如何優(yōu)化汽車HVAC設(shè)計(jì),以在持續(xù)增長的混合動(dòng)力汽車和電動(dòng)汽車市場保持優(yōu)勢

隨著混合動(dòng)力汽車 (HEV) 和電動(dòng)汽車 (EV) 的數(shù)量在全球范圍內(nèi)持續(xù)增長，汽車研發(fā)人員也在不斷創(chuàng)新以保持優(yōu)勢。混合動(dòng)力汽車/電動(dòng)汽車動(dòng)力總成系統(tǒng)差異化歷來就是重點(diǎn)關(guān)注領(lǐng)域，而現(xiàn)如今，混合動(dòng)力汽車/電動(dòng)汽車熱管理或加熱、通風(fēng)和空調(diào) (HVAC) 系統(tǒng)差異化對(duì)于市場佼佼者而言亦是不容忽視的領(lǐng)域。熱管理系統(tǒng)消耗的功率在混合動(dòng)力汽車/電動(dòng)汽車中排名第二（僅次于動(dòng)力總成系統(tǒng)），會(huì)直接影響續(xù)航里程。

數(shù)十年來，內(nèi)燃機(jī) (ICE) 一直在為汽車及其 HVAC 系統(tǒng)提供動(dòng)力。在混合動(dòng)力汽車/電動(dòng)汽車中，由于尺寸限制或不使用內(nèi)燃機(jī)，需要額外引入兩個(gè)元件，這些元件在 HVAC 系統(tǒng)中起著關(guān)鍵作用：

●   無刷直流 (BLDC) 電機(jī)是代替發(fā)動(dòng)機(jī)使空調(diào)壓縮機(jī)旋轉(zhuǎn)的直流電機(jī)。

●   正溫度系數(shù) (PTC) 加熱器或熱泵代替發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)冷卻液進(jìn)行加熱。在使用熱泵的情況下，電池?zé)峁芾韺崃繌碾姵貍髦淋噧?nèi)。集成熱泵可以減輕重量、延長續(xù)航時(shí)間并降低成本。

請(qǐng)參見圖 1。

圖1 混合動(dòng)力汽車和電動(dòng)汽車中的加熱和冷卻系統(tǒng)

在本篇文章中，我們將概述與這些電子 HVAC 應(yīng)用相關(guān)的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，探討如何從實(shí)時(shí)控制性能、可擴(kuò)展性和成本三方面著手應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)。

可靠的實(shí)時(shí)控制性能

高啟動(dòng)扭矩、高效率、低可聞噪聲和低電磁干擾 (EMI) 是優(yōu)秀電動(dòng)壓縮機(jī)系統(tǒng)的主要特征。

讓我們了解一下影響 HVAC 性能的重要因素，以及這些因素為何重要：

●   高啟動(dòng)扭矩：電動(dòng)壓縮機(jī)等高慣性系統(tǒng)需要高啟動(dòng)扭矩，以便壓縮機(jī)電機(jī)盡快達(dá)到優(yōu)選運(yùn)行速度，從而提升 HVAC 系統(tǒng)的最終用戶體驗(yàn)。

●   高效率：除混合動(dòng)力汽車/電動(dòng)汽車動(dòng)力總成系統(tǒng)外，電動(dòng)壓縮機(jī)系統(tǒng)在電動(dòng)汽車/混合動(dòng)力汽車中消耗的功率最高，大約 5kW 左右。因此，通過提高效率實(shí)現(xiàn)功率節(jié)省以便延長續(xù)航里程，這是混合動(dòng)力汽車/電動(dòng)汽車開發(fā)人員和消費(fèi)者頗為關(guān)心的問題。

●   低可聞噪聲和低 EMI：在 ICE 汽車中，相較于發(fā)動(dòng)機(jī)的噪聲，HVAC 系統(tǒng)的噪聲可以忽略不計(jì)。但是電動(dòng)汽車和混合動(dòng)力汽車容易受可聞噪聲影響，這在無發(fā)動(dòng)機(jī)的靜音汽車中顯得尤為突出?；旌蟿?dòng)力汽車和電動(dòng)汽車也易受來自電動(dòng)壓縮機(jī)所需的 BLDC 電機(jī)和電子設(shè)備的 EMI 影響?；旌蟿?dòng)力汽車和電動(dòng)汽車中的電動(dòng)壓縮機(jī)元件不應(yīng)引入會(huì)影響現(xiàn)有系統(tǒng)或消費(fèi)者駕駛體驗(yàn)的噪聲。

●   盡管電動(dòng)壓縮機(jī)產(chǎn)品質(zhì)量直接受系統(tǒng)實(shí)時(shí)控制性能影響，但傳統(tǒng) PTC 加熱器完全可在無電動(dòng)壓縮機(jī)的情況下工作，設(shè)計(jì)人員主要依靠成本來使這些產(chǎn)品脫穎而出。PTC 加熱器通過測量和控制流經(jīng)系統(tǒng)的電流（使用單個(gè)電阻器）來控制車內(nèi)溫度。

●   考慮到要在單個(gè)系統(tǒng)上集成多個(gè)電機(jī)，熱泵需要依賴強(qiáng)大的實(shí)時(shí)控制性能。系統(tǒng)和微控制器 (MCU) 架構(gòu)在實(shí)現(xiàn)高效且具有成本效益的集成熱泵系統(tǒng)控制方面發(fā)揮著重要作用。

圖 2 中的框圖顯示了 TI C2000? 實(shí)時(shí) MCU 的架構(gòu)和外設(shè)如何通過多電機(jī)控制啟用熱泵系統(tǒng)。

圖2 由 C2000 實(shí)時(shí) MCU 控制的熱泵系統(tǒng)

可擴(kuò)展性

鑒于全球汽車原始設(shè)備制造商存在的不斷發(fā)展的趨勢和不同的需求，當(dāng)下迫切需要利用兼容平臺(tái)來擴(kuò)大不同應(yīng)用需求的能力?；谄脚_(tái)的汽車 HVAC 壓縮機(jī)、PTC 加熱器和熱泵設(shè)計(jì)方法有助于顯著縮短開發(fā)時(shí)間并降低開發(fā)成本。特別是對(duì)于 MCU，封裝類型、引腳數(shù)、閃存、溫度、功能安全性（汽車安全完整性等級(jí) B）、網(wǎng)絡(luò)安全、通信接口和成本方面的廣泛選擇對(duì)于幫助汽車 HVAC 設(shè)計(jì)人員開發(fā)可擴(kuò)展平臺(tái)至關(guān)重要。

成本

系統(tǒng)物料清單、開發(fā)資源和上市時(shí)間對(duì)于汽車 HVAC 開發(fā)商來講都是重要成本。具有成本效益的元件（包括 MCU）、利用可擴(kuò)展平臺(tái)的能力和參考設(shè)計(jì)可幫助解決這些問題。

TI 高壓電動(dòng)汽車/混合動(dòng)力汽車電動(dòng)壓縮機(jī)電機(jī)控制參考設(shè)計(jì)是一種高壓 5kW 參考設(shè)計(jì)，專為由 C2000 TMS320F2800157-Q1 實(shí)時(shí) MCU 控制的電動(dòng)汽車/混合動(dòng)力汽車電動(dòng)壓縮機(jī)應(yīng)用而構(gòu)建。該參考設(shè)計(jì)展示了針對(duì)性能、可擴(kuò)展性和成本三方面的一些混合動(dòng)力汽車/電動(dòng)汽車電動(dòng)壓縮機(jī)設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)的解決方案。

結(jié)語

混合動(dòng)力汽車和電動(dòng)汽車未來幾十年將越來越普及，HVAC 控制的電子解決方案亦是如此。這些汽車中的汽車 HVAC 子系統(tǒng)所需的元件會(huì)帶來設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，例如可靠的實(shí)時(shí)控制、可擴(kuò)展性和成本。在 C2000 實(shí)時(shí) MCU 和參考解決方案的幫助下，您可以從 ICE 順利過渡到混合動(dòng)力汽車和電動(dòng)汽車 HVAC 系統(tǒng)。