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，那是因為電動汽車沒有像傳統燃油汽車那樣的內燃裝置，只能利用車載電能重新構筑熱源，高壓加熱器控制系統就是一款可以將電能轉化為熱能的裝置，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，從而產生熱量是電動汽車上普遍采用的采暖來源，該系統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，所以開發一套安全可靠的高壓加熱器控制系統具有十分重要意義。

1 加熱器控制系統原理介紹

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

從結構上來說，加熱器控制系統由加熱器芯體和驅動控制器組成，并采用汽車空調風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結構聯接的陶瓷片和外圍部件構成的發熱單元。驅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（功率場效應晶體管）等等^[2]。由于IGBT具有擊穿電壓高、開關損耗高的特點，MOSTFET具有熱穩定性好、高性價比的特點，因此IGBT一般應用于超高壓大功率和低頻控制，MOSTFET應用于中低功率和高頻控制。在控制器電路上，由控制單元產生控制信號，對功率器件的驅動芯片進行控制，再由驅動芯片控制功率器件。驅動芯片一般都帶有保護器件功能。加熱芯體內部帶有加熱陶瓷片，具有一定的阻值，當電流通過時產生熱量。根據實際的需要，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，單個功率器件設計在加熱回路的一邊，一旦閉合回路就導通，芯體產生熱量。這種方案控制最簡單，并且成本最低，但缺陷也是十分明顯。如果功率器件發生擊穿，將無法控制回路斷開，會導致車輛無法重新上電。

為了避免發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，芯體產生熱量，只有1個器件閉合時，無法導通。因此當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，不影響整個系統的功能，可以極大提高整個系統的可靠性。

3 功率控制方案

高壓加熱器接收來自網絡總線上主節點的控制信息，對加熱芯體執行功率控制。加熱器控制芯體的脈寬調制頻率為17Hz，脈寬調制是通過功率器件導通時間的改變，從而實現開關穩壓電源輸出的改變，它是控制單元通過輸出數字信號對模擬電路進行控制的一種常見的技術^[3]，脈寬調制輸出占空比范圍為0%～100%。為了防止高壓加熱器對整車產生過大的電流沖擊，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。可以根據脈寬調制的周期特性獲取電流值。每隔一個周期加權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制占空比，控制芯體加熱。在控制過程中，控制單元需要根據傳感器檢測到的電壓和電流值計算當前功率。如果當前功率與目標功率不相同，將根據加熱器的工作情況進行調節。

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各種故障狀態，此時需要根據不同的故障情況做相應的保護措施。一般我們可以通過合理的策略來實現保護。當高壓加熱器在自檢或運行過程中，產生某些故障時，則進入相應保護功能，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廠家自行定義，以便生產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。基本信息用來描述產品當前故障所處的位置。故障信息用來記錄加熱器在工作過程中發生的故障，存儲各故障狀態及故障下的系統狀態。故障信息的基本字段共12字節，可存儲20次故障信息。通過循環隊列的方式進行讀寫。

基本信息中主要包含上電次數、當前故障信息序號以及故障信息的校驗和等。上電次數從0開始，計數到1萬次，每次上電更新計數。當前故障信息序號用于標識當前最后一次記錄的故障所處的位置，序號范圍根據故障數量來定義。故障信息校驗和校驗故障信息字段的內容，每128個字節需要產生一個校驗和數據，保證存儲單元里面的數據不會被篡改。故障信息中包含當前次數、系統故障信息、傳感器故障信息及系統狀態。

4.2 降級處理機制

當發生某些故障的時候，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重的后果。

比如發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的電壓超過預定的最大值或者低于預定的最小值時，??控制電路上的電壓傳感器在一段時間內連續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節按一定比例和速率降低占空比，持續降低加熱芯體功率，完成降級處理，直到電壓恢復正常。當電壓恢復到正常值區間后，功率恢復控制以一定速率穩步增加，達到目標功率值。

4.3?干燒保護

高壓加熱器運行在汽車風箱系統內，當風機發生故障沒有風流過加熱器時，繼續加熱芯體，會導致發生風險。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。連續檢測到動作閥值后，控制功率器件降低功率，按當前控制值的50%進行控制，直到加熱芯體阻值恢復正常及芯體表面溫度恢復正常后重新恢復控制。功率恢復控制按照通訊總線上發送的數據，以周期性增長10%的速率，達到控制目標功率。

5 結語

本文介紹了電動汽車高壓加熱器的使用目的、控制功能和組成結構，特別對控制系統的電器架構框圖和控制原理做了比較詳細的說明。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定性，從而提高產品質

量。另外作為車內高壓部件，加熱器有非常嚴苛的可靠性要求，需要不間斷的檢測產品運行故障，發現影響產品正常工作的因素，并根據預設的策略進行故障處理。本文也從多年開發經驗中建議了發現產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，車載加熱器的應用范圍、實現方式及器件都發生了很大的改變，對于行業外的企業而言，技術難度和門檻較高。同時，電動汽車高續航要求的趨勢推動高壓加熱器重要性提高^[4]。高壓加熱器系統將直接影響到汽車安全、動力電池壽命和電動汽車的續航能力。因此，設計上只有不斷地創新，提出穩定可靠的產品，才能有機會一炮打響，進入整車廠的配套體系。

參考文獻

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[3] 胡湘娟.數模混合信號芯片的測試與可測性設計研究[D].湖南大學，?2008.

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