如何為混合動力汽車/電動汽車設計加熱和冷卻系統(tǒng)

數(shù)十年來，內燃機（ICE）一直在為 汽車以及加熱和冷卻系統(tǒng)提 供動力。 隨著汽車行業(yè)電氣化并過渡到具有小型內燃機的混合動 力汽車或完全沒有發(fā)動機的全電動汽車，暖通空調 (HVAC) 系統(tǒng) 將如何工作？

在本白皮書中，我們將介紹 48V、400V 或 800V 混合動力 汽車和電動汽車中的新型加熱和冷卻控制模塊。其中，您將 通過示例和系統(tǒng)圖了解這些模塊中獨特的子系統(tǒng)，最后我們 將通過回顧這些子系統(tǒng)的功能解決方案來幫助您開始規(guī)劃實 現(xiàn)。 內燃機在 HVAC 系統(tǒng)中的 工作方式 在配備 ICE 的車輛中，發(fā)動機是加熱 和冷卻系統(tǒng)的基礎。 圖 1 說明了 這一概念。 在進行冷卻時，來自風機的空氣進入蒸發(fā)器，在那里制冷劑 對空氣進行冷卻。然后，由發(fā)動機驅動的空調壓縮機壓縮離 開蒸發(fā)器的制冷劑。 類似地，在對空氣進行加熱時，由發(fā)動機產(chǎn)生的熱量被傳遞 到冷卻液。該熱冷卻液進入加熱器芯，加熱器芯對將吹入車廂的空氣進行加熱。通過這種方法，發(fā)動機在車廂的 加熱和冷卻中起到基礎性作用。

圖1 發(fā)動機在 ICE 車輛的加熱和冷卻系統(tǒng)中起著基礎性的作用

混合動力汽車和電動汽車實現(xiàn)加熱和冷卻的方法

在混合動力汽車/電動汽車中，由于尺寸限制或不使用內燃機，需要引入兩個附加部件，這些組件在 HVAC 系統(tǒng)中起 著關鍵作用，如圖 2 所示：

1. 無刷直流 (BLDC) 電機是一種代替發(fā)動機使空調壓縮機旋轉的直流電機。

2. 正溫度系數(shù) (PTC) 加熱器或熱泵代替發(fā)動機對冷卻液進行加熱。

除這些部件之外，其余的加熱和冷卻系統(tǒng)基礎設施與采用  ICE 的車輛相同。如前所述，在沒有發(fā)動機的情況下，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 HVAC 控制帶來了挑戰(zhàn)。

圖2 混合動力汽車/電動汽車中的加熱和冷卻系統(tǒng)

控制 BLDC 電機和 PTC 加熱器的電子器件

在高電壓混合動力汽車/電動汽車中，BLDC 電機和 PTC  加熱器都使用高壓電源。空調壓縮機可能需要高達 10kW  的功率，而 PTC 加熱器可能會消耗高達 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) 和相應的柵極驅動器 來控制 BLDC 電機和 PTC 加熱器的電源。

圖 3 和 4 還說明了這兩個控制模塊的其余子系統(tǒng)之間的相 似性。兩個系統(tǒng)均包含一個電源子系統(tǒng)、一個柵極驅動器偏 置電源、微控制器 (MCU)、通信接口以及溫度和電流監(jiān)控 裝置。 這些控制模塊中使用的許多子系統(tǒng)（例如用于通信的收發(fā)器 和用于電流測量的放大器）類似于其他加熱和冷卻控制模塊中使用的子系統(tǒng)。不過，電源子系統(tǒng)和柵極驅動器子系統(tǒng)是車輛加熱和冷卻系統(tǒng)中的這些控制模塊所獨有的。這些子系統(tǒng)與低壓域和高壓域相連接。 

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

圖3 高電壓空調壓縮機 BLDC 電機控制模塊的方框圖

圖4 高電壓 PTC 加熱器控制模塊的方框圖

熱泵

使用大功率 PTC 加熱器加熱車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 動反向。此外，系統(tǒng)中可能還有其他用于調節(jié)制冷劑流量的閥。例如，使用步進電機來控制熱泵中的閥。

在基于熱泵的加熱和冷卻系統(tǒng)中，使用以下類型的閥：

?   膨脹閥，用于控制制冷劑流量。它們有助于促進從冷凝 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 是在使用步進電機控制膨脹閥時。

?   截止閥和換向閥，用于改變制冷劑的方向或路徑，從而 實現(xiàn)反向循環(huán)并在加熱和冷卻模式下實現(xiàn)某些元件的旁 路。螺線管驅動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(tǒng)仍使用空調壓縮機模塊， 這已在上一節(jié)中進行了討論。此外，熱泵系統(tǒng)還使用電 機驅動器模塊來驅動閥。這增加了驅動閥控制制冷劑流 量的額外設計挑戰(zhàn)。 圖 6 顯示了用于驅動閥的電機驅動器模塊的典型方框 圖。該方框圖顯示了一個步進電機驅動器。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器將 代替步進電機驅動器。電機驅動器模塊的設計要求包括功率密度和 EMI。

圖5 熱泵系統(tǒng)

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。該方框圖還顯示了風門 電機控制器、除霜加熱器、通信接口和電源子系統(tǒng)。

圖6 步進電機驅動器的方框圖

有關高壓電池加熱和冷卻的說明：

根據(jù)環(huán)境溫度，可能需要加熱或冷卻高壓電池?？梢允褂眉訜岷屠鋮s車廂的相同系統(tǒng)來完成此操作。也可以使用 單獨的加熱器對流入電池的冷卻劑進行加熱。該冷卻劑雖然用于在低溫條件下對電池進行加熱，但也可以從電池 中吸收熱量，并將熱量傳導至熱交換器以加熱車廂內的空氣。在此類系統(tǒng)中，步進電機將控制附加閥，這些附加 閥會使冷卻液通過電池和熱交換器中的管道。

圖7 HVAC 控制模塊

獨特的 HVAC 子系統(tǒng)的典型功能方框圖

如前所述，混合動力汽車/電動汽車的新型加熱和冷卻系統(tǒng) 中的其他控制模塊包括這些控制模塊特有的子系統(tǒng) - 電源、 柵極驅動器和用于控制制冷劑流量的步進電機閥驅動器。  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(tǒng)的電路拓撲的典型功能方框圖。這些拓撲必須應對混合動力汽車/電動汽車中的獨特挑戰(zhàn)（包括 隔離柵和 EMI），我們將在接下來的部分中對此進行討論。

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

在 48V 系統(tǒng)中，關鍵系統(tǒng)（如起動機/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(tǒng)通常不需要該 O 形環(huán)。 圖 8 還顯示了一個隔離柵。在具有高電壓（例如 800V 和  400V）的系統(tǒng)中，始終需要在 12V 側和高壓側之間進行 隔離。

不過，在 48V 車輛中，答案不那么直接。由于電壓 低，因此車輛中的 12V 系統(tǒng)和 48V 系統(tǒng)之間可能不需要進 行電氣隔離。在實際情況中，最有可能在 12V 域和 48V 域 之間使用功能隔離（使系統(tǒng)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(tǒng)的輸入端或輸出端。圖 8 顯示了 位于系統(tǒng)輸入端的隔離柵，其中大多數(shù)系統(tǒng)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(tǒng)的輸出端，則大多數(shù)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器來驅動晶體管，如圖 9 所示。

圖8 通過 12V 電壓軌為控制模塊中的電路供電

適用于 HVAC 壓縮機的汽車高電壓高功率電機驅動器參考設計

展示了一個使用 LM5160-Q1 隔離式 Fly-BuckBoost 轉換器的示例，該轉換器為柵極驅動器提供 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 后接一個低壓降 壓器）。這種方法相對簡單緊 湊（使用單個轉換器和變壓器來生成兩個電壓），并且具有 良好的性能。

從柵極驅動器的角度而言，EMI 通常與柵極的過沖有關。圖  10 所示的半橋柵極驅動器方法有助于去除多余的元件并降 低 PCB 布局的復 性，因為您可以將驅動器放置在非?？拷?晶體管的位置，同時還將開關節(jié)點限制在最小范圍內。這些 操作將減少 EMI 挑戰(zhàn)。此外，半橋柵極驅動器不需要使用 外部增壓級來放大柵極驅動電流，因為 IC 可以實現(xiàn)大拉電 流和灌電流。半橋驅動器通?？蓪崿F(xiàn)互鎖和死區(qū)時間功能， 防止兩個輸出端同時導通并提供足夠的裕度來有效驅動晶體 管，從而防止半橋擊穿。

圖9 通過 12V 電壓軌為控制模塊中的電路供電

步進電機驅動器

如果步進電機驅動器驅動熱泵系統(tǒng)中的閥，則步進電機驅動 器應具有的一項重要功能是失速檢測，也就是驅動器電子設 備檢測到電機已停止運轉（因為它撞到了機械塊，尤其是在 電機微步進時）的功能。微步進可以實現(xiàn)非常精確的閥位置 控制。 由于電機線圈由脈寬調制 (PWM) 信號驅動，因此 EMI 確 實會成為一個問題。步進電機驅動器必須還能夠驅動負載扭 矩。 DRV8889-Q1 等器件集成了電機電流感應和高級電路，可 幫助在微步進期間檢測失速。DRV8889-Q1 還包含可編程 壓擺率控制和擴頻技術，以幫助降低 EMI。

圖10使用三個半橋柵極驅動器驅動逆變器級

總結

由于混合動力汽車/電動汽車中較高的電壓而引入的全新  HVAC 控制模塊帶來了新的挑戰(zhàn)，例如電源隔離、EMI 和 微步進期間的失速。通過將典型的電路拓撲與隔離式 FlyBuck-Boost 轉換器、柵極驅動器和步進電機驅動器等產(chǎn)品 結合使用，您可以順利地從 ICE HVAC 系統(tǒng) 轉向混合動力 汽車/電動汽車 HVAC 系統(tǒng)。