一種電動(dòng)汽車空調(diào)系統(tǒng)PTC加熱器控制器設(shè)計(jì)

0   引言

發(fā)展電動(dòng)汽車是國家應(yīng)對(duì)國際環(huán)境和能源危機(jī)的重要決策，我國大力發(fā)展電動(dòng)汽車并取得顯著技術(shù)成果，歐美各國從國家高度到企業(yè)層面，也已迅速調(diào)整發(fā)展戰(zhàn)略，將汽車電動(dòng)化作為未來的發(fā)展方向。

傳統(tǒng)燃油車空調(diào)系統(tǒng)利用發(fā)動(dòng)機(jī)熱量制熱，電動(dòng)汽車電驅(qū)系統(tǒng)效率可以高達(dá)90% 以上，損耗產(chǎn)生的熱量遠(yuǎn)不足以供給空調(diào)系統(tǒng)制熱，所以電動(dòng)汽車空調(diào)系統(tǒng)制熱使用PTC（正溫度系數(shù)）加熱器產(chǎn)生熱量。目前比較普遍的方案是使用繼電器控制PTC 加熱器電源通斷，通過風(fēng)門開度控制冷熱風(fēng)的風(fēng)量來控制溫度，此類方案能源浪費(fèi)較大。

采用PWM（脈寬調(diào)制）方式控制功率開關(guān)器件通斷PTC 加熱器電源，實(shí)現(xiàn)PTC 加熱器輸出功率的線性控制。本設(shè)計(jì)中PTC 加熱器峰值功率5.2 kW，輸入電壓范圍260~410 V?？紤]開關(guān)器件的散熱需求，將功率電路均分為兩路2.6 kW?？紤]設(shè)計(jì)裕量，單路最大電流按10 A 設(shè)計(jì)，同時(shí)也有助于減小開關(guān)器件開通瞬間的峰值電流。

1   硬件設(shè)計(jì)

1.1 硬件框圖

總體硬件方案原理框圖如圖1 所示。控制電路、驅(qū)動(dòng)和信號(hào)采樣處理電路在高壓側(cè)，輔助電源、下電保持控制和CAN 通訊電路都為隔離電路，高低壓電路之間滿足AC 2 000 V rms 耐壓1 min 絕緣要求。

圖1 硬件框圖

1.2 輸入和下電保持電路

如圖2 所示，KL30 為低壓蓄電池12 V 常電，Z1吸收瞬態(tài)浪涌，D1 和D6 為防反接二極管，L1、C3 和C4 組成EMC 濾波器。整車上電后KL15 為高電平，Q3和Q1 導(dǎo)通，控制器被喚醒工作。整車下電后KL15 為低電平，為保證控制器進(jìn)行故障診斷處理，控制電路保持KL15-KEEP 信號(hào)為高電平，高低壓之間通過隔離光耦進(jìn)行信號(hào)傳輸，Q1 仍然導(dǎo)通，程序處理完成KL15-KEEP 信號(hào)為低電平，Q1 截止，控制器輸入電源斷開進(jìn)入休眠，靜態(tài)電流為微安級(jí)別。

圖2 輸入和下電保持電路

1.3 輔助電源

輔助電源采用反激拓?fù)洌?選用汽車級(jí)芯片LM3478Q-Q1。輸入電壓范圍6~16 V，主路輸出電壓為5 V，為控制電路供電。輔路輸出為15 V，為功率開關(guān)器件提供柵極驅(qū)動(dòng)電源。變壓器磁芯選擇EE13，繞制參數(shù)如表1 所示。

表1 反激變壓器繞制參數(shù)

1.4 控制電路和CAN通訊電路

控制芯片符合AEC-Q100 標(biāo)準(zhǔn)，內(nèi)置兩個(gè)具備邊沿對(duì)齊功能的專用PWM 信號(hào)輸出模塊，輸出的PWM信號(hào)作為驅(qū)動(dòng)電路的輸入。包括6 路A/D 采樣，兩路PTC 散熱器電流采樣，一路高壓電壓采樣，三路溫度采樣。CAN 通訊電路選用TI 公司的隔離型CAN 芯片ISO1050。

1.5 驅(qū)動(dòng)和功率電路

PWM 信號(hào)頻率低，功率控制精度會(huì)較低，高頻率可以提高功率控制精度，但是同時(shí)也會(huì)增加功率器件的開關(guān)損耗。PTC 加熱器本身的寄生電容導(dǎo)致開關(guān)管開通瞬間會(huì)有很大的沖擊電流。除了通過調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)電路控制開關(guān)速度外，兩路開關(guān)管不同時(shí)開通，可以減小開通瞬態(tài)電流。

驅(qū)動(dòng)芯片選用UCC27524A1-Q1，具有兩個(gè)獨(dú)立的柵極驅(qū)動(dòng)通道，ENA 和ENB 管腳拉低可以立即關(guān)斷驅(qū)動(dòng)輸出，進(jìn)行電路保護(hù)（如圖3）。

圖3 驅(qū)動(dòng)和功率電路

1.6 信號(hào)處理

高壓通過分壓電路和運(yùn)放跟隨電路處理后送至單片機(jī)A/D 管腳。電壓低于260 V 或者高于410 V，且持續(xù)1 s 則關(guān)閉驅(qū)動(dòng)信號(hào)，電壓恢復(fù)到正常范圍內(nèi)則繼續(xù)工作。電流采樣電阻電壓信號(hào)經(jīng)放大電路到單片機(jī)的A/D管腳。

硬件過流保護(hù)電路如圖4 所示。正常工作時(shí)，V_IS1＜ V_ref，比較器輸出高電平。出現(xiàn)過流時(shí)V_IS1 ＞ V_ref，比較器輸出變低電平，驅(qū)動(dòng)芯片的ENA 和ENB 管腳被拉低，停止輸出驅(qū)動(dòng)電壓。同時(shí)控制芯片檢測到低電平，停止輸出PWM 信號(hào)并上報(bào)故障。

圖4 硬件過流保護(hù)電路

2   控制策略

控制策略如圖5 所示。控制器喚醒自檢后進(jìn)入待機(jī)模式，接收到空調(diào)加熱指令首先進(jìn)行故障判斷，如果檢測到故障則進(jìn)行保護(hù)，同時(shí)上傳故障狀態(tài)并儲(chǔ)存故障碼。

如果無故障則根據(jù)駕駛室溫度動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)PWM 信號(hào)占空比，開始階段占空比采用逐步變大的軟啟動(dòng)方案，最終保持車內(nèi)溫度恒定。

圖5 控制策略流程圖

3   測試波形和實(shí)物

PTC 加熱器電流和功率器件Vce 電壓如圖6 所示，上電瞬間沖擊電流持續(xù)約10 μs。

圖6 開關(guān)管電壓和沖擊電流

4   整車驗(yàn)證

控制器搭載整車分別在環(huán)境溫度0、-10、-15和-20 ℃下進(jìn)行測試，空調(diào)制熱溫度設(shè)定32.5 ℃，自動(dòng)制熱策略為先開啟5 min 大功率制熱，之后降低功率保溫。車速80 km/h，測試數(shù)據(jù)如表2。

表2 控制器整車搭載測試數(shù)據(jù)

圖7 控制器實(shí)物

5   結(jié)論

PTC 加熱器控制器可以實(shí)現(xiàn)整車空調(diào)系統(tǒng)制熱功率的精確控制，在達(dá)到同等制熱效果的條件下降低制熱功耗，進(jìn)而增加續(xù)航里程。同時(shí)可以將PTC 加熱器工作狀態(tài)上傳至整車通訊網(wǎng)絡(luò)并提供各種保護(hù)。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡介：王曉輝，男，工程師，主要研究方向?yàn)樾履茉雌囓囕d電源。

注：本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志社2021年3月期