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如何為混合動力汽車/電動汽車設計加熱和冷卻系統
前言：
Arun T. Vemuri 德州儀器 (TI) 汽車車身電子裝置和照明部總經理
Kevin Stauder德州儀器 (TI) 汽車車身電子裝置和照明部系統工程師
數十年來，內燃機（ICE）一直在為 汽車以及加熱和冷卻系統提供動力。 隨著汽車行業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動機的全電動汽車，暖通空調 (HVAC) 系統將如何工作？
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圖了解這些模塊中獨特的子系統，最后我們將通過回顧這些子系統的功能解決方案來幫助您開始規劃實現。
內燃機在 HVAC 系統中的 工作方式
在配備 ICE 的車輛中，發動機是加熱 和冷卻系統的基礎。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器，在那里制冷劑對空氣進行冷卻。然后，由發動機驅動的空調壓縮機壓縮離開蒸發器的制冷劑。
類似地，在對空氣進行加熱時，由發動機產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，發動機在車廂的加熱和冷卻中起到基礎性作用。
圖 1. 發動機在 ICE 車輛的加熱和冷卻系統中起著基礎性的作用。
混合動力汽車和電動汽車實現加熱 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) 電機是一種代替發動機使空調壓縮機旋轉的直流電機。
2. 正溫度系數 (PTC) 加熱器或熱泵代替發動機對冷卻液進行加熱
圖 2. 混合動力汽車/電動汽車中的加熱和冷卻系統。
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 的車輛相同。如前所述，在沒有發動機的情況下，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。
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?？照{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之間的相似性。兩個系統均包含一個電源子系統、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。不過，電源子系統和柵極驅動器子系統是車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)。
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，系統中可能還有其他用于調節制冷劑流量的閥。例如，使用步進電機來控制熱泵中的閥。
圖 5. 熱泵系統。
在基于熱泵的加熱和冷卻系統中，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制冷劑到蒸發器中的低壓氣態制冷劑的轉變。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，從而實現反向循環并在加熱和冷卻模式下實現某些元件的旁路。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，熱泵系統仍使用空調壓縮機模塊，這已在上一節中進行了討論。此外，熱泵系統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。
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 6.步進電機驅動器的方框圖
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。
圖 7. HVAC 控制模塊。
有關高壓電池加熱和冷卻的說明：
根據環境溫度，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。
獨特的 HVAC 子系統的典型功能方框圖
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（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，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。
圖 8. 通過 12V 電壓軌為控制模塊中的電路供電。
在 48V 系統中，關鍵系統（如起動機/發電機或牽引逆變器）通常需要在 12V 和 48V 電壓軌提供的電源之間使用 O形環。加熱和冷卻子系統通常不需要該 O 形環。
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 系統和 48V 系統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器來驅動晶體管，如圖 9 所示。
圖 9. 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。
柵極驅動器
您可以使用三相橋驅動器集成電路 (IC) 來驅動逆變器級的晶體管。不過，由于驅動強度較低（< 500mA），因此三相橋式驅動器解決方案通常需要額外的緩沖器來充當電流提升器。這意味著：需要額外的元件，這將轉化為額外的成本；印刷電路板 (PCB) 的尺寸會增大；由于非理想 PCB 布局產生的寄生效應，會導致整個系統面臨 EMI 風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關損耗并降低 EMI 以提高系統效率，請考使用半橋柵極驅動器（如UCC27712-Q1）來驅動逆變器級的每個相位，如圖 10 所示。
圖 10. 使用三個半橋柵極驅動器驅動逆變器級。
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?/span>晶體管的位置，同時還將開關節點限制在最小范圍內。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 可以實現大拉電流和灌電流。半橋驅動器通?？蓪崿F互鎖和死區時間功能，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。
步進電機驅動器
如果步進電機驅動器驅動熱泵系統中的閥，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。
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，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品結合使用，您可以順利地從 ICE HVAC 系統 轉向混合動力汽車/電動汽車 HVAC 系統。
要開始進行 HVAC 設計，請參閱我們的HVAC 壓縮機模塊或 HVAC 控制模塊系統概述；要探索混合動力汽車/電動汽車的產品和設計資源，請參閱我們的混合動力系統、電力系統和動力總成系統。
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