CAN总线控制的电动汽车涡旋压缩机教学平台设计

摘要：基于CAN总线的电动汽车涡旋压缩机教学平台设计，可从热泵空调系统和涡旋压缩机工作原理、平台架构、硬件选用、软件设计、教学过程等方面实施，使用USB-CAN接口卡、将PC机作为上位机接入电动汽车涡旋压缩机，利用C#语言调用DLL文件配置接口卡参数，发送CAN报文控制压缩机工作，通过教学平台开展教学，学生可以掌握电动汽车涡旋压缩机的CAN总线控制原理、驱动控制、压力测试的知识和技能，为空调系统课程教学提供真实化、可视化的学习情境，对接电动汽车维修岗位新技术的需求，有利于提高实训教学效果。关键词：CAN总线；涡旋压缩机；电动汽车；教学平台近年来，我国电动汽车产量与销量增长迅猛，消费者对续航里程和充电时间的要求也越来越高。目前我国电动汽车的续航里程比较短、充电时间比较长，这两个痛点在短时间内难以解决。单就续航里程来说，平时还可以长一点，但如果是在气温低于-10℃的冬天，续航里程还会减少30%以上。因为驾驶室的供暖由电池提供能源，需要消耗比较大的电能。以前，驾驶室的供暖采用PTC电辅助加热的方式，近来普遍采用涡旋压缩机的热泵空调系统供给暖气方式。这种方式比PTC加热效率高2—3倍，因此种方式在中高端汽车中已得到了广泛应用，故在未来3至5年将迎来维修高峰期。高职院校是培养综合型技术技能人才的主阵地，课程设置应与行业技术发展紧密对接［1］。电动汽车空调维修技术是新能源汽车维修专业核心课程中的一门技术，其中的CAN（控制器局域网络）总线更是重要的内容。在电动汽车空调系统中，CAN（控制器局域网络）总线负责传输控制信号。空调控制模块（ECM）利用CAN总线控制压缩机、鼓风机、伺服元件等工作［2］。涡旋压缩机是热泵空调系统的核心部件，在电动汽车中被越来越广泛地应用，因此了解和掌握涡旋压缩机的CAN总线通信协议和维修方法非常必要。笔者基于涡旋压缩机维修技术和课程教学，对汽车行业和设置新能源汽车维修专业的职业院校调研，发现两个主要问题。一是维修技术和专业人员缺乏，导致维修周期长、成本高、质量不稳定等问题；另一个是热泵空调维修课程教学还处于探索阶段，实践教学资源相对匮乏，缺乏先进的涡旋压缩机设备和实训条件，教学内容跟不上涡旋压缩机技术的更新换代。而更突出的问题是，各职业院校都没有办法在短时间内更新或购买相应的实训设备、装配。因此有的职业院校开始设计教学平台，以便更好地开展教学与实训工作。笔者在参考相关的资料和教学平台的基础上，从教学实训和维修岗位能力需求出发，探索设计涡旋压缩机教学平台，以便学生能直观地了解车载CAN总线软硬件设计过程以及掌握CAN总线的工作原理、CAN报文的数据解析以及熟悉C#语言开发流程，并通过平台能独立检测涡旋压缩机性能。一、电动汽车涡旋热泵空调系统工作原理涡旋压缩机是热泵空调系统的主要部件［3］，结构如图1所示（见下页）。学生要想学会涡旋压缩机维修技术，要先掌握涡旋压缩机和电动汽车热泵空调系统的工作原理。涡旋压缩机是电动汽车空调系统中的典型压缩机，其工作原理主要是通过两个相互啮合的涡旋形动盘和定盘运动使吸气腔和排气腔的容积发生变化，从而实现吸气、压缩和排气。（一）涡旋压缩机工作原理电动汽车涡旋压缩机由静涡盘和动涡盘组成，两者相互啮合形成多个工作腔。静涡盘被固定在机架上，保持静止不动；动涡盘则由电机驱动，进行特定的旋转运动，被限制在围绕静涡盘的一个很小回转半径内。当电机驱动动涡盘旋转时，气体制冷剂首先被吸入到静涡盘的外围部分。随着动涡盘旋转，将气体带入与静涡盘形成的月牙形压缩腔内。压缩腔的体积逐渐减小，气体被压缩。最后气体从静涡盘中心部件的轴向孔连续排出，供给空调系统。现以四个特定位置0°，90°，180°，270°，讲解压缩机工作过程。如图2所示，当处于0°时，动涡盘和静涡盘之间的月牙形工作容积处于最大状态，吸气口打开，气体被吸入到工作容积中。当处于90°时，随着动涡盘的旋转，吸气过程结束，工作容积开始逐渐减小，气体在静涡盘和动涡盘之间被压缩。当处于180°时，动涡盘和静涡盘之间的月牙形工作容积达到最小，此时气体的压缩达到最大，准备排出气体。当处于270°时，压缩气体开始从排气口排出，同时新的吸气过程准备开始。随着动涡盘继续旋转，被压缩的气体完全排出，同时新的气体被吸入，周而复始，涡旋压缩机完成工作循环。（二）涡旋热泵空调系统工作原理热泵空调系统有制冷、制热和除霜等工作模式，由动力电池驱动涡旋压缩机工作。该系统由压缩装置、热量交换器件、流量控制元件组成，车内蒸发器、车内和车外冷凝器与外界进行热量交换，四通阀、电磁阀、电子膨胀阀控制流量。如图3所示（见下页）。当系统处于制冷和除霜状态时，气态制冷剂受到电动压缩机的动涡盘和静涡盘压缩，变成高温高压状态，其中四通阀控制制冷剂流向，制冷剂从压缩机的高压口输送到车外冷凝器后，转变为中温中压液态；管路上的电子膨胀阀1起节流作用，车内蒸发器内温度和压力迅速降低，变成低温低压的气态，鼓风机吹出的气流经车内蒸发器进行热量交换变成冷空气，给车内降温；此时低温气态制冷剂从车内吸热后变为中温低压的气态制冷剂，流入储液罐，制冷剂经电动压缩机低压口吸入，形成新的循环。当系统处于制热和除霜时，气态制冷剂被压缩后变成高温高压状态，受四通阀控制，输送到车内冷凝器，鼓风机吹出的气流与流入车内冷凝器进行热量交换变成热空气，给车内加热；制冷剂流经电子膨胀阀2蒸发降为温度低于外部环境温度的气体，进入车外冷凝器后从车外空气吸热，经电磁阀、储液罐重新进入电动压缩机进行压缩，开始下一次制热循环。二、涡旋压缩机教学平台架构平台要能将实车空调涡旋压缩机的工作场景转化为教学场景帮助教师开展教学，要求能准确检测涡旋压缩机工作压力和运行状况，模拟测试压缩机维修后的使用性能等。在电动汽车上，涡旋压缩机通常采用动力电池提供高压直流电源，并根据空调开关信号、空调压力和温度等信号，通过CAN总线传输信号给空调控制模块（ECM）。空调控制模块（ECM）根据上述信号对压缩机发送控制指令，驱动涡旋压缩机工作［4］。这个教学平台根据实车控制原理进行设计，它外接可调高压直流稳压电源代替动力电池；以PC机为上位机，由它发送空调控制信息给USB-CAN接口卡，并产生CANH和CANL信号，其中，CANH表示正电压信号，CANL表示负电压信号。控制信号以差分方式传输至网关控制器，网关检查信号的ID（标识符）和目的地，将数据传输到涡旋压缩机驱动控制单元，控制单元解码CAN信号中的数据，并调整涡旋压缩机的运行参数，控制涡旋压缩机工作，通过测试界面观察压缩机的工作压力，判定压缩机的性能。教学平台由PC机、USB-CAN接口卡、涡旋压缩机、直流电源等硬件和PC机安装的CANTest测试软件构成，平台架构如图4所示。三、教学平台设计从教学平台架构分析可知，平台设计主要有硬件和软件两部分。（一）硬件选用1.USB-CAN接口卡。用于连接PC机与CAN-bus网关控制盒，性能如表1所示。2.涡旋压缩机。平台可以测试目前主流电动汽车的涡旋压缩机，如电装、三电、比亚迪、汉拿等。以小鹏汽车的汉拿HES333为例，低压电源为12V，高压电源为340—360V。3.高压工作电源。采用开关直流稳压电源，输入为交流220V，频率50Hz，输出在0—400V，0—5A范围变化，稳压电源满足涡旋压缩机在不同的工作条件和负载下对测试功率和电压的稳定性要求，减少电压波动和噪声干扰，确保涡旋压缩泵稳定运行。开关直流稳压电源通常配备多种保护功能，如过流保护、过压保护和过热保护等，使之在异常情况下能及时切断电源，保护涡旋压缩泵工作安全。4.低压工作电源。输入为交流220V，频率50Hz，输出直流电压和电流调节范围在0—15V，0—20A；具有较高的转换效率，能有效降低能源损耗；有过压、过流、短路等安全保护功能，确保在异常情况下能自动切断电源，保护设备和人员安全。（二）软件界面程序设计CANTest测试软件要具备监测、调试和分析的功能，以下详述设计过程。打开PC机，双击CANTest测试软件→选择设备对话框中的USBCAN2→打开设备索引号和CAN通道→选择波特率500kb/s（根据车型不同进行匹配勾选）→选择“工作模式”为正常→点击“确定”按钮→点击“滤波设置”按钮进行滤波设置→点击“启动”按钮，启动CAN通道→选择“设备操作”菜单中的“设备信息”选项，获得当前设备的详细信息。此时，涡旋压缩机接通高压和低压工作电源，在“基本操作”模式下，涡旋压缩机与PC机建立通信。软件具备的详细功能如下：1.报文的接收与发送。通过软件与CAN总线上的设备进行通信。2.查看与分析报文。在软件界面中，可以实时监测及查看报文的收发，其中包括序号、收发时间与方向、帧ID地址、帧类型、帧格式、数据长度和数据等信息。3.记录与回放功能。将所有收发的报文保存在缓冲区中，根据需要手动或自动保存记录的文件，并支持对保存的文件进行回放，以便后续分析和调试。4.滤波与波特率设置。软件内嵌了滤波计算器和波特率计算器，可进行滤波参数和自定义波特率的设置。5.多设备支持。CANTest软件支持同时打开多个CAN卡设备，并为每个CAN通道提供单独的窗口。用户可以根据需要调整多窗口的显示方式，以便更好地管理和监控多个设备。6.任务配置与高级发送。建立符合使用要求的发送任务，支持任务列表的建立、发送、修改、导入和导出。四、涡旋压缩机性能测试教学过程以涡旋压缩机性能测试为典型教学任务，需要进行接口卡初始化、发送与接收CAN数据、压力测试和运行检测三个子流程。（一）接口卡初始化USB-CAN接口卡需要完成以下三个步骤后进行收发数据，第一是接通设备，第二是初始化设备，第三是启动设备。1.接通设备。开启PC机，打开接口卡时使用DLL库中的函数VCI-OpenDevice，函数式为：DWORD-stdcallVCI-OpenDevice（DWORDDevTypeDWORDDevIndex，DWORDReserved）式中DevType，DevIndex，Reserved分别表示为设备类型号、设备索引、保留参数。2.初始化设备。初始化USB-CAN接口卡，需要配置其5个参数，如表2，初始化函数式为：DWORD-stdcallVCI-InitCAN（DWORDDevType，DWORDDevIndex，DWORDCANIndex，PVCI-INIT-CONFIGpInitConfig）3.启动设备。经对USB-CAN卡初始化后进入工作状态，选用CAN通道可以收发CAN数据，启动函数VCI-StartCAN式为：DWORD-stdcallVCI-StartCAN（DWORDDevType，DWORDDevIndex，DWORDCANIndex）（二）发送与接收CAN数据1.发送CAN数据。在C#语言中使用ECAN动态链接库（DLL）来发送CAN数据，通常要完成以下步骤：调用DLL中的导出函数，创建CAN信息，发送信息到CAN网络。具体操作如下。第一步，使用PC机已安装的CAN分析软件，连接CAN分析仪在实车上截取电动汽车涡旋压缩机驱动报文；在CAN分析软件中，根据CAN总线协议，借助ID筛选涡旋压缩机驱动报文并进行分析；将截取的报文数据导出为Excel或其他格式的文件，储存于动态链接库中。第二步，在C#语言中使用ECAN动态链接库，调用DLL中的导出函数，创建CAN信息，发送到CAN网络。发送CAN数据，ECAN库提供VCI-Transmit函数式如下：ULONG-stdcallVCI-Transmit（DWORDDevType，DWORDDevIndex，DWORDCANIndex，PVCI-CAN-OBJpSend，UL-ONGLen）在“高级操作”模式下，设置要发送CAN帧的各项参数。在PC机输入至少五条报文，点击“发送”按钮。向USB-CAN接口卡发送报文可以离线驱动涡旋压缩机工作（如表3，见下页），具体操作可以参考“基本操作”模式。因每条报文间隔时间以ms级为单位，时间极短，为了保证涡旋压缩机满足测试时间要求，发送次数选择40000次以上，PC机可以监测涡旋压缩机工作。2.接收CAN数据。ECAN库提供VCI-Receive函数式为：ULONG-stdcallVCI-Receive（DWORDDevType，DWORDDevIndex，DWORDCANIndex，PVCI-CAN-OBJpReceive，ULONGLen，INTWaitTime＝-1）涡旋压缩机接收报文后，开始工作，同时与PC机建立通信，产生反馈信号并发回到PC机上，其中有两条接收报文。3.帧格式含义。从以上发送的报文看，需要理解帧格式含义。CAN标准帧结构包含信息和数据，总共11个字节（如表4，见下页）。前3个字节表达信息，数据为后8个字节，是帧的核心部分。从表4可以明确CAN标准帧的11个字节涵盖了帧的类型、格式、数据长度以及实际的数据内容等信息。（1）字节1（帧信息）。帧格式用第7位（FF）代表，当FF=0时，表明是标准帧。帧的类型用第6位（RTR）代表，当RTR为0和1时，分别表示数据帧、远程帧，数据帧实际的数据长度用DLC表示。（2）字节2至3（报文识别码）。这两个字节组成了报文识别码，共11位。用于标识发送和接收信息的节点，确保信息能够正确地传输到目标节点。（3）字节4至11（数据部分）。字节包含数据帧的实际数据。对远程帧，这部分是无效的。（三）压缩机压力测试和运行检测1.运行前工作。（1）准备工作。先加注50毫升压缩机润滑油，在高压侧接上压力测试接口，连接压缩机低压和高压线束，检查压缩机固定情况。（2）通信连接。选择CAN驱动，如小鹏汽车波特率选择500kb/s，当PC机屏幕显示接收报文，建立发送与反馈通信，说明压缩机内