如何为混合动力汽车/电动汽车设计加热和冷却系统

数十年来，内燃机（ICE）一直在为 汽车以及加热和冷却系统提 供动力。 随着汽车行业电气化并过渡到具有小型内燃机的混合动 力汽车或完全没有发动机的全电动汽车，暖通空调 (HVAC) 系统 将如何工作？

在本白皮书中，我们将介绍 48V、400V 或 800V 混合动力 汽车和电动汽车中的新型加热和冷却控制模块。其中，您将 通过示例和系统图了解这些模块中独特的子系统，最后我们 将通过回顾这些子系统的功能解决方案来帮助您开始规划实 现。 内燃机在 HVAC 系统中的 工作方式 在配备 ICE 的车辆中，发动机是加热 和冷却系统的基础。 图 1 说明了 这一概念。 在进行冷却时，来自风机的空气进入蒸发器，在那里制冷剂 对空气进行冷却。然后，由发动机驱动的空调压缩机压缩离 开蒸发器的制冷剂。 类似地，在对空气进行加热时，由发动机产生的热量被传递 到冷却液。该热冷却液进入加热器芯，加热器芯对将吹入车厢的空气进行加热。通过这种方法，发动机在车厢的 加热和冷却中起到基础性作用。

图1 发动机在 ICE 车辆的加热和冷却系统中起着基础性的作用

混合动力汽车和电动汽车实现加热和冷却的方法

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，需要引入两个附加部件，这些组件在 HVAC 系统中起 着关键作用，如图 2 所示：

1. 无刷直流 (BLDC) 电机是一种代替发动机使空调压缩机旋转的直流电机。

2. 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。

除这些部件之外，其余的加热和冷却系统基础设施与采用  ICE 的车辆相同。如前所述，在没有发动机的情况下，需要 使用 BLDC 电机和 PTC 加热器或热泵，这分别对功耗、电机和电阻加热器控制以及整个 HVAC 控制带来了挑战。

图2 混合动力汽车/电动汽车中的加热和冷却系统

控制 BLDC 电机和 PTC 加热器的电子器件

在高电压混合动力汽车/电动汽车中，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 加热器可能会消耗高达 5kW 的功率。 图 3 和 4 分别是空调压缩机 BLDC 控制模块和 PTC 加 热器控制模块的方框图。这两个方框图均显示 空调压缩机  BLDC 电机和 PTC 加热器由高压电池供电。此外，这些模 块都使用绝缘栅双极型晶体管 (IGBT) 和相应的栅极驱动器 来控制 BLDC 电机和 PTC 加热器的电源。

图 3 和 4 还说明了这两个控制模块的其余子系统之间的相 似性。两个系统均包含一个电源子系统、一个栅极驱动器偏 置电源、微控制器 (MCU)、通信接口以及温度和电流监控 装置。 这些控制模块中使用的许多子系统（例如用于通信的收发器 和用于电流测量的放大器）类似于其他加热和冷却控制模块中使用的子系统。不过，电源子系统和栅极驱动器子系统是车辆加热和冷却系统中的这些控制模块所独有的。这些子系统与低压域和高压域相连接。 

在本白皮书的稍后部分，我们将讨论用于这些子系统的电路 拓扑的功能方框图。请注意，电路拓扑的选择必须满足子系 统功能以及系统设计要求，例如效率、功率密度和电磁干扰 (EMI)。

图3 高电压空调压缩机 BLDC 电机控制模块的方框图

图4 高电压 PTC 加热器控制模块的方框图

热泵

使用大功率 PTC 加热器加热车厢的替代方法是使用冷却回 路作为热泵如图 5 所示。在该模式下，换向阀使制冷剂的流 动反向。此外，系统中可能还有其他用于调节制冷剂流量的阀。例如，使用步进电机来控制热泵中的阀。

在基于热泵的加热和冷却系统中，使用以下类型的阀：

•   膨胀阀，用于控制制冷剂流量。它们有助于促进从冷凝 装置中的高压液态制冷剂到蒸发器中的低压气态制冷剂 的转变。电子膨胀阀通常受益于对负载变化的更快、更 准确的响应，并且能够更精确地控制制冷剂流量，尤其 是在使用步进电机控制膨胀阀时。

•   截止阀和换向阀，用于改变制冷剂的方向或路径，从而 实现反向循环并在加热和冷却模式下实现某些元件的旁 路。螺线管驱动器或有刷直流电机都可以控制截止阀和换向阀。

从图 5 可以推断出，热泵系统仍使用空调压缩机模块， 这已在上一节中进行了讨论。此外，热泵系统还使用电 机驱动器模块来驱动阀。这增加了驱动阀控制制冷剂流 量的额外设计挑战。 图 6 显示了用于驱动阀的电机驱动器模块的典型方框 图。该方框图显示了一个步进电机驱动器。如果电机是 有刷直流电机，则在此方框图中有刷直流电机驱动器将 代替步进电机驱动器。电机驱动器模块的设计要求包括功率密度和 EMI。

图5 热泵系统

HVAC 控制模块

图 7 是 HVAC 控制模块的典型方框图。HVAC 控制模块控 制高压接触器，该高压接触器用于将高压电池连接到 BLDC  电机和 PTC 加热器以及将其断开。该方框图还显示了风门 电机控制器、除霜加热器、通信接口和电源子系统。

图6 步进电机驱动器的方框图

有关高压电池加热和冷却的说明：

根据环境温度，可能需要加热或冷却高压电池。可以使用加热和冷却车厢的相同系统来完成此操作。也可以使用 单独的加热器对流入电池的冷却剂进行加热。该冷却剂虽然用于在低温条件下对电池进行加热，但也可以从电池 中吸收热量，并将热量传导至热交换器以加热车厢内的空气。在此类系统中，步进电机将控制附加阀，这些附加 阀会使冷却液通过电池和热交换器中的管道。

图7 HVAC 控制模块

独特的 HVAC 子系统的典型功能方框图

如前所述，混合动力汽车/电动汽车的新型加热和冷却系统 中的其他控制模块包括这些控制模块特有的子系统 - 电源、 栅极驱动器和用于控制制冷剂流量的步进电机阀驱动器。  在该部分中，我们将探讨高电压空调压缩机和 PTC 加热器 控制模块中这些子系统的电路拓扑的典型功能方框图。这些拓扑必须应对混合动力汽车/电动汽车中的独特挑战（包括 隔离栅和 EMI），我们将在接下来的部分中对此进行讨论。

电源 对于混合动力汽车/电动汽车，有高耗电加热和冷却子系统，例如 BLDC 电机或 PTC 加热器。但是模块中的其余子 系统通常都是低功耗的，例如 MCU、栅极驱动器、温度传 感器和其余电路。 典型的方法是直接通过可用的较高电压（800V、400V 或  48V）为需要高耗电负载供电，通过 12V 电压轨为板上的电路供电，如图 8 所示。

在 48V 系统中，关键系统（如起动机/发电机或牵引逆变 器）通常需要在 12V 和 48V 电压轨提供的电源之间使用 O  形环。加热和冷却子系统通常不需要该 O 形环。 图 8 还显示了一个隔离栅。在具有高电压（例如 800V 和  400V）的系统中，始终需要在 12V 侧和高压侧之间进行 隔离。

不过，在 48V 车辆中，答案不那么直接。由于电压 低，因此车辆中的 12V 系统和 48V 系统之间可能不需要进 行电气隔离。在实际情况中，最有可能在 12V 域和 48V 域 之间使用功能隔离（使系统能够正常工作而不必用作电击保 护的隔离）。

可以将隔离栅放置在系统的输入端或输出端。图 8 显示了 位于系统输入端的隔离栅，其中大多数系统元件都位于高压 侧。在这种情况下，12V 电源和通信接口需要隔离元件。相反，如果要将隔离栅放置在系统的输出端，则大多数电路元 件应位于低压侧。在这种情况下，该模块将使用隔离式栅极驱动器来驱动晶体管，如图 9 所示。

图8 通过 12V 电压轨为控制模块中的电路供电

适用于 HVAC 压缩机的汽车高电压高功率电机驱动器参考设计

展示了一个使用 LM5160-Q1 隔离式 Fly-BuckBoost 转换器的示例，该转换器为栅极驱动器提供 16V  电压，为 MCU、运算放大器和所有其他逻辑元件提供  3.3V（5.5V 后接一个低压降 压器）。这种方法相对简单紧 凑（使用单个转换器和变压器来生成两个电压），并且具有 良好的性能。

从栅极驱动器的角度而言，EMI 通常与栅极的过冲有关。图  10 所示的半桥栅极驱动器方法有助于去除多余的元件并降 低 PCB 布局的复 性，因为您可以将驱动器放置在非常靠近 晶体管的位置，同时还将开关节点限制在最小范围内。这些 操作将减少 EMI 挑战。此外，半桥栅极驱动器不需要使用 外部增压级来放大栅极驱动电流，因为 IC 可以实现大拉电 流和灌电流。半桥驱动器通常可实现互锁和死区时间功能， 防止两个输出端同时导通并提供足够的裕度来有效驱动晶体 管，从而防止半桥击穿。

图9 通过 12V 电压轨为控制模块中的电路供电

步进电机驱动器

如果步进电机驱动器驱动热泵系统中的阀，则步进电机驱动 器应具有的一项重要功能是失速检测，也就是驱动器电子设 备检测到电机已停止运转（因为它撞到了机械块，尤其是在 电机微步进时）的功能。微步进可以实现非常精确的阀位置 控制。 由于电机线圈由脉宽调制 (PWM) 信号驱动，因此 EMI 确 实会成为一个问题。步进电机驱动器必须还能够驱动负载扭 矩。 DRV8889-Q1 等器件集成了电机电流感应和高级电路，可 帮助在微步进期间检测失速。DRV8889-Q1 还包含可编程 压摆率控制和扩频技术，以帮助降低 EMI。

图10使用三个半桥栅极驱动器驱动逆变器级

总结

由于混合动力汽车/电动汽车中较高的电压而引入的全新  HVAC 控制模块带来了新的挑战，例如电源隔离、EMI 和 微步进期间的失速。通过将典型的电路拓扑与隔离式 FlyBuck-Boost 转换器、栅极驱动器和步进电机驱动器等产品 结合使用，您可以顺利地从 ICE HVAC 系统 转向混合动力 汽车/电动汽车 HVAC 系统。