前言：
几十年来，内燃机(ICE)一直驱动着汽车以及加热和冷却系统。随着汽车行业的电气化和向小型内燃机混合动力汽车(HEV)或没有发动机的全电动汽车(EV)过渡，供暖、通风和空调(HVAC)系统将如何工作?
我们将介绍48v, 400 v或800 v混合动力汽车和电动汽车的新型加热和冷却控制模块。在这里，您将通过示例和系统图了解这些模块中的独特子系统，最后我们将回顾这些子系统的功能解决方案，以帮助您开始规划实现。在配备内燃机的车辆中，发动机是加热和冷却系统的基础。图1说明了这个概念。
图1 发动机在内燃机中起着基础作用车辆的加热和冷却系统为了冷却，鼓风机的空气进入蒸发器，制冷剂在蒸发器冷却空气。然后，由发动机驱动的空调压缩机对从蒸发器排出的制冷剂进行压缩。同样，为了加热空气，发动机产生的热量被传递给冷却水。这种温暖的冷却水进入加热器核心，将吹入机舱的空气加热。这就是为什么发动机在车辆机舱的加热和冷却中起着基础作用。2.混合动力汽车和电动汽车的供暖和制冷是如何工作的在HEV/EV中，内燃机的尺寸或缺失需要引入两个在HVAC系统中起关键作用的额外组件，如图2所示:
1. 无刷直流电动机(BLDC)是一种直流电动机，旋转空调压缩机，代替发动机。2. 正温度系数加热器(PTC)或热泵加热冷却剂，而不是发动机。除了这些组件外，其余的加热和冷却系统基础设施与具有ICE的车辆相同。如上所述，在没有发动机的情况下需要BLDC电机和PTC加热器或热泵，这在功耗、电机和电阻加热器的控制以及HVAC整体控制方面带来了单独的挑战。在高压HEV/EV中，BLDC电机和PTC加热器都使用高压电源。空调压缩机可能需要高达10kw的功率，而PTC加热器可能需要高达5kw的功率。交流压缩机BLDC控制模块框图如图3所示，PTC加热控制模块框图如图4所示。这两个框图表明，空调压缩机无刷直流电机和PTC加热器是由高压电池供电。此外，这些模块都使用绝缘栅双极晶体管(IGBTs)和相应的栅极驱动器来控制BLDC电机和PTC加热器的功率。图3和图4还说明了这两个控制模块的其余子系统之间的相似之处。这两个系统都包括一个电源子系统、一个栅极驱动器偏置电源、微控制器(MCUs)、通信接口以及温度和电流监测。这些控制模块中使用的许多子系统，如用于通信的收发器和用于电流测量的放大器，与其他加热和冷却控制模块中使用的子系统类似。然而，在车辆的加热和冷却系统中，电源子系统和栅极驱动器子系统是这些控制模块所独有的。这些子系统与低压域以及高压域接口。在本文的后面，我们将讨论用于这些子系统的电路拓扑的功能框图。请注意，电路拓扑的选择必须达到子系统功能以及系统设计要求，如效率，功率密度和电磁干扰(EMI)。
使用大功率PTC加热器加热舱室的另一种选择是使用冷却回路作为热泵，如图5所示。在这种模式下，通过换向阀将制冷剂的流向逆转。此外，系统中可能还有其他阀门来调节制冷剂的流量。例如，热泵中的阀门由步进电机控制。
在基于热泵的加热和冷却系统中，使用以下类型的阀门:控制制冷剂流量。它们有助于将冷凝机组中的高压液态制冷剂转换为蒸发器中的低压气态制冷剂。电子膨胀阀通常利于更快，更准确地响应负载变化，并具有更精确的制冷剂流量控制，特别是当使用步进电机控制膨胀阀时。截止阀和换向阀改变制冷剂的方向或路径，使加热和冷却模式的一些元件能够进行反向循环和旁路。无论是电磁驱动或有刷直流电机可以控制关闭和换向阀。从图5可以推断，热泵系统仍然使用空调压缩机模块，这在前一节已经讨论过。此外，热泵系统还使用电机驱动模块来驱动阀门。这增加了驱动制冷剂流动阀门的额外设计挑战。图6显示了用于驱动阀门的电机驱动模块的典型框图。这张图显示了一个步进电机驱动器。如果电机是有刷直流电动机，则有刷直流电动机驱动器将在此框图中取代步进电机驱动器。电机驱动模块的设计要求包括功率密度和电磁干扰。
图7是HVAC控制模块的典型框图。HVAC控制模块控制高压接触器，控制高压蓄电池与无刷直流电机和PTC加热器的连接和断开。方框图还显示了阻尼电机控制、除霜加热器、通信接口和电源子系统。
根据环境温度，可能需要加热或冷却高压电池。使用与加热和冷却客舱相同的系统是可能完成的。或者，一个单独的加热器可以加热冷却液流入电池。这种冷却液——虽然在低温下用来加热电池——也可以从电池中提取热量，并将热量引导到交换器中，以加热舱内空气。在这样的系统中，步进发动机将控制额外的阀门，这些阀门将冷却液输送到电池的管道中并加热换热器。如前所述，HEV/ EV的新加热和冷却系统中的附加控制模块包括这些控制所特有的子系统模块-用于控制制冷剂流量的电源、栅极驱动器和步进电机阀门驱动器。在本节中，我们将探讨高压空调压缩机和PTC加热器控制这些子系统电路拓扑的典型功能框图模块。这些拓扑必须处理独特的挑战，包括HEV/EV中的隔离屏障和EMI，我们将在下一节中讨论。混合动力/电动汽车有耗电的加热和冷却子系统，如无刷直流电机或PTC加热器。但模块中的其余子系统通常是低功耗的，如MCU、栅极驱动器、温度传感器和剩余电路。典型的方法是直接从可用的更高电压(800 V、400 V或48 V)为耗电负载供电，并从12v电轨为电路板上的电路供电，如图8所示。
在48v系统中，如起动器/发电机或牵引逆变器的关键系统通常需要一个从12v和48v轨道电源之间的快速冗余环网。加热和冷却子系统通常不需要这个快速冗余环网。图8还显示了一个隔离屏障。在800v、400v的高压系统中，12v侧和高压侧总是需要隔离。然而，在48v的汽车中，不需要直接隔离。由于电压低，车辆中的12v和48v系统之间可能不需要电气隔离。在实践中，将最有可能在12v和48v域之间使用功能隔离(隔离以允许系统正常工作，而不必作为防止电击的保护)。可以在系统的输入端或输出端放置隔离屏障。图8显示了系统输入端的隔离屏障，其中大多数系统组件位于高压侧。在这种情况下，12v电源和通信接口需要隔离组件。相反，如果要在系统的输出端放置隔离屏障，则大多数电路元件应位于低压侧。在这种情况下，模块将使用隔离栅驱动器驱动晶体管，如图9所示。
HVAC压缩机的汽车高压大功率电机驱动器参考设计展示了一个使用LM5160-Q1隔离单端反击升降压转换器的示例，该转换器为栅极驱动器提供16 V电压和提供3.3 V (5.5 V后接低压差稳压器)到MCU、运算放大器和所有其他逻辑组件。这种方法相对简单，紧凑(使用一个转换器和变压器来产生两个电压)，并提供良好的性能。您可以使用三相桥驱动集成电路(IC)来驱动逆变级的晶体管。然而，由于其低驱动强度(<500 mA)，三相桥式驱动器解决方案通常需要额外的缓冲器作为电流升压器。这意味着额外的组件，这转化为额外的成本；印刷电路板(PCB)尺寸的增加;以及由于非理想PCB布局的寄生而导致的EMI风险和整个系统传导延迟增加的性能下降。为了帮助**限度地减少晶体管的开关损耗并降低EMI以提高系统效率，可以考虑使用半桥栅驱动器，如UCC27712-Q1来驱动逆变器级的每个相位，如图10所示。从栅极驱动器的角度来看，电磁干扰通常与栅极超调有关。图10所示的半桥栅驱动器方法有助于去除额外的组件并降低PCB布局的复杂性，因为您可以将驱动器放置在非常靠近晶体管的地方，同时还可以将开关节点限制在最小的区域内。这些努力将减少电磁干扰带来的挑战。此外，半桥栅极驱动器不需要外部升压级来放大栅极驱动电流，因为集成电路可以实现大的源和汇电流。半桥驱动器通常实现联锁和死区时间功能，通过防止两个输出同时导通来保护半桥免受穿通，并提供足够的余量来有效地驱动晶体管。如果步进电机驱动器驱动热泵系统中的阀门，步进电机驱动器的一个重要特征是失速检测;也就是说，驱动电子设备检测到马达因为碰到机械块而停止运动的能力，特别是当马达被微步化时。微步进可以实现非常精确的阀门位置控制。由于电机线圈是由脉宽调制(PWM)信号驱动的，因此EMI确实成为一个问题。步进电机驱动器还必须具有驱动负载转矩的能力。DRV8889-Q1等器件集成了电机电流传感和先进的电路，有助于检测微步进过程中的失速。DRV8889-Q1还包括可编程慢速控制和扩频技术，以帮助减轻电磁干扰。由于HEV/EV中的更高电压，引入了新的HVAC控制模块，这带来了新的挑战，例如功率隔离，EMI和微步进期间的失速。通过利用典型的电路拓扑结构和产品，如隔离式降压-升压转换器、栅极驱动器和步进电机驱动器，您可以顺利地从ICE过渡到HEV/EV HVAC系统。要开始您的暖通空调设计，请参阅我们的暖通空调压缩机模块或暖通空调控制模块系统概述;要探索混合动力/电动汽车的产品和设计资源，请参阅我们的混合动力、电动和动力系统。
山东康堡汽车配件有限公司技术研发部
免责声明：内容来源网络，版权归原创作者所有，如因作品内容、版权等存在问题，烦请联系小编进行删除或洽谈版权使用事宜。
