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ELECTRONIC ENGINEERING & PRODUCT WORLD 2021.3
设计应用
esign & Application
D
Design of PTC heater controller for air conditioning system of electric vehicle
王晓辉 （奇瑞新能源汽车股份有限公司，安徽 芜湖 241000）
摘 要：根据电动汽车空调系统PTC加热器特性设计控制器，采用PWM方式控制功率开关器件通断实现PTC 加热器功率的线性调节。控制电路在高压侧，选用反激电源为辅助电源，通讯电路选用隔离CAN电路。具备下电保持功能进行故障处理，过压、欠压和过流都具有硬件和软件双重保护功能。功率电路均分为两路，提高了功率器件的可靠性和减小瞬态冲击电流。通过整车搭载验证，在空调系统实现同等制热效果的条件下具备明显的节能效果。
关键词：电动汽车、空调系统、PTC加热器、控制器
0 引言
发展电动汽车是国家应对国际环境和能源危机的重要决策，我国大力发展电动汽车并取得显著技术成果，欧美各国从国家高度到企业层面，也已迅速调整发展战略，将汽车电动化作为未来的发展方向。
传统燃油车空调系统利用发动机热量制热，电动汽车电驱系统效率可以高达90%以上，损耗产生的热量远不足以供给空调系统制热，所以电动汽车空调系统制热使用PTC （正温度系数）加热器产生热量。目前比较普遍的方案是使用继电器控制PTC 加热器电源通断，通过风门开度控制冷热风的风量来控制温度，此类方案能源浪费较大。
采用PWM （脉宽调制）方式控制功率开关器件通断PTC 加热器电源，实现PTC 加热器输出功率的线性控制。本设计中PTC 加热器峰值功率5.2 kW ，输入电压范围260~410 V 。考虑开关器件的散热需求，将功率电路均分为两路2.6 kW 。考虑设计裕量，单路最大电流按10 A 设计，同时也有助于减小开关器件开通瞬间的峰值电流。
1 硬件设计
１．１ 硬件框图
总体硬件方案原理框图如图1所示。控制电路、驱
动和信号采样处理电路在高压侧，辅助电源、下电保持控制和CAN 通讯电路都为隔离电路，高低压电路之间满足AC 2 000 V rms 耐压1 min
绝缘要求。
图１ 硬件框图
１．２ 输入和下电保持电路
如图2所示，KL30为低压蓄电池12 V 常电，Z1吸收瞬态浪涌，D1和D6为防反接二极管，L1、C3和C4组成EMC 滤波器。整车上电后KL15为高电平，Q3和Q1导通，控制器被唤醒工作。整车下电后KL15为低电平，为保证控制器进行故障诊断处理，控制电路保持KL15-KEEP 信号为高电平，高低压之间通过隔离光耦进行信号传输，Q1仍然导通，程序处理完成KL15-KEEP 信号为低电平，Q1截止，控制器输入电源断开进入休眠，静态电流为微安级别。
作者简介：王晓辉，男，工程师，主要研究方向为新能源汽车车载电源。
电子产品世界
图２ 输入和下电保持电路
１．３ 辅助电源
辅助电源采用反激拓扑，选用汽车级芯片
LM3478Q-Q1。输入电压范围6~16V，主路输出电压
为5V，为控制电路供电。辅路输出为15V，为功率开
关器件提供栅极驱动电源。变压器磁芯选择EE13，绕
制参数如表1所示。
表１ 反激变压器绕制参数
１．４ 控制电路和ＣＡＮ通讯电路
控制芯片符合AEC-Q100标准，内置两个具备边
沿对齐功能的专用PWM信号输出模块，输出的PWM
信号作为驱动电路的输入。包括6路A/D采样，两路
PTC散热器电流采样，一路高压电压采样，三路温度
采样。CAN通讯电路选用TI公司的隔离型CAN芯片
ISO1050。
１．５ 驱动和功率电路
PWM
信号频率低，功率控制精度会较低，高频率
可以提高功率控制精度，但是同时也会增加功率器件的
开关损耗。PTC加热器本身的寄生电容导致开关管开通
瞬间会有很大的冲击电流。除了通过调节驱动电路控制
开关速度外，两路开关管不同时开通，可以减小开通瞬
态电流。
驱动芯片选用UCC27524A1-Q1，具有两个独立的
栅极驱动通道，ENA和ENB管脚拉低可以立即关断驱
动输出，进行电路保护（如图3）。
图３ 驱动和功率电路
１．６ 信号处理
高压通过分压电路和运放跟随电路处理后送至单片
机A/D管脚。电压低于260V或者高于410V，且持续
1s则关闭驱动信号，电压恢复到正常范围内则继续工
作。电流采样电阻电压信号经放大电路到单片机的A/D
管脚。
硬件过流保护电路如图4所示。正常工作时，V
IS1
＜Vref，比较器输出高电平。出现过流时V
IS1
＞Vref，
比较器输出变低电平，驱动芯片的ENA和ENB管脚被
拉低，停止输出驱动电压。同时控制芯片检测到低电平，
停止输出PWM信号并上报故障。
图４ 硬件过流保护电路
2 控制策略
控制策略如图5所示。控制器唤醒自检后进入待机
模式，接收到空调加热指令首先进行故障判断，如果检
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测到故障则进行保护，同时上传故障状态并储存故障码。如果无故障则根据驾驶室温度动态调节PWM 信号占空
比，开始阶段占空比采用逐步变大的软启动方案，最终保持车内温度恒定。
汽车加热器
图５ 控制策略流程图
3 测试波形和实物
PTC 加热器电流和功率器件Vce 电压如图6所示，上电瞬间冲击电流持续约10 μs 。
图6 开关管电压和冲击电流
图７ 控制器实物
4 整车验证
控制器搭载整车分别在环境温度0、-10、-15和-20 ℃下进行测试，空调制热温度设定32.5 ℃，自动制热策略为先开启5 min 大功率制热，之后降低功率
保温。车速80 km /h ，测试数据如表2。
表２ 控制器整车搭载测试数据
环境温度/℃
PTC 加热器功耗/(kW ·h )节能/(kW ·h )
前5 min 制热保温1 h 总功耗00.260.921.184.02-100.291.381.673.53-150.293.113.41.8-20
0.293.623.911.29
5 结论
PTC 加热器控制器可以实现整车空调系统制热功率的精确控制，在达到同等制热效果的条件下降低制热功耗，进而增加续航里程。同时可以将PTC 加热器工作状态上传至整车通讯网络并提供各种保护。
参考文献：
[1] 王兆安，刘进军.电力电子技术[M].5版.北京：机械工业出版社,
2009.
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