圖 1. 發(fā)動(dòng)機(jī)在 ICE 車輛的加熱和冷卻系統(tǒng)中起著基礎(chǔ)性的作用。
如何為混合動(dòng)力汽車設(shè)計(jì)加熱和冷卻系統(tǒng)
發(fā)布時(shí)間:2020-12-09 責(zé)任編輯:lina
【導(dǎo)讀】數(shù)十年來,內(nèi)燃機(jī)(ICE)一直在為 汽車以及加熱和冷卻系統(tǒng)提供動(dòng)力。 隨著汽車行業(yè)電氣化并過渡到具有小型內(nèi)燃機(jī)的混合動(dòng)力汽車或完全沒有發(fā)動(dòng)機(jī)的全電動(dòng)汽車,暖通空調(diào) (HVAC) 系統(tǒng)將如何工作?
數(shù)十年來,內(nèi)燃機(jī)(ICE)一直在為 汽車以及加熱和冷卻系統(tǒng)提供動(dòng)力。 隨著汽車行業(yè)電氣化并過渡到具有小型內(nèi)燃機(jī)的混合動(dòng)力汽車或完全沒有發(fā)動(dòng)機(jī)的全電動(dòng)汽車,暖通空調(diào) (HVAC) 系統(tǒng)將如何工作?
我們將介紹 48V、400V 或 800V 混合動(dòng)力汽車和電動(dòng)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(dú)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(shí)現(xiàn)。
內(nèi)燃機(jī)在 HVAC 系統(tǒng)中的 工作方式
在配備 ICE 的車輛中,發(fā)動(dòng)機(jī)是加熱 和冷卻系統(tǒng)的基礎(chǔ)。圖 1 說明了 這一概念。在進(jìn)行冷卻時(shí),來自風(fēng)機(jī)的空氣進(jìn)入蒸發(fā)器,在那里制冷劑對(duì)空氣進(jìn)行冷卻。然后,由發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的空調(diào)壓縮機(jī)壓縮離開蒸發(fā)器的制冷劑。類似地,在對(duì)空氣進(jìn)行加熱時(shí),由發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的熱量被傳遞到冷卻液。該熱冷卻液進(jìn)入加熱器芯,加熱器芯對(duì)將吹入車廂的空氣進(jìn)行加熱。通過這種方法,發(fā)動(dòng)機(jī)在車廂的加熱和冷卻中起到基礎(chǔ)性作用。
圖 1. 發(fā)動(dòng)機(jī)在 ICE 車輛的加熱和冷卻系統(tǒng)中起著基礎(chǔ)性的作用。
混合動(dòng)力汽車和電動(dòng)汽車實(shí)現(xiàn)加熱 和冷卻的方法
在混合動(dòng)力汽車/電動(dòng)汽車中,由于尺寸限制或不使用內(nèi)燃機(jī),需要引入兩個(gè)附加部件,這些組件在 HVAC 系統(tǒng)中起著關(guān)鍵作用,如圖 2 所示:
除這些部件之外,其余的加熱和冷卻系統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施與采用ICE 的車輛相同。如前所述,在沒有發(fā)動(dòng)機(jī)的情況下,需要使用 BLDC 電機(jī)和 PTC 加熱器或熱泵,這分別對(duì)功耗、電機(jī)和電阻加熱器控制以及整個(gè) HVAC 控制帶來了挑戰(zhàn)。
控制 BLDC 電機(jī)和 PTC 加熱器的電子器件
在高電壓混合動(dòng)力汽車/電動(dòng)汽車中,BLDC 電機(jī)和 PTC加熱器都使用高壓電源??照{(diào)壓縮機(jī)可能需要高達(dá) 10kW的功率,而 PTC 加熱器可能會(huì)消耗高達(dá) 5kW 的功率。圖 3 和 4 分別是空調(diào)壓縮機(jī) BLDC 控制模塊和 PTC 加熱器控制模塊的方框圖。這兩個(gè)方框圖均顯示 空調(diào)壓縮機(jī)BLDC 電機(jī)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(yīng)的柵極驅(qū)動(dòng)器來控制 BLDC 電機(jī)和 PTC 加熱器的電源。
圖 3 和 4 還說明了這兩個(gè)控制模塊的其余子系統(tǒng)之間的相似性。兩個(gè)系統(tǒng)均包含一個(gè)電源子系統(tǒng)、一個(gè)柵極驅(qū)動(dòng)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(cè)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(qū)動(dòng)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(dú)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?fù)涞墓δ芊娇驁D。請(qǐng)注意,電路拓?fù)涞倪x擇必須滿足子系統(tǒng)功能以及系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求,例如效率、功率密度和電磁干擾 (EMI)。
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(dòng)反向。此外,系統(tǒng)中可能還有其他用于調(diào)節(jié)制冷劑流量的
閥。例如,使用步進(jìn)電機(jī)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(jìn)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(zhuǎn)變。電子膨脹閥通常受益于對(duì)負(fù)載變化的更快、更準(zhǔn)確的響應(yīng),并且能夠更精確地控制制冷劑流量,尤其是在使用步進(jìn)電機(jī)控制膨脹閥時(shí)。
• 截止閥和換向閥,用于改變制冷劑的方向或路徑,從而實(shí)現(xiàn)反向循環(huán)并在加熱和冷卻模式下實(shí)現(xiàn)某些元件的旁路。螺線管驅(qū)動(dòng)器或有刷直流電機(jī)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(diào)壓縮機(jī)模塊,這已在上一節(jié)中進(jìn)行了討論。此外,熱泵系統(tǒng)還使用電機(jī)驅(qū)動(dòng)器模塊來驅(qū)動(dòng)閥。這增加了驅(qū)動(dòng)閥控制制冷劑流量的額外設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。
圖 6 顯示了用于驅(qū)動(dòng)閥的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器模塊的典型方框圖。該方框圖顯示了一個(gè)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。如果電機(jī)是有刷直流電機(jī),則在此方框圖中有刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器將代替步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。電機(jī)驅(qū)動(dòng)器模塊的設(shè)計(jì)要求包括功率密度和 EMI。
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(jī)和 PTC 加熱器以及將其斷開。該方框圖還顯示了風(fēng)門電機(jī)控制器、除霜加熱器、通信接口和電源子系統(tǒng)。
獨(dú)特的 HVAC 子系統(tǒng)的典型功能方框圖
如前所述,混合動(dòng)力汽車/電動(dòng)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(qū)動(dòng)器和用于控制制冷劑流量的步進(jìn)電機(jī)閥驅(qū)動(dòng)器。在該部分中,我們將探討高電壓空調(diào)壓縮機(jī)和 PTC 加熱器控制模塊中這些子系統(tǒng)的電路拓?fù)涞牡湫凸δ芊娇驁D。這些拓?fù)浔仨殤?yīng)對(duì)混合動(dòng)力汽車/電動(dòng)汽車中的獨(dú)特挑戰(zhàn)(包括隔離柵和 EMI),我們將在接下來的部分中對(duì)此進(jìn)行討論。
電源
對(duì)于混合動(dòng)力汽車/電動(dòng)汽車,有高耗電加熱和冷卻子系統(tǒng),例如 BLDC 電機(jī)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(qū)動(dòng)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(fù)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(guān)鍵系統(tǒng)(如起動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)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(gè)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(cè)和高壓側(cè)之間進(jìn)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(jìn)行電氣隔離。在實(shí)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(hù)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(cè)。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(yīng)位于低壓側(cè)。在這種情況下,該模塊將使用隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器來驅(qū)動(dòng)晶體管,如圖 9 所示。
適用于 HVAC 壓縮機(jī)的汽車高電壓高功率電機(jī)驅(qū)動(dòng)器參考設(shè)計(jì) 展示了一個(gè)使用 LM5160-Q1 隔離式 Fly-Buck-Boost 轉(zhuǎn)換器的示例,該轉(zhuǎn)換器為柵極驅(qū)動(dòng)器提供 16V電壓,為 MCU、運(yùn)算放大器和所有其他邏輯元件提供3.3V(5.5V 后接一個(gè)低壓降 壓器)。這種方法相對(duì)簡(jiǎn)單緊湊(使用單個(gè)轉(zhuǎn)換器和變壓器來生成兩個(gè)電壓),并且具有良好的性能。
柵極驅(qū)動(dòng)器
您可以使用三相橋驅(qū)動(dòng)器集成電路 (IC) 來驅(qū)動(dòng)逆變器級(jí)的晶體管。不過,由于驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度較低(< 500mA),因此三相橋式驅(qū)動(dòng)器解決方案通常需要額外的緩沖器來充當(dāng)電流提升器。這意味著:需要額外的元件,這將轉(zhuǎn)化為額外的成本;印刷電路板 (PCB) 的尺寸會(huì)增大;由于非理想 PCB 布局產(chǎn)生的寄生效應(yīng),會(huì)導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)面臨 EMI 風(fēng)險(xiǎn)并具有更大的傳播延,從而導(dǎo)致性能下降。為了幫助最大程度地減小晶體管的開關(guān)損耗并降低EMI 以提高系統(tǒng)效率,請(qǐng)考使用半橋柵極驅(qū)動(dòng)器(如UCC27712-Q1)來驅(qū)動(dòng)逆變器級(jí)的每個(gè)相位,如圖 10 所示。
從柵極驅(qū)動(dòng)器的角度而言,EMI 通常與柵極的過沖有關(guān)。圖10 所示的半橋柵極驅(qū)動(dòng)器方法有助于去除多余的元件并降低 PCB 布局的復(fù) 性,因?yàn)槟梢詫Ⅱ?qū)動(dòng)器放置在非??拷w管的位置,同時(shí)還將開關(guān)節(jié)點(diǎn)限制在最小范圍內(nèi)。這些操作將減少 EMI 挑戰(zhàn)。此外,半橋柵極驅(qū)動(dòng)器不需要使用外部增壓級(jí)來放大柵極驅(qū)動(dòng)電流,因?yàn)?IC 可以實(shí)現(xiàn)大拉電流和灌電流。半橋驅(qū)動(dòng)器通??蓪?shí)現(xiàn)互鎖和死區(qū)時(shí)間功能,防止兩個(gè)輸出端同時(shí)導(dǎo)通并提供足夠的裕度來有效驅(qū)動(dòng)晶體管,從而防止半橋擊穿。
步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器
如果步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)熱泵系統(tǒng)中的閥,則步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器應(yīng)具有的一項(xiàng)重要功能是失速檢測(cè),也就是驅(qū)動(dòng)器電子設(shè)備檢測(cè)到電機(jī)已停止運(yùn)轉(zhuǎn)(因?yàn)樗驳搅藱C(jī)械塊,尤其是在電機(jī)微步進(jìn)時(shí))的功能。微步進(jìn)可以實(shí)現(xiàn)非常精確的閥位置控制。由于電機(jī)線圈由脈寬調(diào)制 (PWM) 信號(hào)驅(qū)動(dòng),因此 EMI 確實(shí)會(huì)成為一個(gè)問題。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器必須還能夠驅(qū)動(dòng)負(fù)載扭矩。DRV8889-Q1 等器件集成了電機(jī)電流感應(yīng)和高級(jí)電路,可幫助在微步進(jìn)期間檢測(cè)失速。DRV8889-Q1 還包含可編程壓擺率控制和擴(kuò)頻技術(shù),以幫助降低 EMI。
總結(jié)
由于混合動(dòng)力汽車/電動(dòng)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(jìn)期間的失速。通過將典型的電路拓?fù)渑c隔離式 Fly-Buck-Boost 轉(zhuǎn)換器、柵極驅(qū)動(dòng)器和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器等產(chǎn)品結(jié)合使用,您可以順利地從 ICE HVAC 系統(tǒng) 轉(zhuǎn)向混合動(dòng)力汽車/電動(dòng)汽車 HVAC 系統(tǒng)。
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