作者：
德州仪器汽车车身电子设备和照明部总经理阿伦特维穆里
凯文斯陶德，德州仪器汽车车身电子和照明部门系统工程师
几十年来，内燃机一直为汽车以及加热和冷却系统提供动力。随着汽车行业的电气化，向小型内燃机混合动力汽车或完全没有发动机的全电动汽车过渡，暖通空调系统将如何工作？
在本白皮书中，我们将在48V、400V或800V混合动力汽车和电动汽车中引入新的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，我们将回顾这些子系统的功能解决方案，以帮助您开始规划和实施。内燃机在暖通空调系统中的工作模式在装有内燃机的车辆中，发动机是加热和冷却系统的基础。图1说明了这个概念。
图1。发动机在内燃机汽车的加热和冷却系统中起着重要的作用。
冷却时，来自风扇的空气进入蒸发器，制冷剂在蒸发器中冷却空气。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，当空气被加热时，发动机产生的热量被传递给冷却剂。这种热的冷却剂进入加热器芯，加热器芯加热要吹入舱室的空气。这样，发动机对汽车的加热和冷却起着基础性的作用。
混合动力汽车和电动汽车的加热和冷却方法在混合动力汽车/电动汽车中，由于尺寸限制或没有内燃机，有必要引入两个额外的部件，它们在暖通空调系统中起着关键作用，如图2所示：
1.无刷DC (BLDC)电机是一种DC电机，旋转空调压缩机而不是发动机。2.正温度系数(PTC)加热器或热泵代替发动机加热冷却液。
除了这些部件，其余的加热和冷却系统基础设施与使用内燃机的车辆相同。如前所述，在没有发动机的情况下，必须使用BLDC电机和PTC加热器或热泵，这分别给功耗、电机和电阻加热器控制以及整体暖通空调控制带来了挑战。控制BLDC电机和正温度系数加热器的电子装置在高压混合动力汽车/电动汽车中，BLDC电机和正温度系数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加热器可能消耗高达5kW的功率。图3和4分别是BLDC控制模块和正温度系数加热器控制模块的框图。两个框图都显示空调压缩机的BLDC电机和正温度系数加热器由高压电池供电。此外，这些模块都使用绝缘栅双极晶体管(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和图4还示出了两个控制模块的其余子系统之间的相似性。这两个系统都包括电源子系统、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设备。这些控制模块中使用的许多子系统，如通信收发器和电流测量放大器，与其他加热和冷却控制模块中使用的子系统相似。然而，在车辆加热和冷却系统中，电源子系统和门控驱动器子系统是这些控制模块独有的。这些子系统与低压域和高压域相连。在本白皮书的后面，我们将讨论这些子系统的电路拓扑功能框图。请注意，电路拓扑的选择必须满足子系统功能和系统设计要求，如效率、功率密度和电磁干扰(EMI)。
在热泵，使用大功率正温度系数加热器加热汽车的另一种方法是使用冷却回路作为热泵，如图5所示。在这种模式下，换向阀使制冷剂反向流动。此外，系统中可能还有其他阀门用于调节制冷剂流量。例如，步进电机用于控制热泵中的阀门。
在基于热泵的加热和冷却系统中，使用以下类型的阀门：
控制制冷剂流量的膨胀阀。它们有助于促进冷凝装置中的高压液态制冷剂向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和更准确的响应，并且可以更准确地控制制冷剂流量，特别是当步进电机用于控制膨胀阀时。
截止阀和换向阀用于改变制冷剂的方向或路径，从而实现逆循环，在制热和制冷模式下绕过一些元件。螺线管驱动器或刷DC电机可以控制截止阀和换向阀。
从图5可以推断，热泵系统仍然使用空调压缩机模块，这在前面部分已经讨论过。此外，热泵系统还使用电机驱动模块来驱动阀门。这增加了驱动阀门控制制冷剂流量的额外设计挑战。
图6示出了用于驱动阀门的电机驱动器模块的典型框图。框图显示了一个步进电机驱动器。如果电机是有刷DC电机，有刷DC电机驱动器将取代该框图中的步进电机驱动器。电机驱动模块的设计要求包括功率密度和电磁干扰。
HVAC 控制模块
图7是暖通空调控制模块的典型框图。暖风、通风与空调系统控制模块控制一个高压接触器，用于连接和断开高压蓄电池至BLDC电机和正温度系数加热器。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。
高压电池的加热和冷却说明：
根据环境温度，可能需要加热或冷却高压电池。这可以通过加热和冷却汽车的同一系统来实现。也可以使用单独的加热器来加热流入电池的冷却剂。虽然冷却剂用于在低温下加热电池，但它也可以从电池中吸收热量，并将热量传导到热交换器，以加热隔间中的空气。在这种类型的系统中，步进电机将控制额外的阀门，这将使冷却剂通过电池和热交换器中的管道。
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/电动汽车的新加热和冷却系统中的其他控制模块包括这些控制模块的特殊子系统-电源、门驱动器和用于控制制冷剂流量的步进电机阀驱动器。在这一部分中，我们将讨论高压空调压缩机和PTC加热器控制模块中这些子系统电路拓扑的典型功能框图。这些拓扑必须应对混合动力/电动汽车的独特挑战(包括屏障和电磁干扰)，这将在以下章节中讨论。
电源
对于混合动力电动汽车/电动汽车，有高功耗的加热和冷却子系统，如BLDC电机或PTC加热器。而模块中的其他子系统通常功耗较低，如MCU、栅极驱动器、温度传感器等电路。典型的方法是通过可用的较高电压(800伏、400伏或480伏)直接向需要高功耗的负载供电，并通过12V电压轨向板上的电路供电，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型圈。加热和冷却子系统一般不需要这个O型圈。
图8还示出了隔离栅。在高压(如800伏和400伏)系统中，总是需要在12V侧和高压侧之间进行隔离。但是，在48V车型中，答案并没有那么直接。由于电压较低，车辆中的12V系统和48V系统之间可能不需要电气隔离。在实践中，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被用作电击保护的隔离)。隔离门可以放置在系统的输入或输出端。图8显示了系统输入端的隔离栅，其中大多数系统元件位于高压侧。在这种情况下，12V电源和通信接口需要隔离组件。相反，如果隔离栅要放置在系统的输出端，大多数电路元件应该位于低压侧。在这种情况下，模块将使用隔离栅极驱动器来驱动晶体管，如图9所示。
暖通空调压缩机的汽车高压大功率电机驱动器的参考设计显示了使用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，为微控制器、运算放大器和所有其他逻辑组件提供3.3v电压(5.5v后为低电压降)。这种方法相对简单紧凑(使用单个转换器和变压器产生两个电压)，性能良好。
栅极驱动器
您可以使用三相桥式驱动器集成电路(IC)来驱动逆变器级的晶体管。然而，由于驱动强度低(“500毫安”)，三相桥式驱动器解决方案通常需要额外的缓冲器来充当电流升压器。这意味着需要额外的组件，这将转化为额外的成本；印刷电路板(PCB)的尺寸会增大；非理想PCB布局导致的寄生效应会导致整个系统面临EMI风险，传播延迟更大，导致性能下降。为了帮助最小化晶体管的开关损耗并降低电磁干扰以提高系统效率，使用半桥栅极驱动器(如UCC27712-Q1)来驱动逆变器级的每相，如图10所示。
从栅极驱动器的角度来看，EMI通常与栅极过冲有关。图10所示的半桥栅极驱动器的方法有助于去除冗余元件并降低印刷电路板布局的复杂性，因为您可以将驱动器放置在非常靠近晶体管的位置，同时将开关节点限制在最小。这些操作将减少电磁干扰的挑战。此外，半桥栅极驱动器不需要使用外部升压级来放大栅极驱动电流，因为集成电路可以实现大的拉电流和吸电流。半桥驱动器通常可以实现互锁和死区功能，防止两个输出端同时导通，并提供足够的裕量来有效驱动晶体管，从而防止半桥击穿。
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门，那么步进电机驱动器的一个重要功能就是失速检测，即驱动器电子装置检测到电机已经停止运行(因为碰到了机械块，特别是电机在轻微步进的时候)。微步进可以实现非常精确的阀门位置控制。由于电机线圈由脉宽调制信号驱动，电磁干扰确实成为一个问题。步进电机驱动器还必须能够驱动负载扭矩。DRV8889-Q1等元件集成了电机电流检测和高级电路，有助于检测微步进过程中的失速。DRV8889-Q1还包括可编程压摆率控制和扩频技术，以帮助减少电磁干扰。
总结
由于混合动力/电动汽车中较高的电压而引入的新的暖通空调控制模块带来了新的挑战，例如电源隔离、电磁干扰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相结合，您可以从ICE暖风、通风与空调系统平稳地切换到混合动力/电动汽车暖风、通风与空调系统。