基于雙邊雙路控制的一種新型電動汽車 高壓加熱器

鄧盈

摘 要：針對現(xiàn)有電動汽車高壓加熱器的缺陷，文章對其控制方式進行了改進，設(shè)計了一種采用功率模塊高低雙邊雙路控制、具有一定故障保護策略的加熱控制器，提高了控制性能和可靠性。

關(guān)鍵詞：電動汽車;高壓控制器;控制方式

中圖分類號：U463.6 ?文獻標(biāo)識碼：A ?文章編號：1671-7988（2020）10-32-03

A new type of electric vehicle high voltage heater based on double sideand two way control^*

Deng Ying

（ School of Construction Engineering， Fuzhou Polytechic， Fujian Fuzhou?350108?）

Abstract：?In view of the defects of the existing electric vehicle high voltage heater， this paper improves its control mode， designs a kind of heating controller which adopts high and low double-sided two-way control of power module with certain failure protection strategy， and improves the control performance and reliability.Keywords： Electric vehicle;?High voltage controller;?Control modeCLC NO.： U463.6 ?Document Code： A ?Article ID： 1671-7988（2020）10-32-03

前言

所有的新能源電動汽車基本都配備有汽車高壓加熱器控制系統(tǒng)，那是因為電動汽車沒有像傳統(tǒng)燃油汽車那樣的內(nèi)燃裝置，只能利用車載電能重新構(gòu)筑熱源，高壓加熱器控制系統(tǒng)就是一款可以將電能轉(zhuǎn)化為熱能的裝置，用于獨立制熱、取暖、除霜和電池加熱等。

目前使用高壓加熱器來加熱芯體，從而產(chǎn)生熱量是電動汽車上普遍采用的采暖來源，該系統(tǒng)對電動汽車動力電池的消耗極大，而且如果控制方式不可靠的話，會導(dǎo)致功率器件失效，車輛保險絲拉斷，甚至是車子趴窩，所以開發(fā)一套安全可靠的高壓加熱器控制系統(tǒng)具有十分重要意義。

1 加熱器控制系統(tǒng)原理介紹

加熱器控制系統(tǒng)是用于新能源汽車沒有發(fā)動機制熱的空調(diào)箱總成中，以正溫度系數(shù)陶瓷芯片作為發(fā)熱元件，通以直流高壓電流而產(chǎn)生熱的加熱器。一般來說，加熱器使用網(wǎng)絡(luò)總線為請求信息，低壓控制高壓進行脈寬調(diào)制輸出，可以0-5500瓦之間功率調(diào)節(jié)控制。在熱量需求低的時候可以使用低功率請求，精確使用能源，更加節(jié)能。

從結(jié)構(gòu)上來說，加熱器控制系統(tǒng)由加熱器芯體和驅(qū)動控制器組成，并采用汽車空調(diào)風(fēng)機使空氣流動加熱的裝置^[1]。加熱器芯體是由多片采用并聯(lián)結(jié)構(gòu)聯(lián)接的陶瓷片和外圍部件構(gòu)成的發(fā)熱單元。驅(qū)動控制器是由外界控制信號接口電路、加熱器芯體控制電路、功率驅(qū)動電路和保護電路組成，與電動車主電源連接，控制直流電源和加熱器芯體直接能量傳輸和轉(zhuǎn)換的裝置。

2 雙路雙邊控制方式

在電動汽車高壓加熱控制系統(tǒng)中，一般采用功率器件進行通路控制，如IGBT（絕緣柵雙極晶體管）、MOSTFET（功率場效應(yīng)晶體管）等等^[2]。由于IGBT具有擊穿電壓高、開關(guān)損耗高的特點，MOSTFET具有熱穩(wěn)定性好、高性價比的特點，因此IGBT一般應(yīng)用于超高壓大功率和低頻控制，MOSTFET應(yīng)用于中低功率和高頻控制。在控制器電路上，由控制單元產(chǎn)生控制信號，對功率器件的驅(qū)動芯片進行控制，再由驅(qū)動芯片控制功率器件。驅(qū)動芯片一般都帶有保護器件功能。加熱芯體內(nèi)部帶有加熱陶瓷片，具有一定的阻值，當(dāng)電流通過時產(chǎn)生熱量。根據(jù)實際的需要，一般是1條回路或者2條回路。如果用1個功率器件控制1條回路，我們稱之為單路單邊控制;用2個功率器件控制1條回路，稱之為單路雙邊控制;同理，如果芯體帶有2條回路，每條回路都是單路雙邊控制，那這個系統(tǒng)就是雙路雙邊控制。

最簡單的控制方式就是單路單邊控制，單個功率器件設(shè)計在加熱回路的一邊，一旦閉合回路就導(dǎo)通，芯體產(chǎn)生熱量。這種方案控制最簡單，并且成本最低，但缺陷也是十分明顯。如果功率器件發(fā)生擊穿，將無法控制回路斷開，會導(dǎo)致車輛無法重新上電。

為了避免發(fā)生上述單路單邊控制的問題，改進方案為采用單路雙邊控制，兩個功率器件設(shè)計在加熱回路的兩邊，兩個器件同時閉合時，電流流過，芯體產(chǎn)生熱量，只有1個器件閉合時，無法導(dǎo)通。因此當(dāng)其中一個功率器件擊穿時，可以及時控制另外一個器件斷開，保證回路安全。這種方案也有一個弊端就是，當(dāng)斷開加熱回路，整個加熱器無法工作，功能失效，對于用戶來說是不能接受的。

本文設(shè)計的一種新型加熱器，采用雙邊雙路控制，一共用4個功率器件，分別置于兩條回路的兩端，任意一個功率器件發(fā)生擊穿，都可以控制這路的斷開，并且另外一路可以正常工作，不影響整個系統(tǒng)的功能，可以極大提高整個系統(tǒng)的可靠性。

3 功率控制方案

高壓加熱器接收來自網(wǎng)絡(luò)總線上主節(jié)點的控制信息，對加熱芯體執(zhí)行功率控制。加熱器控制芯體的脈寬調(diào)制頻率為17Hz，脈寬調(diào)制是通過功率器件導(dǎo)通時間的改變，從而實現(xiàn)開關(guān)穩(wěn)壓電源輸出的改變，它是控制單元通過輸出數(shù)字信號對模擬電路進行控制的一種常見的技術(shù)^[3]，脈寬調(diào)制輸出占空比范圍為0%～100%。為了防止高壓加熱器對整車產(chǎn)生過大的電流沖擊，加熱器功率控制使用爬升限制，功率上升和下降使用不同的速率。兩路功率器件采用中間錯峰方式進行控制。

高壓加熱器的工作功率通過采集高壓電的電壓值和加熱芯體的工作電流來計算。功率計算公式如下：

P=V*AVG（A）?????????????????????????????????（1）

上式中，P為功率;V是高壓電輸入電壓;A為峰值電流;AVG（A）為平均電流，AVG（A）=A*PWM 占空比。為了比較準(zhǔn)確的獲取到峰值電流。我們需要通過特定算法來計算峰值電流?？梢愿鶕?jù)脈寬調(diào)制的周期特性獲取電流值。每隔一個周期加權(quán)平均后確定一個電流值。

高壓控制器在接收到更大功率要求時，按照每隔一段周期增長脈寬調(diào)制占空比，控制芯體加熱。在接收到功率降低要求時，按照每隔一段周期減少脈寬調(diào)制占空比，控制芯體加熱。在控制過程中，控制單元需要根據(jù)傳感器檢測到的電壓和電流值計算當(dāng)前功率。如果當(dāng)前功率與目標(biāo)功率不相同，將根據(jù)加熱器的工作情況進行調(diào)節(jié)。

4 保護功能

4.1 故障處理機制

高壓加熱器在工作過程中可能會出現(xiàn)各種故障狀態(tài)，此時需要根據(jù)不同的故障情況做相應(yīng)的保護措施。一般我們可以通過合理的策略來實現(xiàn)保護。當(dāng)高壓加熱器在自檢或運行過程中，產(chǎn)生某些故障時，則進入相應(yīng)保護功能，并記錄故障信息在中央處理器的存儲單元上，存儲地址范圍由生產(chǎn)廠家自行定義，以便生產(chǎn)廠家和汽車維修點可以通過診斷儀來判斷故障。

我們將故障信息存儲在故障信息列表中，表包含兩個部分信息：基本信息和故障信息?；拘畔⒂脕砻枋霎a(chǎn)品當(dāng)前故障所處的位置。故障信息用來記錄加熱器在工作過程中發(fā)生的故障，存儲各故障狀態(tài)及故障下的系統(tǒng)狀態(tài)。故障信息的基本字段共12字節(jié)，可存儲20次故障信息。通過循環(huán)隊列的方式進行讀寫。

基本信息中主要包含上電次數(shù)、當(dāng)前故障信息序號以及故障信息的校驗和等。上電次數(shù)從0開始，計數(shù)到1萬次，每次上電更新計數(shù)。當(dāng)前故障信息序號用于標(biāo)識當(dāng)前最后一次記錄的故障所處的位置，序號范圍根據(jù)故障數(shù)量來定義。故障信息校驗和校驗故障信息字段的內(nèi)容，每128個字節(jié)需要產(chǎn)生一個校驗和數(shù)據(jù)，保證存儲單元里面的數(shù)據(jù)不會被篡改。故障信息中包含當(dāng)前次數(shù)、系統(tǒng)故障信息、傳感器故障信息及系統(tǒng)狀態(tài)。

4.2 降級處理機制

當(dāng)發(fā)生某些故障的時候，可以進行降級處理，使電路處于受控及安全運行狀態(tài)的一種保護方式。既可以避免喪失功能，又可以防止故障造成更加嚴(yán)重的后果。

比如發(fā)生高壓過壓或欠壓故障，這種故障是指通過汽車動力電池輸入給加熱控制器的高壓電路側(cè)的電壓超過預(yù)定的最大值或者低于預(yù)定的最小值時，??控制電路上的電壓傳感器在一段時間內(nèi)連續(xù)檢測到超過峰值電壓或者低于極端最低電壓，這時控制單元通過脈寬調(diào)節(jié)按一定比例和速率降低占空比，持續(xù)降低加熱芯體功率，完成降級處理，直到電壓恢復(fù)正常。當(dāng)電壓恢復(fù)到正常值區(qū)間后，功率恢復(fù)控制以一定速率穩(wěn)步增加，達(dá)到目標(biāo)功率值。

4.3?干燒保護

高壓加熱器運行在汽車風(fēng)箱系統(tǒng)內(nèi)，當(dāng)風(fēng)機發(fā)生故障沒有風(fēng)流過加熱器時，繼續(xù)加熱芯體，會導(dǎo)致發(fā)生風(fēng)險。因此軟件需要判定通過檢測陶瓷加熱芯體阻值和陶瓷加熱芯體表面溫度，識別加熱器是否處于干燒狀態(tài)。連續(xù)檢測到動作閥值后，控制功率器件降低功率，按當(dāng)前控制值的50%進行控制，直到加熱芯體阻值恢復(fù)正常及芯體表面溫度恢復(fù)正常后重新恢復(fù)控制。功率恢復(fù)控制按照通訊總線上發(fā)送的數(shù)據(jù)，以周期性增長10%的速率，達(dá)到控制目標(biāo)功率。

5 結(jié)語

本文介紹了電動汽車高壓加熱器的使用目的、控制功能和組成結(jié)構(gòu)，特別對控制系統(tǒng)的電器架構(gòu)框圖和控制原理做了比較詳細(xì)的說明。對比了兩種加熱器功率器件的特性和性能，對用戶使用有一定的指導(dǎo)意義。對目前市面上使用較多的單路雙邊和雙路單邊控制方式做了改進，提出了雙路雙邊的控制方式，可以有效的提高控制穩(wěn)定性，從而提高產(chǎn)品質(zhì)

量。另外作為車內(nèi)高壓部件，加熱器有非常嚴(yán)苛的可靠性要求，需要不間斷的檢測產(chǎn)品運行故障，發(fā)現(xiàn)影響產(chǎn)品正常工作的因素，并根據(jù)預(yù)設(shè)的策略進行故障處理。本文也從多年開發(fā)經(jīng)驗中建議了發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品故障時的解決措施，控制電路和控制算法要采取合理的糾偏措施和降級方案，確保系統(tǒng)不能影響整車的運行。

總之，隨著電動汽車的逐步普及，車載加熱器的應(yīng)用范圍、實現(xiàn)方式及器件都發(fā)生了很大的改變，對于行業(yè)外的企業(yè)而言，技術(shù)難度和門檻較高。同時，電動汽車高續(xù)航要求的趨勢推動高壓加熱器重要性提高^[4]。高壓加熱器系統(tǒng)將直接影響到汽車安全、動力電池壽命和電動汽車的續(xù)航能力。因此，設(shè)計上只有不斷地創(chuàng)新，提出穩(wěn)定可靠的產(chǎn)品，才能有機會一炮打響，進入整車廠的配套體系。

參考文獻

[1] 季明干.電動壓縮機選型設(shè)計與試驗[J].上海汽車，2010（09）：39-43.

[2] 時金林.高功率因數(shù)軟開關(guān)藍(lán)寶石晶體爐直流電源研究[D].江南大學(xué)，2013.

[3] 胡湘娟.數(shù)?；旌闲盘栃酒臏y試與可測性設(shè)計研究[D].湖南大學(xué)，?2008.

[4] 王亞楠，李世杰.我國電動汽車的充電設(shè)施建設(shè)與維修的幾點思考[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2017（04）：139.