定过热度基数以及蒸发器热负荷，获得所需最小过热度；根据所需最小过热度对电硅膨胀阀的开度进行控制调节。

电动客车空调微机电硅膨胀阀节流控制系统，基于空调系统ecu主控系统节流控制模块的运行过热度计算，跟随空调系统运行负荷，监测温度、压力运行数据，通过智能程序对微机电硅膨胀阀开启度驱动和调节。

通过调节硅阀开启度多次采样试验和最小稳定过热度控制计算方法，获得空调系统最小稳定过热度基数，系统可以稳定控制最小过热度随着蒸发器热负荷的变化而变化，自适应地设定过热度，从而提高系统的能效。

在上述实施例的基础上，进一步地，参考图4，节流控制方法还包括：空调系统开启时，根据压缩机运行频率对电硅膨胀阀的开度进行控制调节；空调系统关闭时，电硅膨胀阀关闭；空调系统处于自动恒温运行状态时，根据实时过热度对电硅膨胀阀的开度进行控制调节；空调系统中的压缩机和/或风机的运行工况发生变动时，根据实时过热度对电硅膨胀阀的开度进行控制调节；空调系统的过热度发生震荡时，降低电硅膨胀阀的动作速度。

该节流控制方法的具体过程为：空调系统开启，ecu主控系统根据设定压缩机运行变频控制程序，电硅膨胀阀自动控制驱动输出，随压缩机转速和频率快速响应，在压缩机全速输出时硅阀达到全开状态，满足空调系统快速制冷和制热的要求。空调系统关闭，ecu主控系统快速驱动硅阀关闭，控制制冷剂的回流，对压缩机进行保护。

空调系统进入自动恒温运行状态，ecu主控系统节流控制模块，根据空调运行实际过热度的监测计算，自动调节硅阀开启度，控制空调和压缩机系统向蒸发器的制冷剂供液，降低压缩机的输出功率，从而实现节能的效果。

空调压缩机和风机工况发生剧烈变化，系统监测运行过热度骤增、骤降，节流控制系统快速调节制冷剂流量，快速稳定空调系统的工况，达到预设制冷或制热温度。在空调系统过热度发生震荡时，电硅膨胀阀在执行过热度调节，降低动作速度，对系统进行保护。

在上述实施例的基础上，进一步地，本实施例提供一种电动客车空调节流控制装置，包括：电硅膨胀阀；还包括：采集模块，用于采集空调系统的温度和压力；计算模块，用于根据空调系统的实时温度和实时压力，获得空调系统的实时过热度；分析模块，用于根据实时过热度，获得所需的制冷剂流量；驱动模块，用于根据所需的制冷剂流量对电硅膨胀阀的开度进行控制调节。

采集模块具体包括温度采集模块和压力采集模块。温度采集模块包括设置在车厢内部、蒸发器盘管、蒸发器出口以及冷凝器盘管处的温度传感器。压力采集模块包括设置在电硅膨胀阀进口和出口处的压力传感器。

该节流控制装置还包括电源模块，为电硅膨胀阀提供驱动电源，并将车身电源供空调系统的12vdc或24vdc电压转换为5v控制电压。

在上述实施例的基础上，进一步地，参考图5，本实施例提供一种电动客车空调系统，包括上述实施例所述的电动客车空调节流控制装置，其中，电硅膨胀阀串联设于压缩机和蒸发器之间且固定设于车体回风口上方；采集模块、计算模块、分析模块和驱动模块分别与空调系统的主控系统相连，主控系统还与通讯模块相连，通讯模块用于远程交互。空调ecu主控系统具有通讯功能，具有远程故障诊断分析的功能。

电硅膨胀阀根据固定结构和方向，连接空调高压管和低压管，安装于空调系统蒸发器总成端支架，车顶回风口上方，设计结构便于安装和维修。其连接处经气密性试验，确保无泄漏和结构干扰松动。膨胀阀电源和信号线路通过空调线束与ecu控制总成连接，ecu总成根据空调系统温度压力监测和运行过热度算法模块反馈的数据信号和内置程序对电硅膨胀阀进行驱动控制。

电硅膨胀阀作为空调系统中的节流机构，车厢环境温度舒适性和节能是重要指标。在整个控制过程，不仅要保证车厢内温度迅速平稳地接近设定值，而且应保证各种负荷条件下的输出能效比。要求压缩机的转速、制冷剂流量、蒸发器、冷凝器之间有合理的控制与匹配，电硅膨胀阀的流量控制是协调之间的主要控制路径，在系统中属重要控制环节。

根据电硅膨胀阀控制机理与特性，以及车用空调工况，电硅膨胀阀的控制采用温度和压力控制方法，其随负荷变化影响的控制精度更高。电动客车空调ecu控制系统，增加微机电硅膨胀阀节流控制模块即节流控制装置，通过温度、压力传感器进行系统温度、压力采集，根据系统试验采集获得的最小过热度数据基数，通过系统运行过热度算法计算过热度并反馈数据信号，随动态负荷，控制电硅膨胀阀的驱动。

在上述实施例的基础上，进一步地，参考图6，一种电动客车空调中微机电硅膨胀阀节流控制系统，采用微机电硅膨胀阀应用于客车空调系统，节流控制系统包括微机电硅膨胀阀及其驱动电源与控制，空调系统温度、压力传感器，空调ecu控制总成对微机电硅膨胀阀的驱动和节流控制模块。空调ecu控制总成和其节流控制模块，空调系统能够控制电硅膨胀阀在执行动作前进行全开度确认，能够消除电硅膨胀阀在运行时产生失步的问题，能够保证空调系统运行的稳定性。电硅膨胀阀驱动及控制系统的硬件由车用空调ecu主控模块、电源模块、模拟量采集模块、驱动模块、通讯模块组成。

车用空调ecu主控系统增加电硅膨胀阀驱动的控制模块，作为节流控制系统的控制核心，实现控制系统的智能监测与控制功能。电源模块，空调ecu主控系统为电硅膨胀阀提供驱动电源，并将车身电源供空调系统的12vdc或24vdc电压转换为5v控制电压。

模拟量采集模块，其中包括4路温度采集和2路压力采集，测量监测制冷系统的温度、压力值。压力传感器为：高压端压力传感器、低压端压力传感器；温度传感器为车厢环境温度、蒸发器出口温度、蒸发器盘管温度、冷凝器盘管温度。

温度传感器采用负温度热敏电阻ntc传感器，阻值误差+1％。其标准阻值25℃时为10k,随温度成非线性变化，温度越高，阻值越低。通过热敏电阻和与之串联的精密电阻r32对+5v参与电压进行分压后产生温度信号采集电压，信号电压经过低通滤波后输出到ecu主控系统硅阀控制模块数据采集输入端口。

压力采集部分信号，空调的高压、低压端制冷剂压力，测量范围0-40mpa,精度5％。采用电压型压力传感器，输出0.5v-4.5v电压信号，精度1％。其电压信号通过电容滤波后送入电压跟随器lm358，压力信号经电压跟随器输出到ecu主控系统硅阀控制模块数据采集输入端口。

驱动模块，用以驱动电硅膨胀阀的开启和关闭。驱动电压12v和24v两种规格可用，最大工作电流3a。选择mos场效应三级管irf1404作为硅阀驱动的主要驱动芯片。其导通阻值0.004ω，最大导通电压40v，电流162a，高于硅阀驱动电流。

通讯模块，rs485通信接口，与主控系统通信。rs485总线采用平衡和差分接收器的组合方式，具有较强的共模干扰抑制能力。

参考图7，客车空调的主控系统主程序设计过程为：初始化程序主要完成i/o口的定义，串口模块及定时器模块等寄存器的配置，eeprom的读取和系统变量初值赋值，为全部程序运行做准备。

温度压力数据采集，根据模拟量采集精度及时间要求，选择采样的次数以及选择合适的软件滤波处理。压力数据采集采用防脉冲干扰平均滤波法，采集多次数据进行排序，除去最大和最小值计算剩余数据平均值。

温度数据采集过程相对复杂，为提高精度，连续通过防脉滤干扰平均滤波计算方法获得数据，用线性插值法采集到相应的温度值。

制冷系统控制程序，根据采样得到的蒸发器出口温度，高低压系统压力值，使用模糊计算法得到空调系统的实际过热度值。其控制算法，根据系统设置目标温度与实际过热度的偏差以及偏差变化率，计算硅阀的开启度变量，从而实现空调系统ecu的反馈控制。

串口通讯采用中断方法，将主控系统设置为接收中断，主控系统接到来自监测软件的命令，就会进入串口中断接收程序，然后根据监测软件的指令执行相应的操作。

程序首先对接收到的指令进行校验，不能通过校验，则发出错误代码结束程序，校验通过则根据指令完成参数查询、系统运行状态参数设置及系统检测等工作。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。