汽车空调PTC加热器控制器方案设计
冯雪丽;臧竞之
【摘 要】对适用于电动汽车的空调PTC加热器控制器方案进行设计,利用比较器进行闭环控制以此控制PTC发热器两端电压波动,采用PWM控制调温模式,CAN通讯控制方式,波特率500 K,通讯周期200 ms.首先单片机设定初始值,由硬件调整输出电压值,以达到PTC发热体温度平稳效果;随着温度变换,单片机采集实际温度和工作电流,通过比较器和寄存器,在过流或过温时关断单片机输出,保证安全;采用单片机控制,温度调节可以做到无级调节效果.
【期刊名称】《机电工程技术》
【年(卷),期】2018(047)012
【总页数】3页(P99-101)
【关键词】电动汽车;空调;PTC加热器;控制器;方案设计
【作 者】冯雪丽;臧竞之
【作者单位】杭州科技职业技术学院机电工程学院,浙江杭州 311402;杭州广安汽车电器有限公司,浙江杭州 311407
【正文语种】中 文
【中图分类】U463.85+1
0 引言
近年来,人民赖以生存的环境随着工业社会的发展进步,污染越来越严重。特别是空气的污染尤为严重[1],在众多的污染源中,汽车尾气的污染首屈一指,传统汽车节能减排要求越来越高,发展新型能源环保型汽车势在必行。在传统的汽车空调制热模式中,水暖制热最广泛,由于新能源汽车(比如电动汽车)没有发动机,所以就不能使用传统汽车空调制热方式,需要采用新的制热方式,故对新能源汽车空调的研究也迫在眉睫,因PTC热敏电阻是一种典型的具有正温度系数的半导体电阻,故PTC加热控制器是目前研究的热点之一。
目前,国内外关于PTC材料自适应热控的应用研究有很多,最常见于汽车及动力电池加热领域。Peng Qingfeng等[2]设计了在混合电动车电池热管理系统中使用PTC加热薄膜对磯酸铁
锂电池单体外面的钢壳进行加热,期望提高电池性能及节约整个电池系统的能源。Hasan Esen等[3]提出使用PTC加热器对混合动力汽车的客舱空气进行加热,但未给出具体实施方案。DanielBusse等[4]设计过使用PTC空气加热器以不同加热功率对汽车的乘客隔间进行加热。吴汝林[5]设计了一种可靠的PTC加热装置控制方法,主要应用于带PTC加热的风扇中,解决PTC乱摆、起火等问题,以提高冷暖型风扇的安全可靠性。林创辉等[6]对PTC电加热器在恒湿恒湿空调机上的应用进行了研究,主要研究了其安全性、可靠性、热量自动调节能力、制热速度、电源稳定性要求和使用寿命等方面。程文龙等[7]设计了以商用PTC电阻作为加热元件的开关温控实验系统,并进行了对比控温实验。目前,国内外关于PTC的温控方式大多都是采用单片机控制。
针对现有国内外研究现状,笔者设计了一款采用单片机控制、PWM控制调温模式、CAN通讯控制方式、温度调节可以做到无级调节效果的适用于电动汽车的空调PTC加热器控制器。
1 系统硬件电路设计
如图1所示为系统硬件电路框图,主要由电源电路、信号电路和控制电路3个部分组成。
图1 系统硬件电路框图
1.1 电源电路
(1)高低压隔离处理。为避免高低压电路串扰造成系统功能异常,高低压电路隔离主要采用3种隔离措施:采用变压器隔离。线路板开槽,短距离内采用空气隔离,提高耐压能力。光耦隔离,采用的是TLP185光耦。通过以上3种隔离措施,高低压串扰造成的功能异常可降低50%。
(2)CAN芯片低边供电。采用防短路保护、过温保护等功能的英飞凌电源专用芯片NCV4264。
(3)MCU和传感器供电。采用固定和可调电压、内部电流限制、过热保护等功能的单输出LDO TLV1117。
(4)开关电源IGBT。IGBT采用的是散热好耐大电流的K30T60A,并增加导热硅橡胶垫片及导热硅酯。耐高温!耐高压!切换速度快!冲击电流造成功能损坏可降低50%。
图2 温度传感器采集电路
1.2 信号电路
信号电路主要包括主电流检测、高压采集、IGBT管温采集、PTC温度传感器、进风出风温度、车舱内外温度等,其中温度传感器采集电路如图2所示。
1.3 控制电路
MCU选用的是工作温度范围广的芯片,超过一定温度芯片自动进入保护模式状态,极性温度下造成产品失效可降低50%。PTC控制单元选用的是具备过压、过流保护的集成芯片,过压及过流造成产品失效可降低50%。CAN通信,采用的是带隔离的CAN芯片TJA1052i/5,将总线和控制电路进行电气隔离,保证通信稳定可靠。
2 安全电路设计
2.1 安全性要求
电路中绝缘电阻要求大于50 MΩ,交流耐压值为AC1800/1Min,防水等级为IP6k7,采用高压互锁。
2.2 高低压保护
(1)高低压范围。额定高压为333 V,高压变化范围为200~400 V;额定低压为12 V,低压变化范围为9~16 V。
(2)高压保护。包括高压过电压保护和高压欠电压保护,如表1所示。
表1 高压过电压/欠电压保护判断判断 输出电压405 V/默认50 V 0.1 s 关闭0.2 s执行进入初始化状态,2 s后自动恢复到故障前状态
(3)低压保护。包括低压过电压保护和低压欠电压保护,如表2所示。
表2 低压过电压/欠电压保护电压 判断 输出 操作 恢复 判断>16.1 V/<8.9 V 0.1 s 关闭 无效 ≤15.9 V/≥9.1 V 0.2 s执行进入初始化状态,2 s后自动恢复到故障前状态
(4)PTC过温保护策略
如表3所示为PTC控制器的过温保护策略。当温度高于150℃时,PTC会降低功率直至停止工作,当温度低于100℃时,重新进入初始化状态,并自动恢复到故障前状态。
表3 PTC过温保护策略温度 判断 恢复 判断>150℃0.1 s输出降低功率至停止工作 <100℃0.
2 s执行进入初始化状态,2 s后自动恢复到故障前状态
(5)IGBT温度保护策略
IGBT采用的是K30T60A,耐高温、耐高压、切换速度快,采用温度保护策略,如表4所示。
表4 IGBT温度保护策略温度 判断 恢复 判断>95℃0.1 s输出发送IGBT过温故障 <90℃0.2 s执行进入初始化状态,2 s后自动恢复到故障前状态
3 系统程序流程设计
系统程序流程图如图3所示。PTC控制器程序按图3所示的逻辑关系进行编写,以对信号进行处理计算,故障检测与判断。
图3 系统程序流程图
4 PTC加热器控制
PTC加热是一套依靠电力对车内温度进行加热的装置,是一款省电节能,安全性能高的电加热器。
利用比较器进行闭环控制以控制PTC发热器两端电压波动,控制方案如下:
(1)PWM控制调温模式。
(2)单片机设定初始值,由硬件调整输出电压值,以达到PTC发热体温度平稳效果。
(3)随着温度变换,单片机采集实际温度和工作电流,通过比较器和寄存器,在过流或过温时关断单片机输出,保证安全。
(4)因采用单片机控制,温度调节可以做到无级调节效果。
控制方式为CAN通讯;波特率为500 K;通讯周期为200 ms。PWM占空比对应输出功率详细说明:默认5%以下不工作,防止信号线对地短路;95%以上不工作,防止信号线对电源短路;5%~90%=500 W~满功率,90%~95%=满功率。
5 结束语
该文设计了一套适用于电动汽车的空调PTC加热器控制器方案,分别从硬件电路、安全电路、软件系统等方面进行了设计,该方案可以使PTC发热体温度平稳,PTC温度调节做到无
级调节效果,省电节能,安全可靠。
参考文献:
【相关文献】
[1]杨君.纯电动汽车PTC水暖加热器结构设计及其控制系统研究[D].武汉:华中科技大学,2016.5.
[2] Peng Q F,Zhao H,Liu X W,et al,Battery thermal management system design and control strategy study for hybrid electric vehicles.Transportation Electrification Asia-Pacific(ITEC Asia-Pacific)[C].IEEE Conference and Expo,Aug.31-Sept.3,2014,Beijing.
[3]Esen H.Tashiro T,Bernardini D,et al.Cabin Heat Thermal Management in Hybird Vehicles using Model Predictive Control[C].22nd Mediterranean Conference on Control and Automation(MED) University of Palermo.June 16-19,2014.Palermo,Italy.
空调制热温度
[4] Busse D, Esch T,Muntaniol R.Thermal Management in E-Carsharing Vehicles-Preconditioning Concepts of Passenger Compartments[J].Part of the series Green Energy and Technology, 2015, Chapter E-Mobility in Eurppe:327-343.
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