新能源汽車高壓PTC控制系統設計

中圖分類號：U463.6 文獻標識碼：A 文章編號：1003-8639（2025）08-0005-04

【Abstract】Thearticle designsa high-voltage PTC control system fornew energy vehicles.Its control circuit ison the high-voltage sideand isolates theCANcircuit from thecommunicationcircuitof thecontrol system.Thiscontrol systemhasapower-off holding function，whichcan beusedforPTCfaulthandling.Thecontrolsystem realizes overvoltage，undervoltage，andovercurentprotectionfunctionsthroughbothhardwareandsoftware.Thecontrolsystem divides thepower circuitintotwo，which improves thereliabilityofthepowerdevicewhilereducing thetransient inrush current.Verifiedbythe simulated vehicle test.

【Key words】 high-voltage PTC； controller； PWM control； CAN communication

0 引言

正溫度系數（Positive TemperatureCoefficient，PTC）加熱器是新能源汽車采暖系統的核心，行業內對PTC加熱器的功率控制，普遍采用繼電器擋位分級控制，當前控制方式既無法實現PTC加熱器功率的自動線性調節，又對能源供給消耗極大，使新能源汽車發展受到限制。開發一套能有效降低消耗的PTC控制系統，具有重要的意義。

1控制器設計方案簡介

本文設計的PTC控制系統采用高壓側單MCU方案，其中，電壓和電流的采樣在高壓側實現。針對獨立電流采樣，2路PTC分別采用一個 3mΩ 的采樣電阻進行采樣，信號處理借助差分放大電路來實現。如此設計能夠有效地降低外界及內部工作因素干擾，使采樣數據更為準確，通過分區功率控制和IGBT驅動電路，分別對2路PTC進行獨立控制，即使其中一路PTC出現開路故障，PTC依然能夠降額繼續工作，避免了功能失效的問題。

對于PTC功能驅動電路，控制系統從兩個方面展開研究： ① 設計控制電路并按照PCB四層板硬件設計進行布局，使控制系統滿足功能與安全需求； ② 基于PID算法的PWM功率線性調節，按照設定系統控制策略，實現加熱器功率的自動線性控制，以達成最佳的制熱效果以及穩定均勻地調節控制溫度。

2 硬件電路設計

2.1 電源電路設計

電源模塊由低壓電源回路（單片機等芯片的供電電路）和高壓PTC電源回路（IGBT驅動電路）組成。在設計電路中，需要將高壓回路和低壓回路分開。PTC加熱器需要提供高壓電源，此種電壓遠超人體安全界限，稍有疏忽將危及人體生命安全，因此必須增加過壓保護、欠壓保護和防反連接保護等措施。

低壓電源控制電路，提供給控制器所需的5V工作電源，包括TVS二極管等。TVS二極管對全車電源工作起到防反接保護的作用，控制器在正負極反向連接時不起作用，不會造成元件的損壞；當電源正負極連接無異常時，控制器可開始工作。

隔離電源電路如圖1所示，U2為隔離變壓器，為IGBT柵極驅動提供可靠的高壓電源，U3為穩壓芯片，為MCU提供穩定的5V電源，L4和輸人電容為前端

圖1隔離電源電路原理圖

EMC設計，L5、C12為電源后端EMC設計，U10為共模電感，與其他LC元件組成濾波網絡。

高壓電壓采集由硬件檢測，軟件實施監控和保護。采用電阻分壓網絡實現D19穩壓管對MCU的保護，共模電感L11和其他電容組成LC濾波網絡，實現高壓電源端的EMC匹配，過欠壓保護采用滯回控制方式，將滯回量設定為10V，以保證系統能穩定工作。

2.2 IGBT驅動電路設計

采用集成控制方式 + 兩路IGBT單獨控制的方式。U9為IGBT驅動芯片，對兩路IGBT單獨進行控制，R58、R59為驅動柵極電阻，R57、R60為下拉電阻，D4和D5保證了IGBT上G端TVS管電壓不會超過IGBT的擊穿電壓，圖2是IGBT的驅動電路原理圖。IGBT會在輸入的PWM信號為高電平、驅動芯片輸出高電平和NPN導通的情況下開始發揮作用。IGBT在輸入的PWM信號為低電平、驅動芯片輸出低電平、PNP導通的情況下停止工作。

2.3 CAN總線通信電路設計

圖3為CAN總線通信電路原理圖，其中C17、C18為EMC匹配電容，D3為ESD保護器件，L3為共模電感，可以提高通信抗干擾能力，R3、R4為CAN網絡預留終端電阻。

圖2IGBT驅動電路原理圖

圖3CAN總線通信電路原理圖

3軟件控制策略

本設計的軟件控制策略采用PID算法。PID算法的原理非常簡單且運行平穩，包括三種調控機制：比例、積分、微分。

比例調整是PID控制算法中輸入量誤差值與輸出量成固定比例關系的一種最暴力的調整方式。它能使計量盡可能趨近目標值。

微分控制機制中輸出量與輸人量誤差值的微分成正比例關系，可對系統檢測量的變化幅度進行調整，以減少慣性作用。

積分控制機制是一種輸入量誤差值調控方式，可以消除穩態誤差，其積分值和輸出量成正比。通過比例控制和微分控制，控制系統將達成一種動態的平衡，但是此時的值與目標值存在一定的誤差，被稱為穩態誤差。控制系統處于穩態且有穩態誤差的情況下，積分調節部分將繼續在調控系統中起作用。

式（1）為PID算法公式，但數學公式不能被機器識別，需要通過離散化轉變成直接輸入計算機就能進行數學運算的形式。

式（2）是一種通過轉變可以被計算機識別的離散化公式，也稱為位置式PID計算公式。

本次設計控制系統采用增量式PID算法，是一種比較常用的形式：

Δu（k）=K_p（e（k）-e（k-1））+K_ie（k）+K_d（e（k）-2e（k-1））+K_pe（k）+1 1）+e（k-2） ） （3）

3.1整體軟件控制策略

控制策略基于S32DS開發平臺，采用C語言進行軟件開發。接通低壓回路后，控制芯片首先初始化。在此期間，將會對CAN總線的電壓、電流及溫度傳感器信號進行采樣檢測，如果采樣信號沒有異常，則控制器完成初始化，等待接收來自母線的高壓輸入信號。若接收到母線傳來的高壓輸入信號，則開始驅動IGBT進行自檢，若自檢無異常，控制器完成自檢，此時PTC控制器開始接收后續控制指令。工作過程中實時采集并判斷當前工作狀態，通過總線進行上傳。

3.2 溫度控制策略

溫度控制通過三級控溫設計實現。控制系統將會預先設定上限目標溫度和下限目標溫度。PTC的工作過程如下：第一步，當前溫度低于目標溫度下限，此時PTC為全功率運轉；第二步，當前溫度處于下限目標溫度和上限目標溫度之間，此時IGBT將斷開其中一路，只保留一路PTC進行加熱；第三步，開啟PID調節，系統溫度值將圍繞上限目標溫度值上下振蕩，直至收斂，收斂時要求當前溫度與上限目標溫度差值lt;1^°C ○

PID算法的實現過程：控制信號輸出形式為PWM波，通過調節占空比對溫度進行調節。PWM輸出信號的周期為 4ms ，通過高電平維持時間（high_time）和低電平維持時間（low_time）實現占空比調節。在每40μs 產生中斷和計數的同時，控制系統將high_time、low_time進行了計值比較，從而實現精確的占空比輸出。當溫度值向上限目標溫度收斂時，會出現如下情況：當前溫度高于上限目標溫度或低于下限目標溫度。PWM控制策略在不同的情況下，剛好是反向的。本文僅對溫度 lt; 設定目標溫度的情況進行說明。當前溫度與上限目標溫度的差值在 1^°C 以內時，控制系統將采集到的溫度值按每10次為一個周期（ 投人PID模型，并將最終輸出結果ROUT視為PID增量修正值，同時作為高電平保持時間。將100-ROUT視為低電平保持時間，這樣PID算法對數值的調節就成功轉化為PWM波形。

4控制器試驗驗證

4.1 測試驗證

CAN通信電路中，通過CAN控制模塊完成整車與PTC加熱器間的信息交換，借助外接CANoe進行報文內容的驗證，整車控制器發送ID及報文信息，PTC控制模塊接收ID及報文數據且接收信息正確。如表1～表3所示。

在IGBT驅動電路中，主要驗證接收PWM信號后，IGBT驅動電路輸出的工作電壓及過欠壓、過流等保護功能。輸入頻率 100Hz 占空比 50% 的PWM信號，此時可以測量驅動電路的輸出電壓。當PWM信號低電平輸出有效時，IGBT導通，為PTC加熱芯片提供高壓供電，反之，IGBT截止。

表1高壓電壓采集

表2高壓電流采集

表3控制信號PWM測試

圖4臺架試驗

圖5工作對比曲線

5總結

作為傳統燃油空調采暖系統中暖風散熱片的替代產品，PTC空氣加熱器的工作核心是控制系統，不但要對全車的空調系統溫度進行精確的控制，更重要的是要將PTC的工作狀態上傳到全車的通信網絡中，并提供各種保護，設計出一款滿足要求的控制系統必不可少。本次控制系統的研究達到了預期的目的，但PTC控制系統作為一個不斷發展的技術，其設計指標要求會隨著行業的發展而不斷提高，還需要進一步完善對PTC控制方式的研究，以符合行業發展要求。

4.2 臺架試驗

臺架試驗搭建如圖4所示。系統通電，首先接入低壓電源供電，之后接入高壓電源供電，控制PTC加熱器控制器開始工作。通過CANoe模擬輸入整車設定溫度信號和車內溫度信號，依據采集到的車內溫度信號與設定目標溫度信號的差值，控制模塊輸出并自動調節PWM信號的占空比，通過與傳統擋位控制方式出風口溫度的試驗數據對比，驗證了控制模塊線性調控，溫度緩慢均勻上升的優越性，如圖5所示。

參考文獻

[1]馮雪麗.汽車空調PTC加熱器控制器方案設計[J].機電工程技術，2018（12）：99-101.

[2]黃馳.基于余熱型熱泵空調的純電動車整車熱管理研究[D].重慶：重慶理工大學，2023.

[3]何通武.汽車空調高壓PTC開發的主要問題及對策[J].中國新技術新產品，2021（8）：65-67.

[4]國鐵楓.電動汽車用PTC水暖加熱系統[D].武漢：華中科技大學，2018.

（編輯楊凱麟）