如何优化汽车HVAC设计,以在持续增长的混合动力汽车和电动汽车市场保持优势

随着混合动力汽车 (HEV) 和电动汽车 (EV) 的数量在全球范围内持续增长，汽车研发人员也在不断创新以保持优势。混合动力汽车/电动汽车动力总成系统差异化历来就是重点关注领域，而现如今，混合动力汽车/电动汽车热管理或加热、通风和空调 (HVAC) 系统差异化对于市场佼佼者而言亦是不容忽视的领域。热管理系统消耗的功率在混合动力汽车/电动汽车中排名第二（仅次于动力总成系统），会直接影响续航里程。

数十年来，内燃机 (ICE) 一直在为汽车及其 HVAC 系统提供动力。在混合动力汽车/电动汽车中，由于尺寸限制或不使用内燃机，需要额外引入两个元件，这些元件在 HVAC 系统中起着关键作用：

●   无刷直流 (BLDC) 电机是代替发动机使空调压缩机旋转的直流电机。

●   正温度系数 (PTC) 加热器或热泵代替发动机对冷却液进行加热。在使用热泵的情况下，电池热管理将热量从电池传至车内。集成热泵可以减轻重量、延长续航时间并降低成本。

请参见图 1。

图1 混合动力汽车和电动汽车中的加热和冷却系统

在本篇文章中，我们将概述与这些电子 HVAC 应用相关的设计挑战，探讨如何从实时控制性能、可扩展性和成本三方面着手应对这些挑战。

可靠的实时控制性能

高启动扭矩、高效率、低可闻噪声和低电磁干扰 (EMI) 是优秀电动压缩机系统的主要特征。

让我们了解一下影响 HVAC 性能的重要因素，以及这些因素为何重要：

●   高启动扭矩：电动压缩机等高惯性系统需要高启动扭矩，以便压缩机电机尽快达到优选运行速度，从而提升 HVAC 系统的最终用户体验。

●   高效率：除混合动力汽车/电动汽车动力总成系统外，电动压缩机系统在电动汽车/混合动力汽车中消耗的功率最高，大约 5kW 左右。因此，通过提高效率实现功率节省以便延长续航里程，这是混合动力汽车/电动汽车开发人员和消费者颇为关心的问题。

●   低可闻噪声和低 EMI：在 ICE 汽车中，相较于发动机的噪声，HVAC 系统的噪声可以忽略不计。但是电动汽车和混合动力汽车容易受可闻噪声影响，这在无发动机的静音汽车中显得尤为突出。混合动力汽车和电动汽车也易受来自电动压缩机所需的 BLDC 电机和电子设备的 EMI 影响。混合动力汽车和电动汽车中的电动压缩机元件不应引入会影响现有系统或消费者驾驶体验的噪声。

●   尽管电动压缩机产品质量直接受系统实时控制性能影响，但传统 PTC 加热器完全可在无电动压缩机的情况下工作，设计人员主要依靠成本来使这些产品脱颖而出。PTC 加热器通过测量和控制流经系统的电流（使用单个电阻器）来控制车内温度。

●   考虑到要在单个系统上集成多个电机，热泵需要依赖强大的实时控制性能。系统和微控制器 (MCU) 架构在实现高效且具有成本效益的集成热泵系统控制方面发挥着重要作用。

图 2 中的框图显示了 TI C2000™ 实时 MCU 的架构和外设如何通过多电机控制启用热泵系统。

图2 由 C2000 实时 MCU 控制的热泵系统

可扩展性

鉴于全球汽车原始设备制造商存在的不断发展的趋势和不同的需求，当下迫切需要利用兼容平台来扩大不同应用需求的能力。基于平台的汽车 HVAC 压缩机、PTC 加热器和热泵设计方法有助于显著缩短开发时间并降低开发成本。特别是对于 MCU，封装类型、引脚数、闪存、温度、功能安全性（汽车安全完整性等级 B）、网络安全、通信接口和成本方面的广泛选择对于帮助汽车 HVAC 设计人员开发可扩展平台至关重要。

成本

系统物料清单、开发资源和上市时间对于汽车 HVAC 开发商来讲都是重要成本。具有成本效益的元件（包括 MCU）、利用可扩展平台的能力和参考设计可帮助解决这些问题。

TI 高压电动汽车/混合动力汽车电动压缩机电机控制参考设计是一种高压 5kW 参考设计，专为由 C2000 TMS320F2800157-Q1 实时 MCU 控制的电动汽车/混合动力汽车电动压缩机应用而构建。该参考设计展示了针对性能、可扩展性和成本三方面的一些混合动力汽车/电动汽车电动压缩机设计挑战的解决方案。

结语

混合动力汽车和电动汽车未来几十年将越来越普及，HVAC 控制的电子解决方案亦是如此。这些汽车中的汽车 HVAC 子系统所需的元件会带来设计挑战，例如可靠的实时控制、可扩展性和成本。在 C2000 实时 MCU 和参考解决方案的帮助下，您可以从 ICE 顺利过渡到混合动力汽车和电动汽车 HVAC 系统。