數十年來(lái)，內燃機（ICE）一直在為 汽車(chē)以及加熱和冷卻系統提供動(dòng)力。 隨著(zhù)汽車(chē)行業(yè)電氣化并過(guò)渡到具有小型內燃機的混合動(dòng)力汽車(chē)或完全沒(méi)有發(fā)動(dòng)機的全電動(dòng)汽車(chē)，暖通空調 (HVAC) 系統將如何工作？

 

我們將介紹 48V、400V 或 800V 混合動(dòng)力汽車(chē)和電動(dòng)汽車(chē)中的新型加熱和冷卻控制模塊。其中，您將通過(guò)示例和系統圖了解這些模塊中獨特的子系統，最后我們將通過(guò)回顧這些子系統的功能解決方案來(lái)幫助您開(kāi)始規劃實(shí)現。

 

內燃機在 HVAC 系統中的 工作方式

 

在配備 ICE 的車(chē)輛中，發(fā)動(dòng)機是加熱 和冷卻系統的基礎。圖 1 說(shuō)明了 這一概念。在進(jìn)行冷卻時(shí)，來(lái)自風(fēng)機的空氣進(jìn)入蒸發(fā)器，在那里制冷劑對空氣進(jìn)行冷卻。然后，由發(fā)動(dòng)機驅動(dòng)的空調壓縮機壓縮離開(kāi)蒸發(fā)器的制冷劑。類(lèi)似地，在對空氣進(jìn)行加熱時(shí)，由發(fā)動(dòng)機產(chǎn)生的熱量被傳遞到冷卻液。該熱冷卻液進(jìn)入加熱器芯，加熱器芯對將吹入車(chē)廂的空氣進(jìn)行加熱。通過(guò)這種方法，發(fā)動(dòng)機在車(chē)廂的加熱和冷卻中起到基礎性作用。

混合動(dòng)力汽車(chē)和電動(dòng)汽車(chē)實(shí)現加熱 和冷卻的方法

 

在混合動(dòng)力汽車(chē)/電動(dòng)汽車(chē)中，由于尺寸限制或不使用內燃機，需要引入兩個(gè)附加部件，這些組件在 HVAC 系統中起著(zhù)關(guān)鍵作用，如圖 2 所示：

 

 

除這些部件之外，其余的加熱和冷卻系統基礎設施與采用ICE 的車(chē)輛相同。如前所述，在沒(méi)有發(fā)動(dòng)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(gè) HVAC 控制帶來(lái)了挑戰。

 

控制 BLDC 電機和 PTC 加熱器的電子器件

 

在高電壓混合動(dòng)力汽車(chē)/電動(dòng)汽車(chē)中，BLDC 電機和 PTC加熱器都使用高壓電源?？照{壓縮機可能需要高達 10kW的功率，而 PTC 加熱器可能會(huì )消耗高達 5kW 的功率。圖 3 和 4 分別是空調壓縮機 BLDC 控制模塊和 PTC 加熱器控制模塊的方框圖。這兩個(gè)方框圖均顯示 空調壓縮機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) 和相應的柵極驅動(dòng)器來(lái)控制 BLDC 電機和 PTC 加熱器的電源。 

 

圖 3 和 4 還說(shuō)明了這兩個(gè)控制模塊的其余子系統之間的相似性。兩個(gè)系統均包含一個(gè)電源子系統、一個(gè)柵極驅動(dòng)器偏置電源、微控制器 (MCU)、通信接口以及溫度和電流監控裝置。

 

這些控制模塊中使用的許多子系統（例如用于通信的收發(fā)器和用于電流測量的放大器）類(lèi)似于其他加熱和冷卻控制模塊中使用的子系統。不過(guò)，電源子系統和柵極驅動(dòng)器子系統是車(chē)輛加熱和冷卻系統中的這些控制模塊所獨有的。這些子系統與低壓域和高壓域相連接。

 

在本白皮書(shū)的稍后部分，我們將討論用于這些子系統的電路拓撲的功能方框圖。請注意，電路拓撲的選擇必須滿(mǎn)足子系統功能以及系統設計要求，例如效率、功率密度和電磁干擾 (EMI)。

 

 

熱泵

 

使用大功率 PTC 加熱器加熱車(chē)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(dòng)反向。此外，系統中可能還有其他用于調節制冷劑流量的

 

閥。例如，使用步進(jìn)電機來(lái)控制熱泵中的閥。

 

 

在基于熱泵的加熱和冷卻系統中，使用以下類(lèi)型的閥：

 

• 膨脹閥，用于控制制冷劑流量。它們有助于促進(jìn)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，并且能夠更精確地控制制冷劑流量，尤其是在使用步進(jìn)電機控制膨脹閥時(shí)。

 

• 截止閥和換向閥，用于改變制冷劑的方向或路徑，從而實(shí)現反向循環(huán)并在加熱和冷卻模式下實(shí)現某些元件的旁路。螺線(xiàn)管驅動(dòng)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，熱泵系統仍使用空調壓縮機模塊，這已在上一節中進(jìn)行了討論。此外，熱泵系統還使用電機驅動(dòng)器模塊來(lái)驅動(dòng)閥。這增加了驅動(dòng)閥控制制冷劑流量的額外設計挑戰。

 

圖 6 顯示了用于驅動(dòng)閥的電機驅動(dòng)器模塊的典型方框圖。該方框圖顯示了一個(gè)步進(jìn)電機驅動(dòng)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動(dòng)器將代替步進(jìn)電機驅動(dòng)器。電機驅動(dòng)器模塊的設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(kāi)。該方框圖還顯示了風(fēng)門(mén)電機控制器、除霜加熱器、通信接口和電源子系統。

 

 

 

獨特的 HVAC 子系統的典型功能方框圖

 

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

 

電源

 

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

 

 

在 48V 系統中，關(guān)鍵系統（如起動(dòng)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)。加熱和冷卻子系統通常不需要該 O 形環(huán)。圖 8 還顯示了一個(gè)隔離柵。在具有高電壓（例如 800V 和400V）的系統中，始終需要在 12V 側和高壓側之間進(jìn)行隔離。不過(guò)，在 48V 車(chē)輛中，答案不那么直接。由于電壓低，因此車(chē)輛中的 12V 系統和 48V 系統之間可能不需要進(jìn)行電氣隔離。在實(shí)際情況中，最有可能在 12V 域和 48V 域之間使用功能隔離（使系統能夠正常工作而不必用作電擊保護的隔離）。

 

可以將隔離柵放置在系統的輸入端或輸出端。圖 8 顯示了位于系統輸入端的隔離柵，其中大多數系統元件都位于高壓側。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的輸出端，則大多數電路元件應位于低壓側。在這種情況下，該模塊將使用隔離式柵極驅動(dòng)器來(lái)驅動(dòng)晶體管，如圖 9 所示。

 

 

 

適用于 HVAC 壓縮機的汽車(chē)高電壓高功率電機驅動(dòng)器參考設計 展示了一個(gè)使用 LM5160-Q1 隔離式 Fly-Buck-Boost 轉換器的示例，該轉換器為柵極驅動(dòng)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(gè)低壓降 壓器）。這種方法相對簡(jiǎn)單緊湊（使用單個(gè)轉換器和變壓器來(lái)生成兩個(gè)電壓），并且具有良好的性能。

 

柵極驅動(dòng)器

 

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

 

 

 

從柵極驅動(dòng)器的角度而言，EMI 通常與柵極的過(guò)沖有關(guān)。圖10 所示的半橋柵極驅動(dòng)器方法有助于去除多余的元件并降低 PCB 布局的復 性，因為您可以將驅動(dòng)器放置在非?？拷w管的位置，同時(shí)還將開(kāi)關(guān)節點(diǎn)限制在最小范圍內。這些操作將減少 EMI 挑戰。此外，半橋柵極驅動(dòng)器不需要使用外部增壓級來(lái)放大柵極驅動(dòng)電流，因為 IC 可以實(shí)現大拉電流和灌電流。半橋驅動(dòng)器通?？蓪?shí)現互鎖和死區時(shí)間功能，防止兩個(gè)輸出端同時(shí)導通并提供足夠的裕度來(lái)有效驅動(dòng)晶體管，從而防止半橋擊穿。

 

步進(jìn)電機驅動(dòng)器 

 

如果步進(jìn)電機驅動(dòng)器驅動(dòng)熱泵系統中的閥，則步進(jìn)電機驅動(dòng)器應具有的一項重要功能是失速檢測，也就是驅動(dòng)器電子設備檢測到電機已停止運轉（因為它撞到了機械塊，尤其是在電機微步進(jìn)時(shí)）的功能。微步進(jìn)可以實(shí)現非常精確的閥位置控制。由于電機線(xiàn)圈由脈寬調制 (PWM) 信號驅動(dòng)，因此 EMI 確實(shí)會(huì )成為一個(gè)問(wèn)題。步進(jìn)電機驅動(dòng)器必須還能夠驅動(dòng)負載扭矩。DRV8889-Q1 等器件集成了電機電流感應和高級電路，可幫助在微步進(jìn)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

 

由于混合動(dòng)力汽車(chē)/電動(dòng)汽車(chē)中較高的電壓而引入的全新HVAC 控制模塊帶來(lái)了新的挑戰，例如電源隔離、EMI 和微步進(jìn)期間的失速。通過(guò)將典型的電路拓撲與隔離式 Fly-Buck-Boost 轉換器、柵極驅動(dòng)器和步進(jìn)電機驅動(dòng)器等產(chǎn)品結合使用，您可以順利地從 ICE HVAC 系統 轉向混合動(dòng)力汽車(chē)/電動(dòng)汽車(chē) HVAC 系統。