如何優(yōu)化汽車HVAC設(shè)計，以在持續(xù)增長的HEV和EV市場保持優(yōu)勢

隨著混合動力汽車 (HEV) 和電動汽車 (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?；旌蟿恿ζ?電動汽車動力總成系統(tǒng)差異化歷來就是重點關(guān)注領(lǐng)域，而現(xiàn)如今，混合動力汽車/電動汽車熱管理或加熱、通風(fēng)和空調(diào) (HVAC) 系統(tǒng)差異化對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力汽車/電動汽車中排名第二（僅次于動力總成系統(tǒng)），會直接影響續(xù)航里程。

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

●   無刷直流 (BLDC) 電機是代替發(fā)動機使空調(diào)壓縮機旋轉(zhuǎn)的直流電機。

●   正溫度系數(shù) (PTC) 加熱器或熱泵代替發(fā)動機對冷卻液進行加熱。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)航時間并降低成本。

請參見圖 1。

圖 1：混合動力汽車和電動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)計挑戰(zhàn)，探討如何從實時控制性能、可擴展性和成本三方面著手應(yīng)對這些挑戰(zhàn)。

可靠的實時控制性能

高啟動扭矩、高效率、低可聞噪聲和低電磁干擾 (EMI) 是優(yōu)秀電動壓縮機系統(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：

●   高啟動扭矩：電動壓縮機等高慣性系統(tǒng)需要高啟動扭矩，以便壓縮機電機盡快達到優(yōu)選運行速度，從而提升 HVAC 系統(tǒng)的最終用戶體驗。

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

●   低可聞噪聲和低 EMI：在 ICE 汽車中，相較于發(fā)動機的噪聲，HVAC 系統(tǒng)的噪聲可以忽略不計。但是電動汽車和混合動力汽車容易受可聞噪聲影響，這在無發(fā)動機的靜音汽車中顯得尤為突出?；旌蟿恿ζ嚭碗妱悠囈惨资軄碜噪妱訅嚎s機所需的 BLDC 電機和電子設(shè)備的 EMI 影響。混合動力汽車和電動汽車中的電動壓縮機元件不應(yīng)引入會影響現(xiàn)有系統(tǒng)或消費者駕駛體驗的噪聲。

●   盡管電動壓縮機產(chǎn)品質(zhì)量直接受系統(tǒng)實時控制性能影響，但傳統(tǒng) PTC 加熱器完全可在無電動壓縮機的情況下工作，設(shè)計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（使用單個電阻器）來控制車內(nèi)溫度。

●   考慮到要在單個系統(tǒng)上集成多個電機，熱泵需要依賴強大的實時控制性能。系統(tǒng)和微控制器 (MCU) 架構(gòu)在實現(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 C2000Tm 實時 MCU 的架構(gòu)和外設(shè)如何通過多電機控制啟用熱泵系統(tǒng)。

圖 2：由 C2000 實時 MCU 控制的熱泵系統(tǒng)

可擴展性

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來擴大不同應(yīng)用需求的能力。基于平臺的汽車 HVAC 壓縮機、PTC 加熱器和熱泵設(shè)計方法有助于顯著縮短開發(fā)時間并降低開發(fā)成本。特別是對于 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 B）、網(wǎng)絡(luò)安全、通信接口和成本方面的廣泛選擇對于幫助汽車 HVAC 設(shè)計人員開發(fā)可擴展平臺至關(guān)重要。

成本

系統(tǒng)物料清單、開發(fā)資源和上市時間對于汽車 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）、利用可擴展平臺的能力和參考設(shè)計可幫助解決這些問題。

TI 高壓電動汽車/混合動力汽車電動壓縮機電機控制參考設(shè)計是一種高壓 5kW 參考設(shè)計，專為由 C2000 TMS320F2800157-Q1 實時 MCU 控制的電動汽車/混合動力汽車電動壓縮機應(yīng)用而構(gòu)建。該參考設(shè)計展示了針對性能、可擴展性和成本三方面的一些混合動力汽車/電動汽車電動壓縮機設(shè)計挑戰(zhàn)的解決方案。

結(jié)語

混合動力汽車和電動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)所需的元件會帶來設(shè)計挑戰(zhàn)，例如可靠的實時控制、可擴展性和成本。在 C2000 實時 MCU 和參考解決方案的幫助下，您可以從 ICE 順利過渡到混合動力汽車和電動汽車 HVAC 系統(tǒng)。