汽车冰箱PTC加热器控制器方案设计

* 2017级浙江省访问工程师校企合作基金资助工程（编号：FG2017191）收稿日期：2018－07－22摘要： 对适用于电动车辆的冰箱PTC加热器控制器方案进行设计，利用比较器进行闭环控制以此控制PTC发热器两端电压波动，采用PWM控制调温模式，CAN通讯控制手段，波特率500 K，通讯周期200 ms。首先单片机设定初始值，由硬件调整输出电压值，以超过PTC发热体温度平稳效果；随着频率变换，单片机采集实际转速和工作电压，通过比较器和波特率，在过流或过温时关断单片机输出，保证安全；采用单片机控制，温度调节可以做到无级调节效果。关键词： 电动车辆；空调；PTC加热器；控制器；方案设计中图分类号： U463.85+1 文献标识码：A 文章编号：1009－9492 ( 2018 ) 12－0099－03Design of PTC Heater Controller for Automotive Air ConditioningFENG Xue-li 1汽车空调ptc，ZANG Jing-zhi 2（1. Mechanical and Electrical Engineering College，Hangzhou Polytechnic，Hangzhou 311402，China；2. Hangzhou Guang'an Automotive Electrical Appliance Co.，Ltd.，Hangzhou 311407，China)Abstract: The control scheme of PTC heater for electric vehicle is designed. The closed-loop control is used to control the voltagefluctuation at both ends of the PTC heater. The PWM control mode，the CAN communication control mode，the baud rate 500K，thecommunication cycle 200ms. First of all，the initial value of the MCU is set，the output voltage is adjusted by the hardware to achieve thestable effect of the temperature of PTC fever. With the temperature change，the microcontroller collects the actual temperature and theworking current，through the comparator and the register，switches off the output of the single chip microcomputer at over current or overtemperature to ensure the safety; the temperature adjustment is controlled by single chip microcomputer. The section can achieve thestepless adjustment effect.Key words: electric vehicle；air conditioner；PTC heater；controller；conceptual design汽车空调PTC加热器控制器方案设计 *冯雪丽1 ，臧竞之 2（1.杭州科技职业技术学院 机电工程学院， 浙江宁波 311402；2. 杭州广安汽车电器， 浙江宁波 311407）DOI: 10. 3969 / j. issn. 1009-9492. 2018. 12. 0310引言近年来，人民赖以生存的环境随着工业社会的演进进步，污染越来越严重。

特别是空气的雾霾尤为严重 [1] ，在很多的污染源中，汽车废气的雾霾首屈一指，传统汽车节能降耗要求越来越高，发展新型电力环保型汽车势在必行。在传统的车辆空调制热模式中，水暖制热最广泛，由于新能源汽车（比如电动车辆）没有发动机，所以就不能使用传统车辆空调制热模式，需要采取新的制热模式，故对新能源汽车空调的研究也迫在眉睫，因PTC热敏电阻是一种典型的具备正频率系数的半导体电容，故PTC电热控制器是现在研究的热点之一。目前，关于PTC材料自适应热控的应用研究有很多，最常见于车辆及动力电源加热领域。Peng Qingfeng等 [2] 设计了在混合电动车电池热管理系统中使用PTC加热薄膜对磯酸铁锂电池单体外面的铝壳进行加温，期望提升电池性能及节省整个电池系统的电力。Ｈasan Ｅsen等 [3] 提出使用PTC加热器对混合动力汽车的座舱空气进行加热，但已给出具体实行细则。ＤanielＢusse等 [4] 设计过使用PTC空气加热器以不同加热功率对车辆的司机隔间进行加热。吴汝林 [5] 设计了一种可靠的PTC加热装置控制方式，主要应用于带PTC加热的风扇中，解决PTC乱摆、起火等弊端，以提升冷暖型风扇的安全可靠性。

林创辉等 [6] 对PTC电加热器在恒湿恒湿空调机上的应用进行了研究，主要研究了其安全性、可靠性、热量自动调节能力、制热速度、电源稳定性要求跟使用寿命等方面。程文龙等 [7] 设计了以家用PTC电阻作为烘烤元件的插头温控实验平台，并进行了对比控温实验。目前，关于PTC的温控方式大多都是采用单片机控制。针对现有研究状况，笔者设计了一款搭载单片机控制、PWM控制调温模式、CAN通讯控制方法、温度调节可以做到无级调节效果的适用于电动车辆的制热PTC加热器控制器。机电项目技术2018年第47卷第12期 测控技 术991系统软件电路设计如图1所示为平台软件电路框图，主要由电源电路、信号电路和控制电路3个部分构成。1.1电源电路（1）高低压隔离处理。为防止高低压电路阻抗导致系统功能异常，高低压电路隔离主要采取3种隔离机制：采用变压器隔离。线路板开槽，短距离内配备空气隔离，提高耐压能力。光耦隔离，采用的是TLP185光耦。通过以上 3 种防护机制，高低压串扰造成的功能异常能减少50%。（2）CAN芯片低边供电。采用防短路保护、过温保护等用途的英飞凌电源专用芯片NCV4264。（3） MCU和传感器供电。

采用固定和可调电阻、内部电流限制、过热 保护等功能的单输出LDO TLV1117。（4）开关电源IGBT。IGBT采用的是导热好耐大电流的K30T60A，并降低导热硅橡胶垫片及散热硅酯。耐高温！耐高压！切换速度快！冲击电流产生功能受损可减少50%。1.2信号电路信号电路主要包含主电流测试、高压采集、IGBT管温采集、PTC温度传感器、进风出风温度、车舱内广的芯片，超过一定频率芯片自动开启保护机制状态，极性温度下产生产品失效可减少50%。PTC控制单元采用的是具有过载、过流保护的集成芯片，过压及过流造成产品失效可减少50%。CAN通信，采用的是带隔离的CAN芯片TJA1052i/5，将总线和控制电路进行电气隔离，保证通信稳定可靠。2安全电路设计2.1安全性要求电路中阻燃电阻要求高于 50 MΩ，交流耐压值为AC1800/1Min，防水等级为IP6k7，采用低压互锁。2.2高低压保护（1）高低压范围。额定高压为333 V，高压变化范围为200～400 V；额定低压为12 V，低压变化范围为9～16 V。

（2）高压保护。包括高压过电压保护和低压欠电压保护，如表1所示。（3）低压保护。包括高压过电压保护和低压欠电压保护，如表2所示。（4）PTC过温保护策略如表3所示为PTC控制器的过温保护策略。当气温低于150 ℃时，PTC会增加功率直至停止工作，当频率高于图1 系统软件电路框图电压405 V/默认50 V判断0.1 s输出关闭判断0.2 s执行开启初始化状态，2 s后手动修复至故障前状况表1 高压过电压/欠电压保护电流＞16.1 V/＜8.9 V判断0.1 s输出关闭操作无效恢复≤15.9 V/≥9.1 V判断0.2 s执行进 入 初 始 化 状态，2 s后手动修复至故障前状况表2 低压过电压/欠电压保护温度>150 ℃判断0.1 s输出增加容量到停止工作修复<100 ℃判断0.2 s执行开启初始化状态，2 s后手动修复至故障前状况表3 PTC过温保护策略图2 温度传感器采集电路机电工程科技2018年第47卷第12期 测 控技术100100 ℃时，重新开启初始化状态，并手动修复至故障前状况。（5）IGBT温度保护策略IGBT采用的是K30T60A，耐低温、耐高压、切换速度快，采用频率保护策略，如表4所示。

3系统程序步骤设计系统程序流程图如图3所示。PTC控制器程序按图3所示的逻辑关系进行编写，以对信号进行处置计算，故障诊断与判定。4 PTC加热器控制PTC电热是一套依靠电力对车内浓度进行加热的装置，是一款省电节能，安全性能高的电加热器。利用比较器进行闭环控制以控制PTC发热器两端电压波动，控制方案如下：（1）PWM控制调温模式。（2）单片机设定初始值，由硬件调整输出电压值，以超过PTC发热体温度平稳效果。（3） 随着频率变换，单片机采集实际转速和工作电压，通过比较器和波特率，在过流或过温时关断单片机输出，保证安全。（4）因采取单片机控制，温度调节可以做到无级调节效果。控制方法为CAN通讯 ；波特率为500 K；通讯周期为200 ms。PWM占空比对应输出功率详细表明：默认5％以下不工作，防止信号线对地断电；95％以上不工作汽车空调ptc，防止信号线对电池短路；5％~90％=500 W~满功率，90％~95％=满功率。5结束语该文设计了一套适用于电动车辆的冰箱PTC加热器控制器方案，分别从软件电路、安全电路、软件平台等方面进行了设计，该方案可以让PTC发热体温度平稳，PTC浓度调节做到无级调节效果，省电节能，安全可靠。

参考文献：［1］杨君. 纯电动汽车PTC水暖加热器结构设计以及控制系统研究［D］. 武汉：华中科技大学，2016.5.［2］ Peng Q F，Zhao H，Liu X W，et al，Battery thermalmanagement system design and control strategy study forhybrid electric vehicles.Transportation ElectrificationAsia-Pacific （ITEC Asia-Pacific）［C］. IEEE Conference and Expo，Aug.31-Sept.3，2014，Beijing.［3］Esen H.Tashiro T，Bernardini D，et al.Cabin Heat Thermal Management in Hybird Vehicles using Model Predictive Control ［C］. 22nd Mediterranean Conference onControl and Automation （MED） University of Palermo.June 16-19，2014.Palermo，Italy.［4］ Busse D， Esch T，Muntaniol R.Thermal Managementin E-Carsharing Vehicles-Preconditioning Concepts ofPassenger Compartments ［J］. Part of the series GreenEnergy and Technology，2015，Chapter E-Mobility inEurppe：327-343.［5］ 吴汝林. 一种可靠的 PTC 加热装置控制方式设计［C］. 《IT时代周刊》中国会议，2015-07-01.［6］ 林创辉，欧阳惕， 陈华，等. PTC电加热器在恒湿恒湿空调机上的应用研究［J］. 洁净与空调技术，2014（04）：6-10.［7］程文龙，吴万范. PTC材料在电子器件热控中的应用分析［C］. 中国工程热物理学会传热传质学学会会议论文，2012（11）：123469.［8］ 魏志成，朱天军，童洁，等. 基于LabVIEW的EV平台BCM测试系统研究 ［J］. 科技变革与应用，2016（19）：45-46.［9］张亦明. 给PTC暖风机制作温控节能控制器［J］. 电子制作，2005（05）：42-44.［10］ Ariga T. Air conditioner having positive temperature coefficient heater：9182134 B2［P］. 2015.第一作者简介：冯雪丽，女，1981年生，河南驻马店人，硕士，副教授。研究领域：汽车电子电控技术。（编辑：麦丽菊）温度>95 ℃判断0.1 s输出发送IGBT过温故障恢复<90 ℃判断0.2 s执行开启初始化状态，2 s后手动修复至故障前状况表4 IGBT温度保护策略图3 系统程序流程图冯雪丽 等：汽车冰箱PTC加热器控制器方案设计 测控技 术101

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