基于双边双路控制的一种新型电动汽车 高压加热器

邓盈

摘 要：针对现有电动汽车高压加热器的缺陷，文章对其控制方式进行了改进，设计了一种采用功率模块高低双边双路控制、具有一定故障保护策略的加热控制器，提高了控制性能和可靠性。

关键词：电动汽车;高压控制器;控制方式

中图分类号：U463.6  文献标识码：A  文章编号：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

所有的新能源電动汽车基本都配备有汽车高压加热器控制系统，那是因为电动汽车没有像传统燃油汽车那样的内燃装置，只能利用车载电能重新构筑热源，高压加热器控制系统就是一款可以将电能转化为热能的装置，用于独立制热、取暖、除霜和电池加热等。

目前使用高压加热器来加热芯体，从而产生热量是电动汽车上普遍采用的采暖来源，该系统对电动汽车动力电池的消耗极大，而且如果控制方式不可靠的话，会导致功率器件失效，车辆保险丝拉断，甚至是车子趴窝，所以开发一套安全可靠的高压加热器控制系统具有十分重要意义。

1 加热器控制系统原理介绍

加热器控制系统是用于新能源汽车没有发动机制热的空调箱总成中，以正温度系数陶瓷芯片作为发热元件，通以直流高压电流而产生热的加热器。一般来说，加热器使用网络总线为请求信息，低压控制高压进行脉宽调制输出，可以0-5500瓦之间功率调节控制。在热量需求低的时候可以使用低功率请求，精确使用能源，更加节能。

从结构上来说，加热器控制系统由加热器芯体和驱动控制器组成，并采用汽车空调风机使空气流动加热的装置^[1]。加热器芯体是由多片采用并联结构联接的陶瓷片和外围部件构成的发热单元。驱动控制器是由外界控制信号接口电路、加热器芯体控制电路、功率驱动电路和保护电路组成，与电动车主电源连接，控制直流电源和加热器芯体直接能量传输和转换的装置。

2 双路双边控制方式

在电动汽车高压加热控制系统中，一般采用功率器件进行通路控制，如IGBT（绝缘栅双极晶体管）、MOSTFET（功率场效应晶体管）等等^[2]。由于IGBT具有击穿电压高、开关损耗高的特点，MOSTFET具有热稳定性好、高性价比的特点，因此IGBT一般应用于超高压大功率和低频控制，MOSTFET应用于中低功率和高频控制。在控制器电路上，由控制单元产生控制信号，对功率器件的驱动芯片进行控制，再由驱动芯片控制功率器件。驱动芯片一般都带有保护器件功能。加热芯体内部带有加热陶瓷片，具有一定的阻值，当电流通过时产生热量。根据实际的需要，一般是1条回路或者2条回路。如果用1个功率器件控制1条回路，我们称之为单路单边控制;用2个功率器件控制1条回路，称之为单路双边控制;同理，如果芯体带有2条回路，每条回路都是单路双边控制，那这个系统就是双路双边控制。

最简单的控制方式就是单路单边控制，单个功率器件设计在加热回路的一边，一旦闭合回路就导通，芯体产生热量。这种方案控制最简单，并且成本最低，但缺陷也是十分明显。如果功率器件发生击穿，将无法控制回路断开，会导致车辆无法重新上电。

为了避免发生上述单路单边控制的问题，改进方案为采用单路双边控制，两个功率器件设计在加热回路的两边，两个器件同时闭合时，电流流过，芯体产生热量，只有1个器件闭合时，无法导通。因此当其中一个功率器件击穿时，可以及时控制另外一个器件断开，保证回路安全。这种方案也有一个弊端就是，当断开加热回路，整个加热器无法工作，功能失效，对于用户来说是不能接受的。

本文设计的一种新型加热器，采用双边双路控制，一共用4个功率器件，分别置于两条回路的两端，任意一个功率器件发生击穿，都可以控制这路的断开，并且另外一路可以正常工作，不影响整个系统的功能，可以极大提高整个系统的可靠性。

3 功率控制方案

高压加热器接收来自网络总线上主节点的控制信息，对加热芯体执行功率控制。加热器控制芯体的脉宽调制频率为17Hz，脉宽调制是通过功率器件导通时间的改变，从而实现开关稳压电源输出的改变，它是控制单元通过输出数字信号对模拟电路进行控制的一种常见的技术^[3]，脉宽调制输出占空比范围为0%～100%。为了防止高压加热器对整车产生过大的电流冲击，加热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。两路功率器件采用中间错峰方式进行控制。

高压加热器的工作功率通过采集高压电的电压值和加热芯体的工作电流来计算。功率计算公式如下：

P=V*AVG（A）                                 （1）

上式中，P为功率;V是高压电输入电压;A为峰值电流;AVG（A）为平均电流，AVG（A）=A*PWM 占空比。为了比较准确的获取到峰值电流。我们需要通过特定算法来计算峰值电流。可以根据脉宽调制的周期特性获取电流值。每隔一个周期加权平均后确定一个电流值。

高压控制器在接收到更大功率要求时，按照每隔一段周期增长脉宽调制占空比，控制芯体加热。在接收到功率降低要求时，按照每隔一段周期减少脉宽调制占空比，控制芯体加热。在控制过程中，控制单元需要根据传感器检测到的电压和电流值计算当前功率。如果當前功率与目标功率不相同，将根据加热器的工作情况进行调节。

4 保护功能

4.1 故障处理机制

高压加热器在工作过程中可能会出现各种故障状态，此时需要根据不同的故障情况做相应的保护措施。一般我们可以通过合理的策略来实现保护。当高压加热器在自检或运行过程中，产生某些故障时，则进入相应保护功能，并记录故障信息在中央处理器的存储单元上，存储地址范围由生产厂家自行定义，以便生产厂家和汽车维修点可以通过诊断仪来判断故障。

我们将故障信息存储在故障信息列表中，表包含两个部分信息：基本信息和故障信息。基本信息用来描述产品当前故障所处的位置。故障信息用来记录加热器在工作过程中发生的故障，存储各故障状态及故障下的系统状态。故障信息的基本字段共12字节，可存储20次故障信息。通过循环队列的方式进行读写。

基本信息中主要包含上电次数、当前故障信息序号以及故障信息的校验和等。上电次数从0开始，计数到1万次，每次上电更新计数。当前故障信息序号用于标识当前最后一次记录的故障所处的位置，序号范围根据故障数量来定义。故障信息校验和校验故障信息字段的内容，每128个字节需要产生一个校验和数据，保证存储单元里面的数据不会被篡改。故障信息中包含当前次数、系统故障信息、传感器故障信息及系统状态。

4.2 降级处理机制

当发生某些故障的时候，可以进行降级处理，使电路处于受控及安全运行状态的一种保护方式。既可以避免丧失功能，又可以防止故障造成更加严重的后果。

比如发生高压过压或欠压故障，这种故障是指通过汽车动力电池输入给加热控制器的高压电路侧的电压超过预定的最大值或者低于预定的最小值时，  控制电路上的电压传感器在一段时间内连续检测到超过峰值电压或者低于极端最低电压，这时控制单元通过脉宽调节按一定比例和速率降低占空比，持续降低加热芯体功率，完成降级处理，直到电压恢复正常。当电压恢复到正常值区间后，功率恢复控制以一定速率稳步增加，达到目标功率值。

4.3 干烧保护

高压加热器运行在汽车风箱系统内，当风机发生故障没有风流过加热器时，继续加热芯体，会导致发生风险。因此软件需要判定通过检测陶瓷加热芯体阻值和陶瓷加热芯体表面温度，识别加热器是否处于干烧状态。连续检测到动作阀值后，控制功率器件降低功率，按当前控制值的50%进行控制，直到加热芯体阻值恢复正常及芯体表面温度恢复正常后重新恢复控制。功率恢复控制按照通讯总线上发送的数据，以周期性增长10%的速率，达到控制目标功率。

5 结语

本文介绍了电动汽车高压加热器的使用目的、控制功能和组成结构，特别对控制系统的电器架构框图和控制原理做了比较详细的说明。对比了两种加热器功率器件的特性和性能，对用户使用有一定的指导意义。对目前市面上使用较多的单路双边和双路单边控制方式做了改进，提出了双路双边的控制方式，可以有效的提高控制稳定性，从而提高产品质

量。另外作为车内高压部件，加热器有非常严苛的可靠性要求，需要不间断的检测产品运行故障，发现影响产品正常工作的因素，并根据预设的策略进行故障处理。本文也从多年开发经验中建议了发现产品故障时的解决措施，控制电路和控制算法要采取合理的纠偏措施和降级方案，确保系统不能影响整车的运行。

总之，随着电动汽车的逐步普及，车载加热器的应用范围、实现方式及器件都发生了很大的改变，对于行业外的企业而言，技术难度和门槛较高。同时，电动汽车高续航要求的趋势推动高压加热器重要性提高^[4]。高压加热器系统将直接影响到汽车安全、动力电池寿命和电动汽车的续航能力。因此，设计上只有不断地创新，提出稳定可靠的产品，才能有机会一炮打响，进入整车厂的配套体系。

参考文献

[1] 季明干.电动压缩机选型设计与试验[J].上海汽车，2010（09）：39-43.

[2] 时金林.高功率因数软开关蓝宝石晶体炉直流电源研究[D].江南大学，2013.

[3] 胡湘娟.数模混合信号芯片的测试与可测性设计研究[D].湖南大学， 2008.

[4] 王亚楠，李世杰.我国电动汽车的充电设施建设与维修的几点思考[J].科技创新与应用，2017（04）：139.