數十年來，內燃機（ICE）一直在為 汽車以及加熱和冷卻係統提供動力。 隨著汽車行業電氣化並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) 係統將如何工作？

 

我們將介紹 48V、400V 或 800V 混hun合he動dong力li汽qi車che和he電dian動dong汽qi車che中zhong的de新xin型xing加jia熱re和he冷leng卻que控kong製zhi模mo塊kuai。其qi中zhong
，您nin將jiang通tong過guo示shi例li和he係xi統tong圖tu了le解jie這zhe些xie模mo塊kuai中zhong獨du特te的de子zi係xi統tong

，最zui後hou我wo們men將jiang通tong過guo回hui顧gu這zhe些xie子zi係xi統tong的de功gong能neng解jie決jue方fang案an來lai幫bang助zhu您nin開kai始shi規gui劃hua實shi現xian。

 

內燃機在 HVAC 係統中的 工作方式

 

在配備 ICE 的車輛中，發動機是加熱 和冷卻係統的基礎。圖 1 說明了 這zhe一yi概gai念nian。在zai進jin行xing冷leng卻que時shi，來lai自zi風feng機ji的de空kong氣qi進jin入ru蒸zheng發fa器qi
，在zai那na裏li製zhi冷leng劑ji對dui空kong氣qi進jin行xing冷leng卻que。然ran後hou，由you發fa動dong機ji驅qu動dong的de空kong調tiao壓ya縮suo機ji壓ya縮suo離li開kai蒸zheng發fa器qi的de製zhi冷leng劑ji。類lei似si地di
，在zai對dui空kong氣qi進jin行xing加jia熱re時shi，由you發fa動dong機ji產chan生sheng的de熱re量liang被bei傳chuan遞di到dao冷leng卻que液ye。該gai熱re冷leng卻que液ye進jin入ru加jia熱re器qi芯xin
，加jia熱re器qi芯xin對dui將jiang吹chui入ru車che廂xiang的de空kong氣qi進jin行xing加jia熱re。通tong過guo這zhe種zhong方fang法fa
，發fa動dong機ji在zai車che廂xiang的de加jia熱re和he冷leng卻que中zhong起qi到dao基ji礎chu性xing作zuo用yong。

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，由於尺寸限製或不使用內燃機，需要引入兩個附加部件，這些組件在 HVAC 係統中起著關鍵作用，如圖 2 所示：

 

 

除這些部件之外，其餘的加熱和冷卻係統基礎設施與采用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製以及整個 HVAC 控製帶來了挑戰。

 

控製 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。空調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 控製模塊和 PTC 加熱器控製模塊的方框圖。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製 BLDC 電機和 PTC 加熱器的電源。 

 

圖 3 和 4 還說明了這兩個控製模塊的其餘子係統之間的相似性。兩個係統均包含一個電源子係統、一個柵極驅動器偏置電源
、微控製器 (MCU)、通信接口以及溫度和電流監控裝置。

 

這些控製模塊中使用的許多子係統（例如用於通信的收發器和用於電流測量的放大器）類lei似si於yu其qi他ta加jia熱re和he冷leng卻que控kong製zhi模mo塊kuai中zhong使shi用yong的de子zi係xi統tong。不bu過guo，電dian源yuan子zi係xi統tong和he柵zha極ji驅qu動dong器qi子zi係xi統tong是shi車che輛liang加jia熱re和he冷leng卻que係xi統tong中zhong的de這zhe些xie控kong製zhi模mo塊kuai所suo獨du有you的de。這zhe些xie子zi係xi統tong與yu低di壓ya域yu和he高gao壓ya域yu相xiang連lian接jie。

 

在(zai)本(ben)白(bai)皮(pi)書(shu)的(de)稍(shao)後(hou)部(bu)分(fen)，我(wo)們(men)將(jiang)討(tao)論(lun)用(yong)於(yu)這(zhe)些(xie)子(zi)係(xi)統(tong)的(de)電(dian)路(lu)拓(tuo)撲(pu)的(de)功(gong)能(neng)方(fang)框(kuang)圖(tu)。請(qing)注(zhu)意(yi)，電(dian)路(lu)拓(tuo)撲(pu)的(de)選(xuan)擇(ze)必(bi)須(xu)滿(man)足(zu)子(zi)係(xi)統(tong)功(gong)能(neng)以(yi)及(ji)係(xi)統(tong)設(she)計(ji)要(yao)求(qiu)，例(li)如(ru)效(xiao)率(lv)

、功率密度和電磁幹擾 (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，換向閥使製冷劑的流動反向。此外，係統中可能還有其他用於調節製冷劑流量的

 

閥。例如，使用步進電機來控製熱泵中的閥。

 

 

在基於熱泵的加熱和冷卻係統中
，使用以下類型的閥：

 

• 膨peng脹zhang閥fa，用yong於yu控kong製zhi製zhi冷leng劑ji流liu量liang。它ta們men有you助zhu於yu促cu進jin從cong冷leng凝ning裝zhuang置zhi中zhong的de高gao壓ya液ye態tai製zhi冷leng劑ji到dao蒸zheng發fa器qi中zhong的de低di壓ya氣qi態tai製zhi冷leng劑ji的de轉zhuan變bian。電dian子zi膨peng脹zhang閥fa通tong常chang受shou益yi於yu對dui負fu載zai變bian化hua的de更geng快kuai
、更準確的響應，並且能夠更精確地控製製冷劑流量
，尤其是在使用步進電機控製膨脹閥時。

 

• jiezhifahehuanxiangfa
，yongyugaibianzhilengjidefangxianghuolujing，congershixianfanxiangxunhuanbingzaijiarehelengquemoshixiashixianmouxieyuanjiandepanglu。luoxianguanqudongqihuoyoushuazhiliudianjidoukeyikongzhijiezhifahehuanxiangfa。

 

從圖 5 可ke以yi推tui斷duan出chu，熱re泵beng係xi統tong仍reng使shi用yong空kong調tiao壓ya縮suo機ji模mo塊kuai，這zhe已yi在zai上shang一yi節jie中zhong進jin行xing了le討tao論lun。此ci外wai
，熱re泵beng係xi統tong還hai使shi用yong電dian機ji驅qu動dong器qi模mo塊kuai來lai驅qu動dong閥fa。這zhe增zeng加jia了le驅qu動dong閥fa控kong製zhi製zhi冷leng劑ji流liu量liang的de額e外wai設she計ji挑tiao戰zhan。

 

圖 6 顯(xian)示(shi)了(le)用(yong)於(yu)驅(qu)動(dong)閥(fa)的(de)電(dian)機(ji)驅(qu)動(dong)器(qi)模(mo)塊(kuai)的(de)典(dian)型(xing)方(fang)框(kuang)圖(tu)。該(gai)方(fang)框(kuang)圖(tu)顯(xian)示(shi)了(le)一(yi)個(ge)步(bu)進(jin)電(dian)機(ji)驅(qu)動(dong)器(qi)。如(ru)果(guo)電(dian)機(ji)是(shi)有(you)刷(shua)直(zhi)流(liu)電(dian)機(ji)

，則(ze)在(zai)此(ci)方(fang)框(kuang)圖(tu)中(zhong)有(you)刷(shua)直(zhi)流(liu)電(dian)機(ji)驅(qu)動(dong)器(qi)將(jiang)代(dai)替(ti)步(bu)進(jin)電(dian)機(ji)驅(qu)動(dong)器(qi)。電(dian)機(ji)驅(qu)動(dong)器(qi)模(mo)塊(kuai)的(de)設(she)計(ji)要(yao)求(qiu)包(bao)括(kuo)功(gong)率(lv)密(mi)度(du)和(he) EMI。

 

 

HVAC 控製模塊

 

圖 7 是 HVAC 控製模塊的典型方框圖。HVAC 控製模塊控製高壓接觸器
，該高壓接觸器用於將高壓電池連接到 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製器、除霜加熱器、通信接口和電源子係統。

 

 

 

獨特的 HVAC 子係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係統中的其他控製模塊包括這些控製模塊特有的子係統 - 電源
、柵極驅動器和用於控製製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 加熱器控製模塊中這些子係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

 

對於混合動力汽車/電動汽車，有高耗電加熱和冷卻子係統，例如 BLDC 電機或 PTC 加熱器。但是模塊中的其餘子係統通常都是低功耗的
，例如 MCU、柵極驅動器、溫度傳感器和其餘電路。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。

 

 

在 48V 係統中，關鍵係統（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。加熱和冷卻子係統通常不需要該 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）的係統中，始終需要在 12V 側和高壓側之間進行隔離。不過，在 48V 車輛中
，答案不那麼直接。由於電壓低，因此車輛中的 12V 係統和 48V 係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（使係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係統的輸入端或輸出端。圖 8 顯示了位於係統輸入端的隔離柵，其中大多數係統元件都位於高壓側。在這種情況下，12V 電(dian)源(yuan)和(he)通(tong)信(xin)接(jie)口(kou)需(xu)要(yao)隔(ge)離(li)元(yuan)件(jian)。相(xiang)反(fan)，如(ru)果(guo)要(yao)將(jiang)隔(ge)離(li)柵(zha)放(fang)置(zhi)在(zai)係(xi)統(tong)的(de)輸(shu)出(chu)端(duan)，則(ze)大(da)多(duo)數(shu)電(dian)路(lu)元(yuan)件(jian)應(ying)位(wei)於(yu)低(di)壓(ya)側(ce)。在(zai)這(zhe)種(zhong)情(qing)況(kuang)下(xia)，該(gai)模(mo)塊(kuai)將(jiang)使(shi)用(yong)隔(ge)離(li)式(shi)柵(zha)極(ji)驅(qu)動(dong)器(qi)來(lai)驅(qu)動(dong)晶(jing)體(ti)管(guan)，如(ru)圖(tu) 9 所示。

 

 

 

適用於 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-Buck-Boost 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 後接一個低壓降 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），並且具有良好的性能。

 

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，由於驅動強度較低（< 500mA），因此三相橋式驅動器解決方案通常需要額外的緩衝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

；由於非理想 PCB 布局產生的寄生效應，會導致整個係統麵臨 EMI 風險並具有更大的傳播延，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並降低EMI 以提高係統效率，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。

 

 

 

從柵極驅動器的角度而言
，EMI 通常與柵極的過衝有關。圖10 所示的半橋柵極驅動器方法有助於去除多餘的元件並降低 PCB 布局的複 性，因為您可以將驅動器放置在非常靠近晶體管的位置，同時還將開關節點限製在最小範圍內。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(ke)以(yi)實(shi)現(xian)大(da)拉(la)電(dian)流(liu)和(he)灌(guan)電(dian)流(liu)。半(ban)橋(qiao)驅(qu)動(dong)器(qi)通(tong)常(chang)可(ke)實(shi)現(xian)互(hu)鎖(suo)和(he)死(si)區(qu)時(shi)間(jian)功(gong)能(neng)，防(fang)止(zhi)兩(liang)個(ge)輸(shu)出(chu)端(duan)同(tong)時(shi)導(dao)通(tong)並(bing)提(ti)供(gong)足(zu)夠(gou)的(de)裕(yu)度(du)來(lai)有(you)效(xiao)驅(qu)動(dong)晶(jing)體(ti)管(guan)，從(cong)而(er)防(fang)止(zhi)半(ban)橋(qiao)擊(ji)穿(chuan)。

 

步進電機驅動器 

 

如ru果guo步bu進jin電dian機ji驅qu動dong器qi驅qu動dong熱re泵beng係xi統tong中zhong的de閥fa，則ze步bu進jin電dian機ji驅qu動dong器qi應ying具ju有you的de一yi項xiang重zhong要yao功gong能neng是shi失shi速su檢jian測ce，也ye就jiu是shi驅qu動dong器qi電dian子zi設she備bei檢jian測ce到dao電dian機ji已yi停ting止zhi運yun轉zhuan（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製。由於電機線圈由脈寬調製 (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製和擴頻技術，以幫助降低 EMI。

 

總結

 

由於混合動力汽車/電動汽車中較高的電壓而引入的全新HVAC 控製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 Fly-Buck-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 係統 轉向混合動力汽車/電動汽車 HVAC 係統。