一種電動汽車空調(diào)系統(tǒng)PTC加熱器控制器設(shè)計
0 引言
發(fā)展電動汽車是國家應(yīng)對國際環(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)動機(jī)熱量制熱,電動汽車電驅(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,實現(xiàn)PTC 加熱器輸出功率的線性控制。本設(shè)計中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)計裕量,單路最大電流按10 A 設(shè)計,同時也有助于減小開關(guān)器件開通瞬間的峰值電流。
1 硬件設(shè)計
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)動和信號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 信號為高電平,高低壓之間通過隔離光耦進(jìn)行信號傳輸,Q1 仍然導(dǎo)通,程序處理完成KL15-KEEP 信號為低電平,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)置兩個具備邊沿對齊功能的專用PWM 信號輸出模塊,輸出的PWM信號作為驅(qū)動電路的輸入。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)動和功率電路
PWM 信號頻率低,功率控制精度會較低,高頻率可以提高功率控制精度,但是同時也會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)管開通瞬間會有很大的沖擊電流。除了通過調(diào)節(jié)驅(qū)動電路控制開關(guān)速度外,兩路開關(guān)管不同時開通,可以減小開通瞬態(tài)電流。
驅(qū)動芯片選用UCC27524A1-Q1,具有兩個獨立的柵極驅(qū)動通道,ENA 和ENB 管腳拉低可以立即關(guān)斷驅(qū)動輸出,進(jìn)行電路保護(hù)(如圖3)。
圖3 驅(qū)動和功率電路
1.6 信號處理
高壓通過分壓電路和運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)動信號,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,VIS1< Vref,比較器輸出高電平。出現(xiàn)過流時VIS1 > Vref,比較器輸出變低電平,驅(qū)動芯片的ENA 和ENB 管腳被拉低,停止輸出驅(qū)動電壓。同時控制芯片檢測到低電平,停止輸出PWM 信號并上報故障。
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??刂破鲉拘炎詸z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),同時上傳故障狀態(tài)并儲存故障碼。
如果無故障則根據(jù)駕駛室溫度動態(tài)調(diào)節(jié)PWM 信號占空比,開始階段占空比采用逐步變大的軟啟動方案,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 控制器實物
5 結(jié)論
PTC 加熱器控制器可以實現(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)。
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作者簡介:王曉輝,男,工程師,主要研究方向為新能源汽車車載電源。
注:本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志社2021年3月期
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