如何為混合動力汽車/電動汽車設(shè)計暖通系統(tǒng)

作者：

? ? 　Arun T. Vemuri 德州儀器 （TI） 汽車車身電子裝置和照明部總經(jīng)理

　　Kevin Stauder 德州儀器 （TI） 汽車車身電子裝置和照明部系統(tǒng)工程師

數(shù)十年來，內(nèi)燃機（ICE）一直在為 汽車以及加熱和冷卻系統(tǒng)提供動力。 隨著汽車行業(yè)電氣化并過渡到具有小型內(nèi)燃機的混合動力汽車或完全沒有發(fā)動機的全電動汽車，暖通空調(diào) （HVAC） 系統(tǒng)將如何工作？

在本白皮書中，我們將介紹 48V、400V 或 800V 混合動力汽車和電動汽車中的新型加熱和冷卻控制模塊。其中，您將通過示例和系統(tǒng)圖了解這些模塊中獨特的子系統(tǒng)，最后我們將通過回顧這些子系統(tǒng)的功能解決方案來幫助您開始規(guī)劃實現(xiàn)。內(nèi)燃機在 HVAC 系統(tǒng)中的 工作方式在配備 ICE 的車輛中，發(fā)動機是加熱 和冷卻系統(tǒng)的基礎(chǔ)。圖 1 說明了 這一概念。

圖 1. 發(fā)動機在 ICE 車輛的加熱和冷卻系統(tǒng)中起著基礎(chǔ)性的作用。

在進行冷卻時，來自風(fēng)機的空氣進入蒸發(fā)器，在那里制冷劑對空氣進行冷卻。然后，由發(fā)動機驅(qū)動的空調(diào)壓縮機壓縮離開蒸發(fā)器的制冷劑。類似地，在對空氣進行加熱時，由發(fā)動機產(chǎn)生的熱量被傳遞到冷卻液。該熱冷卻液進入加熱器芯，加熱器芯對將吹入車廂的空氣進行加熱。通過這種方法，發(fā)動機在車廂的加熱和冷卻中起到基礎(chǔ)性作用。

混合動力汽車和電動汽車實現(xiàn)加熱 和冷卻的方法在混合動力汽車/電動汽車中，由于尺寸限制或不使用內(nèi)燃機，需要引入兩個附加部件，這些組件在 HVAC 系統(tǒng)中起著關(guān)鍵作用，如圖 2 所示：

1. 無刷直流 （BLDC） 電機是一種代替發(fā)動機使空調(diào)壓縮機旋轉(zhuǎn)的直流電機。 2. 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。

除這些部件之外，其余的加熱和冷卻系統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施與采用 ICE 的車輛相同。如前所述，在沒有發(fā)動機的情況下，需要使用 BLDC 電機和 PTC 加熱器或熱泵，這分別對功耗、電機和電阻加熱器控制以及整個 HVAC 控制帶來了挑戰(zhàn)?？刂?BLDC 電機和 PTC 加熱器的電子器件在高電壓混合動力汽車/電動汽車中，BLDC 電機和 PTC 加熱器都使用高壓電源?？照{(diào)壓縮機可能需要高達 10kW 的功率，而 PTC 加熱器可能會消耗高達 5kW 的功率。圖 3 和 4 分別是空調(diào)壓縮機 BLDC 控制模塊和 PTC 加熱器控制模塊的方框圖。這兩個方框圖均顯示 空調(diào)壓縮機 BLDC 電機和 PTC 加熱器由高壓電池供電。此外，這些模塊都使用絕緣柵雙極型晶體管 （IGBT） 和相應(yīng)的柵極驅(qū)動器來控制 BLDC 電機和 PTC 加熱器的電源。

圖 3 和 4 還說明了這兩個控制模塊的其余子系統(tǒng)之間的相似性。兩個系統(tǒng)均包含一個電源子系統(tǒng)、一個柵極驅(qū)動器偏置電源、微控制器 （MCU）、通信接口以及溫度和電流監(jiān)控裝置。這些控制模塊中使用的許多子系統(tǒng)（例如用于通信的收發(fā)器和用于電流測量的放大器）類似于其他加熱和冷卻控制模塊中使用的子系統(tǒng)。不過，電源子系統(tǒng)和柵極驅(qū)動器子系統(tǒng)是車輛加熱和冷卻系統(tǒng)中的這些控制模塊所獨有的。這些子系統(tǒng)與低壓域和高壓域相連接。在本白皮書的稍后部分，我們將討論用于這些子系統(tǒng)的電路拓撲的功能方框圖。請注意，電路拓撲的選擇必須滿足子系統(tǒng)功能以及系統(tǒng)設(shè)計要求，例如效率、功率密度和電磁干擾 （EMI）。

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使用大功率 PTC 加熱器加熱車廂的替代方法是使用冷卻回路作為熱泵如圖 5 所示。在該模式下，換向閥使制冷劑的流動反向。此外，系統(tǒng)中可能還有其他用于調(diào)節(jié)制冷劑流量的閥。例如，使用步進電機來控制熱泵中的閥。

在基于熱泵的加熱和冷卻系統(tǒng)中，使用以下類型的閥：

? 膨脹閥，用于控制制冷劑流量。它們有助于促進從冷凝裝置中的高壓液態(tài)制冷劑到蒸發(fā)器中的低壓氣態(tài)制冷劑的轉(zhuǎn)變。電子膨脹閥通常受益于對負載變化的更快、更準確的響應(yīng)，并且能夠更精確地控制制冷劑流量，尤其是在使用步進電機控制膨脹閥時。

? 截止閥和換向閥，用于改變制冷劑的方向或路徑，從而實現(xiàn)反向循環(huán)并在加熱和冷卻模式下實現(xiàn)某些元件的旁路。螺線管驅(qū)動器或有刷直流電機都可以控制截止閥和換向閥。

從圖 5 可以推斷出，熱泵系統(tǒng)仍使用空調(diào)壓縮機模塊，這已在上一節(jié)中進行了討論。此外，熱泵系統(tǒng)還使用電機驅(qū)動器模塊來驅(qū)動閥。這增加了驅(qū)動閥控制制冷劑流量的額外設(shè)計挑戰(zhàn)。

圖 6 顯示了用于驅(qū)動閥的電機驅(qū)動器模塊的典型方框圖。該方框圖顯示了一個步進電機驅(qū)動器。如果電機是有刷直流電機，則在此方框圖中有刷直流電機驅(qū)動器將代替步進電機驅(qū)動器。電機驅(qū)動器模塊的設(shè)計要求包括功率密度和 EMI。

　　HVAC 控制模塊

圖 7 是 HVAC 控制模塊的典型方框圖。HVAC 控制模塊控制高壓接觸器，該高壓接觸器用于將高壓電池連接到 BLDC 電機和 PTC 加熱器以及將其斷開。該方框圖還顯示了風(fēng)門電機控制器、除霜加熱器、通信接口和電源子系統(tǒng)。

有關(guān)高壓電池加熱和冷卻的說明：

根據(jù)環(huán)境溫度，可能需要加熱或冷卻高壓電池。可以使用加熱和冷卻車廂的相同系統(tǒng)來完成此操作。也可以使用單獨的加熱器對流入電池的冷卻劑進行加熱。該冷卻劑雖然用于在低溫條件下對電池進行加熱，但也可以從電池中吸收熱量，并將熱量傳導(dǎo)至熱交換器以加熱車廂內(nèi)的空氣。在此類系統(tǒng)中，步進電機將控制附加閥，這些附加閥會使冷卻液通過電池和熱交換器中的管道。

　　獨特的 HVAC 子系統(tǒng)的典型功能方框圖

如前所述，混合動力汽車/電動汽車的新型加熱和冷卻系統(tǒng)中的其他控制模塊包括這些控制模塊特有的子系統(tǒng) - 電源、柵極驅(qū)動器和用于控制制冷劑流量的步進電機閥驅(qū)動器。在該部分中，我們將探討高電壓空調(diào)壓縮機和 PTC 加熱器控制模塊中這些子系統(tǒng)的電路拓撲的典型功能方框圖。這些拓撲必須應(yīng)對混合動力汽車/電動汽車中的獨特挑戰(zhàn)（包括隔離柵和 EMI），我們將在接下來的部分中對此進行討論。

　　電源

對于混合動力汽車/電動汽車，有高耗電加熱和冷卻子系統(tǒng)，例如 BLDC 電機或 PTC 加熱器。但是模塊中的其余子系統(tǒng)通常都是低功耗的，例如 MCU、柵極驅(qū)動器、溫度傳感器和其余電路。典型的方法是直接通過可用的較高電壓（800V、400V 或 48V）為需要高耗電負載供電，通過 12V 電壓軌為板上的電路 供電，如圖 8 所示。

在 48V 系統(tǒng)中，關(guān)鍵系統(tǒng)（如起動機/發(fā)電機或牽引逆變器）通常需要在 12V 和 48V 電壓軌提供的電源之間使用 O 形環(huán)。加熱和冷卻子系統(tǒng)通常不需要該 O 形環(huán)。

圖 8 還顯示了一個隔離柵。在具有高電壓（例如 800V 和 400V）的系統(tǒng)中，始終需要在 12V 側(cè)和高壓側(cè)之間進行隔離。不過，在 48V 車輛中，答案不那么直接。由于電壓低，因此車輛中的 12V 系統(tǒng)和 48V 系統(tǒng)之間可能不需要進行電氣隔離。在實際情況中，最有可能在 12V 域和 48V 域之間使用功能隔離（使系統(tǒng)能夠正常工作而不必用作電擊保護的隔離）?？梢詫⒏綦x柵放置在系統(tǒng)的輸入端或輸出端。圖 8 顯示了位于系統(tǒng)輸入端的隔離柵，其中大多數(shù)系統(tǒng)元件都位于高壓側(cè)。在這種情況下，12V 電源和通信接口需要隔離元件。相反，如果要將隔離柵放置在系統(tǒng)的輸出端，則大多數(shù)電路元件應(yīng)位于低壓側(cè)。在這種情況下，該模塊將使用隔離式柵極驅(qū)動器來驅(qū)動晶體管，如圖 9 所示。

適用于 HVAC 壓縮機的汽車高電壓高功率電機驅(qū)動器參考設(shè)計 展示了一個使用 LM5160-Q1 隔離式 Fly-BuckBoost 轉(zhuǎn)換器的示例，該轉(zhuǎn)換器為柵極驅(qū)動器提供 16V 電壓，為 MCU、運算放大器和所有其他邏輯元件提供 3.3V（5.5V 后接一個低壓降 壓器）。這種方法相對簡單緊湊（使用單個轉(zhuǎn)換器和變壓器來生成兩個電壓），并且具有良好的性能。

　　柵極驅(qū)動器

您可以使用三相橋驅(qū)動器集成電路 （IC） 來驅(qū)動逆變器級的晶體管。不過，由于驅(qū)動強度較低（《 500mA），因此三相橋式驅(qū)動器解決方案通常需要額外的緩沖器來充當電流提升器。這意味著：需要額外的元件，這將轉(zhuǎn)化為額外的成本；印刷電路板 （PCB） 的尺寸會增大；由于非理想 PCB 布局產(chǎn)生的寄生效應(yīng)，會導(dǎo)致整個系統(tǒng)面臨 EMI 風(fēng)險并具有更大的傳播延，從而導(dǎo)致性能下降。為了幫助最大程度地減小晶體管的開關(guān)損耗并降低 EMI 以提高系統(tǒng)效率，請考使用半橋柵極驅(qū)動器（如 UCC27712-Q1）來驅(qū)動逆變器級的每個相位，如圖 10 所示。

從柵極驅(qū)動器的角度而言，EMI 通常與柵極的過沖有關(guān)。圖 10 所示的半橋柵極驅(qū)動器方法有助于去除多余的元件并降低 PCB 布局的復(fù) 性，因為您可以將驅(qū)動器放置在非常靠近晶體管的位置，同時還將開關(guān)節(jié)點限制在最小范圍內(nèi)。這些操作將減少 EMI 挑戰(zhàn)。此外，半橋柵極驅(qū)動器不需要使用外部增壓級來放大柵極驅(qū)動電流，因為 IC 可以實現(xiàn)大拉電流和灌電流。半橋驅(qū)動器通?？蓪崿F(xiàn)互鎖和死區(qū)時間功能，防止兩個輸出端同時導(dǎo)通并提供足夠的裕度來有效驅(qū)動晶體管，從而防止半橋擊穿。

　　步進電機驅(qū)動器

如果步進電機驅(qū)動器驅(qū)動熱泵系統(tǒng)中的閥，則步進電機驅(qū)動器應(yīng)具有的一項重要功能是失速檢測，也就是驅(qū)動器電子設(shè)備檢測到電機已停止運轉(zhuǎn)（因為它撞到了機械塊，尤其是在電機微步進時）的功能。微步進可以實現(xiàn)非常精確的閥位置控制。由于電機線圈由脈寬調(diào)制 （PWM） 信號驅(qū)動，因此 EMI 確實會成為一個問題。步進電機驅(qū)動器必須還能夠驅(qū)動負載扭矩。 DRV8889-Q1 等器件集成了電機電流感應(yīng)和高級電路，可幫助在微步進期間檢測失速。DRV8889-Q1 還包含可編程壓擺率控制和擴頻技術(shù)，以幫助降低 EMI。

　　總結(jié)

由于混合動力汽車/電動汽車中較高的電壓而引入的全新 HVAC 控制模塊帶來了新的挑戰(zhàn)，例如電源隔離、EMI 和微步進期間的失速。通過將典型的電路拓撲與隔離式 FlyBuck-Boost 轉(zhuǎn)換器、柵極驅(qū)動器和步進電機驅(qū)動器等產(chǎn)品結(jié)合使用，您可以順利地從 ICE HVAC 系統(tǒng) 轉(zhuǎn)向混合動力汽車/電動汽車 HVAC 系統(tǒng)。