一种电动汽车空调系统PTC加热器控制器设计

0   引言

发展电动汽车是国家应对国际环境和能源危机的重要决策，我国大力发展电动汽车并取得显著技术成果，欧美各国从国家高度到企业层面，也已迅速调整发展战略，将汽车电动化作为未来的发展方向。

传统燃油车空调系统利用发动机热量制热，电动汽车电驱系统效率可以高达90% 以上，损耗产生的热量远不足以供给空调系统制热，所以电动汽车空调系统制热使用PTC（正温度系数）加热器产生热量。目前比较普遍的方案是使用继电器控制PTC 加热器电源通断，通过风门开度控制冷热风的风量来控制温度，此类方案能源浪费较大。

采用PWM（脉宽调制）方式控制功率开关器件通断PTC 加热器电源，实现PTC 加热器输出功率的线性控制。本设计中PTC 加热器峰值功率5.2 kW，输入电压范围260~410 V。考虑开关器件的散热需求，将功率电路均分为两路2.6 kW。考虑设计裕量，单路最大电流按10 A 设计，同时也有助于减小开关器件开通瞬间的峰值电流。

1   硬件设计

1.1 硬件框图

总体硬件方案原理框图如图1 所示。控制电路、驱动和信号采样处理电路在高压侧，辅助电源、下电保持控制和CAN 通讯电路都为隔离电路，高低压电路之间满足AC 2 000 V rms 耐压1 min 绝缘要求。

图1 硬件框图

1.2 输入和下电保持电路

如图2 所示，KL30 为低压蓄电池12 V 常电，Z1吸收瞬态浪涌，D1 和D6 为防反接二极管，L1、C3 和C4 组成EMC 滤波器。整车上电后KL15 为高电平，Q3和Q1 导通，控制器被唤醒工作。整车下电后KL15 为低电平，为保证控制器进行故障诊断处理，控制电路保持KL15-KEEP 信号为高电平，高低压之间通过隔离光耦进行信号传输，Q1 仍然导通，程序处理完成KL15-KEEP 信号为低电平，Q1 截止，控制器输入电源断开进入休眠，静态电流为微安级别。

图2 输入和下电保持电路

1.3 辅助电源

辅助电源采用反激拓扑， 选用汽车级芯片LM3478Q-Q1。输入电压范围6~16 V，主路输出电压为5 V，为控制电路供电。辅路输出为15 V，为功率开关器件提供栅极驱动电源。变压器磁芯选择EE13，绕制参数如表1 所示。

表1 反激变压器绕制参数

1.4 控制电路和CAN通讯电路

控制芯片符合AEC-Q100 标准，内置两个具备边沿对齐功能的专用PWM 信号输出模块，输出的PWM信号作为驱动电路的输入。包括6 路A/D 采样，两路PTC 散热器电流采样，一路高压电压采样，三路温度采样。CAN 通讯电路选用TI 公司的隔离型CAN 芯片ISO1050。

1.5 驱动和功率电路

PWM 信号频率低，功率控制精度会较低，高频率可以提高功率控制精度，但是同时也会增加功率器件的开关损耗。PTC 加热器本身的寄生电容导致开关管开通瞬间会有很大的冲击电流。除了通过调节驱动电路控制开关速度外，两路开关管不同时开通，可以减小开通瞬态电流。

驱动芯片选用UCC27524A1-Q1，具有两个独立的栅极驱动通道，ENA 和ENB 管脚拉低可以立即关断驱动输出，进行电路保护（如图3）。

图3 驱动和功率电路

1.6 信号处理

高压通过分压电路和运放跟随电路处理后送至单片机A/D 管脚。电压低于260 V 或者高于410 V，且持续1 s 则关闭驱动信号，电压恢复到正常范围内则继续工作。电流采样电阻电压信号经放大电路到单片机的A/D管脚。

硬件过流保护电路如图4 所示。正常工作时，VIS1＜ Vref，比较器输出高电平。出现过流时VIS1 ＞ Vref，比较器输出变低电平，驱动芯片的ENA 和ENB 管脚被拉低，停止输出驱动电压。同时控制芯片检测到低电平，停止输出PWM 信号并上报故障。

图4 硬件过流保护电路

2   控制策略

控制策略如图5 所示。控制器唤醒自检后进入待机模式，接收到空调加热指令首先进行故障判断，如果检测到故障则进行保护，同时上传故障状态并储存故障码。

如果无故障则根据驾驶室温度动态调节PWM 信号占空比，开始阶段占空比采用逐步变大的软启动方案，最终保持车内温度恒定。

图5 控制策略流程图

3   测试波形和实物

PTC 加热器电流和功率器件Vce 电压如图6 所示，上电瞬间冲击电流持续约10 μs。

图6 开关管电压和冲击电流

4   整车验证

控制器搭载整车分别在环境温度0、-10、-15和-20 ℃下进行测试，空调制热温度设定32.5 ℃，自动制热策略为先开启5 min 大功率制热，之后降低功率保温。车速80 km/h，测试数据如表2。

表2 控制器整车搭载测试数据

图7 控制器实物

5   结论

PTC 加热器控制器可以实现整车空调系统制热功率的精确控制，在达到同等制热效果的条件下降低制热功耗，进而增加续航里程。同时可以将PTC 加热器工作状态上传至整车通讯网络并提供各种保护。

参考文献：

[1] 王兆安,刘进军.电力电子技术[M].5版.北京:机械工业出版社,2009.

[2] 王新树,孔令静,付超,等.电动空调PTC加热器控制方案设计[J].北京汽车,2019(02):30-33.

[3] 冯雪丽,臧竞之.汽车空调PTC加热器控制器方案设计[J].机电工程技术,2018,47(12):99-101.

[4] 石林,岳秀麟,杨春华.高压PTC加热器控制系统的设计[J].汽车电器,2020(05):21-25.