电动汽车设计暖通系统.docxVIP

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如何为混合动力汽车/电动汽车设计暖通系统

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作者：

ArunT.Vemuri德州仪器（TI）汽车车身电子装置和照明部总经理

KevinStauder德州仪器（TI）汽车车身电子装置和照明部系统工程师

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。

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。

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。

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。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）。

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。

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。

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