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
杭州汽车【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.
［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.