CN106114141B - 一种电动汽车用ptc加热驱动系统 - Google Patents
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Abstract
一种电动汽车用PTC加热驱动系统，属于能源电动汽车用电控单元装置技术领域。本发明包括主控电路、电源电路、采集电路、安全通讯电路、环路互锁逻辑电路和驱动控制电路；所述电源电路分别为所述主控电路和所述驱动控制电路供电；所述主控电路连接所述驱动控制电路；所述主控电路和所述驱动控制电路之间连接有用以采集所述驱动控制电路内IGBT晶体管电流电压、IGBT晶体管温度、PTC温度的所述采集电路；所述主控电路和所述驱动控制电路之间还连接有所述环路互锁逻辑电路；所述电源电路和所述主控电路之间连接有所述安全通讯电路。本发明采用最少最安全芯片并采用主动安全保护策略，很好地解决了自动控制、成本、寿命和可靠性等这一系列问题。
Description
技术领域
本发明涉新能源电动汽车用电控单元装置，涉及一种电动汽车用PTC加热驱动系统。
背景技术
自BaTiO3陶瓷的PTC铁电效应发现后，探索这种机理和应用的课题案例一直引人瞩目，PTC为正温度系数热敏陶瓷，在低温状态具有很低的电阻。一旦超出预先设定的温度，电阻就会迅速增加数个数量级。而这一快速响应的秘诀在于：在高温下载流电子无法穿过细小的陶瓷晶体的边界。温度恒定，功率自动调整的这个特性使PTC热敏电阻器成为理想的汽车加热装置。
自PTC理论问世至今已走过20多年历程，特别近10年来，随着材料科学及新能源汽车的发展应用，PTC已成功应用到新能源电动车上来并实现了产业化，PTC在汽车上的应用越来越广泛。目前已从单纯的单个敏感元器件应用扩展到辅助车厢内部加热，雨刷喷嘴加热、燃料加热等等，近来应用到空调系统PTC的加热、暖风应用技术已采用小型化、高效化的单片组合与波纹散热铝条一体的PTC加热器系统模块，然而这种模块先前多采用高压继电器直接控制设计，并且由于其结构等设计简单、生产也不复杂，尤其不需要太多电路设计专业技术，就可以开发生产而一度占据市场主体，应用各类新能源汽车。然而随着IGBT技术进步和智能互联时代的到来，很多新能源汽车都朝这一方向发展和技术更新，这种继电器控制的单一化只能实现开、关控制，不能自动控温和智能化，寿命短、生产成本和维护成本高，且由于采用的高压继电器现时只能向国外零部件供应商采购，批量生产存在风险等，已无法满足新能源电动汽车市场需求。因此，需要一种新型电子开关功率器件类控制的新型PTC加热驱动系统电路来实现这一迫切需求。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种自动控温、自动调整，减少机械开关损耗，寿命高，成本低廉，安全可靠的电动汽车用PTC加热驱动系统。
本发明提供一种电动汽车用PTC加热驱动系统，包括主控电路、电源电路、采集电路、安全通讯电路、环路互锁逻辑电路和驱动控制电路；所述电源电路分别为所述主控电路和所述驱动控制电路供电；所述主控电路连接所述驱动控制电路；所述主控电路和所述驱动控制电路之间连接有用以采集所述驱动控制电路内IGBT晶体管电流电压、IGBT晶体管温度、PTC温度的所述采集电路；所述主控电路和所述驱动控制电路之间还连接有所述环路互锁逻辑电路；所述电源电路和所述主控电路之间连接有所述安全通讯电路。
该驱动系统采用PWM控制方式，利用PWM控制信号对加热功率进行线性调制，科学管理能源。该系统通过高低压分离及环路互锁实施PWM驱动，采集温度、电流、电压等必要信号进行诊断，通过算法策略实时动态可控制自动调节和响应，达到自动控制调节加热驱动。
作为优选，所述采集电路包括电流电压采集电路、第一温度采集电路、第二温度采集电路。
作为优选，所述电流电压采集电路包括依次连接的采样电路、滤波电路、第一隔离电路和采集诊断电路。
作为优选，所述采样电路包括第一采样电阻、第二采样电阻、第一电容；所述滤波电路包括第二电容、第三电容；所述第一隔离电路包括隔离芯片及其外围电路；所述采集诊断电路包括第三电阻、第四电阻、第五电阻、第六电阻、第五电容、第六电容、第一运算放大器；所述第一采样电阻与所述第一电容并联在所述第二采样电阻与GND接地之间；所述隔离芯片的一输入端分别连接第二采样电阻和第二电容，所述隔离芯片的另一输入端、接地端与所述第二电容共同接地；所述第三电容并联在所述隔离芯片的电源端和GND接地之间；所述隔离芯片的一输出端依次连接第三电阻和第一运算放大器的正输入端；所述隔离芯片的另一输出端经所述第五电阻分别连接第一运算放大器的负输入端、以及经第六电阻和第六电容构成的并联电电路连接第一运算放大器的输出端；所述第四电阻与所述第五电容构成的并联电路一端接地，另一端连接在所述第三电阻和所述第一运算放大器正输入端之间的连线处。
作为优选，所述第一温度采集电路包括用以检测IGBT晶体管内NTC温度的采集电路；所述第二温度采集电路包括用以检测PTC内部NTC温度的采集电路。
作为优选，所述安全通讯电路包括安全芯片及其外围电路；所述主控电路发送踢狗信号给所述安全芯片，所述安全芯片反馈电平信号给所述主控电路；所述安全芯片的复位端与所述主控电路的复位端连接。
作为优选，所述驱动控制电路包括依次连接的第二隔离电路、驱动电路、IGBT晶体管和PTC。
作为优选，所述驱动控制电路还包括浪涌吸收电路，所述浪涌吸收电路设于所述驱动电路和所述IGBT晶体管之间。
作为优选，所述环路互锁逻辑电路为将所述主控电路发送的PWM信号转换为提供给所述驱动控制电路的DSP信号的信号转换电路。
作为优选，还包括外置PWM控制电路，与所述主控电路连接。
本发明具有以下有益效果：
本发明一种电动汽车用PTC加热驱动系统，采用PWM控制方式并实时动态调整驱动系统，形成自动控温和自动控制；上述高效调节减少了机械开关损耗，提高了使用寿命，且设计简单，采用最少最安全芯片并采用主动安全保护策略，很好地解决了自动控制、成本、寿命和可靠性等这一系列问题。
附图说明
图1为本发明一种电动汽车用PTC加热驱动系统的系统框图；
图2为图1中电流电压采集电路的电路图；
图3为图1中安全通讯电路的电路图；
图4为图1中驱动控制电路的电路图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步详细说明。
如图1， 本发明电动汽车用PTC加热驱动系统包括主控电路、电源电路、采集电路、安全通讯电路、环路互锁逻辑电路和驱动控制电路。所述电源电路分别为所述主控电路和所述驱动控制电路供电。所述主控电路连接所述驱动控制电路。所述主控电路和所述驱动控制电路之间连接有用以采集所述驱动控制电路内IGBT晶体管电流、IGBT晶体管温度、PTC温度的所述采集电路。所述主控电路和所述驱动控制电路之间还连接有所述环路互锁逻辑电路。所述电源电路和所述主控电路之间连接有所述安全通讯电路。
所述主控电路包括MCU主控芯片及其外围电路构成。当主控芯片正常工作时，所述主控芯片发出PWM脉冲信号经所述环路互锁电路至所述驱动电路，所述主控芯片还发出数字电平信号给所述驱动控制电路。当所述驱动控制电路收到上述信号后，其使能信号若能被激活，则驱动控制电路内IGBT晶体管导通，导通电流使得PTC工作并对外输出功率。于此同时，采集电路开始工作，采集电流、电压、温度等信息，之后反馈给主控芯片进行算法策略处理。整个控制驱动系统电路高低压隔离，模拟量和数字量分开单独控制，通过看门狗安全通讯电路保证主控芯片有效正常工作不进入死循环。软件上也做了软件狗处理，双重主动安全符合安全策略。一旦主控芯片出现异常工作，IGBT晶体管不导通，PTC无法输出功率，采集电路采集的电流、温度信号均出现异常而导致算法策略发出断开主控芯片驱动输出和数字量信号输出，从而实现闭环主动控制。
所述采集电路包括电流电压采集电路、第一温度采集电路、第二温度采集电路。如图2，所述电流电压采集电路包括采样电路、滤波电路、第一隔离电路和采集诊断电路。所述采样电路包括第一采样电阻R1、第二采样电阻R2、第一电容C1。所述滤波电路包括第二电容C2、第三电容C3。所述第一隔离电路包括隔离芯片U4及其外围电路。所述采集诊断电路包括第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6、第五电容C5、第六电容C6、第一运算放大器U5A。所述第一采样电阻R1与所述第一电容C1并联在所述第二采样电阻R2与GND接地之间。所述隔离芯片U4的一输入端分别连接第二采样电阻R2和第二电容C2，所述隔离芯片U4的另一输入端、接地端与所述第二电容C2共同接地。所述第三电容C3并联在所述隔离芯片U4的电源端和GND接地之间。所述隔离芯片U4的一输出端依次连接第三电阻R3和第一运算放大器U5A的正输入端。所述隔离芯片U4的另一输出端经所述第五电阻R5分别连接第一运算放大器U5A的负输入端、以及经第六电阻R6和第六电容C6构成的并联电电路连接第一运算放大器U5A的输出端。所述第四电阻R4与所述第五电容C5构成的并联电路一端接地GND，另一端连接在所述第三电阻R3和所述第一运算放大器U5A正输入端之间的连线处。当IGBT晶体管导通后，对外输出驱动，PTC工作后开始输出电流加热，输出电流回路经过第一采样电阻R1和第一电容C1，第二采样电阻R2采样吸收后输出电压信号经过第二电容C2和第三电容C3滤波后进入隔离芯片U4完成差分运算然后输出两路差分信号，此信号为主控芯片算法必要参数，此差分输出小信号经过第三电阻R3，第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6及第一运算放大器U5A完成必要的模拟量转换输出VADC_1给主控芯片ADC计算并同时经另一路给诊断电路做硬件诊断算法保护。此电路通过采集，转换，诊断等完成算法策略源信号管理。
所述第一温度采集电路包括用以检测IGBT晶体管内NTC温度的采集电路，利用温度传感器、采样电阻采集IGBT晶体管中必要的NTC工作温度并经运放电路转换需求的模拟量信号送入主控芯片进行算法策略运算。所述第二温度采集电路包括用以检测PTC内部NTC温度的采集电路，利用温度传感器、采样电阻采集PTC内部的NTC工作环境温度，然后经运放电路转换成需求的模拟量信号，送入主控芯片进行算法策略运算。
如图4，所述安全通讯电路包括安全芯片及其外围电路。所述安全通讯电路具体包括第七电阻R75、第八电阻R78、第七电容C67、第八电容C68、安全芯片IC2、第九电容C64、第九电阻R76。所述第八电容C68并联在所述安全芯片IC2的第3引脚和第4引脚之间，所述第七电容C67并联在所述安全芯片IC2的第2引脚和第4引脚之间，所述第八电阻R78并联在所述安全芯片IC2的第1引脚和第4引脚之间，所述安全芯片IC2的第4引脚接地，所述第七电阻675一端连接电源VDD，另一端与所述第八电阻R78连接。其中，所述第七电阻R75和第八电阻R78为供电，所述第七电容C67和第八电容C68为定时延时信号电容，所述第九电阻R76为复位功能电阻，所述第九电容C64为耦合电容。当供电后，主控输出踢狗信号给安全电路喂狗，安全电路输出RESET_H电平，安全电路通过通讯反馈can上报故障信息，当高压系统电压出现异常时，can总线反馈主控芯片上的can引脚信号，实现主控单元闭环控制策略，实施关断PWM输出和调整占空比限功率处理。安全电路的reset脚与主控芯片的reset脚相连实现自动复位及电源复位，防止供电异常和主控芯片进入死循环造成系统崩溃。
如图4，所述驱动控制电路包括依次连接的第二隔离电路、驱动电路、IGBT晶体管和PTC。所述第二隔离电路包括隔离模块IC7004、第十电容C7001、第十电阻R7001、第十一电阻R7002、第十一电容C7013、二极管D7001。所述驱动电路包括驱动芯片IC7002、第十二电容C7004、第十二电阻R7004。所述隔离模块IC7004一输入端与所述环路互锁逻辑电路连接，另一输入端经二极管D7001、第十电阻R7001与主控电路连接。所述隔离模块IC7004的使能端和第二输出端之间并联有第十一电阻R7002，所述隔离模块IC7004的使能端和第一输出端之间并联有第十电容C7001，所述隔离模块IC7004的第二输出端与所述驱动芯片IC7002的输入端连接。所述驱动芯片IC7002的使能端与所述隔离模块IC7004之间连接有第十一电容，所述驱动芯片IC7002的使能端与其接地端之间连接有第十二电容C7004，所述驱动芯片IC7002的两输出端相连，分别连接IGBT晶体管的门极、和经第十二电阻R7004连接IGBT晶体管的发射极，所述IGBT晶体管的集电极连接PTC。当隔离模块IC7004收到PWM驱动信号通过来自环路互锁信号转换成的DSP_1信号和收到所述主控芯片数字电平信号DSP_2时，其中DSP_2为低电平，则所述隔离模块激活输出低电平信号给驱动芯片IC7002，驱动芯片使能信号激活后，输出高电平PWM信号驱动IGBT晶体管导通，然后PTC开始工作加热。为了满足开启IGBT晶体管的瞬时电流需求，防止开启异常并减少损耗。所述驱动控制电路还包括浪涌吸收电路，所述浪涌吸收电路包括齐纳二极管Z30和第十三电阻R7003，所述齐纳二极管Z30并联在所述驱动芯片的输出端和第十二电阻R7004之间，所述第十三电阻R7003设于所述驱动芯片输出端和所述IGBT晶体管门极之间，信号经过齐纳二极管Z30和第十三电阻R7003进行浪涌吸收。
本发明电动汽车用PTC加热驱动系统的工作原理：当主控芯片正常工作时，由主控芯片或者主控芯片外接的PWM控制单元发出PWM脉冲信号，于此同时主控芯片的数字单元发出低电平信号给环路互锁逻辑电路，逻辑电路工作后信号经过隔离模块导通输出给驱动芯片，驱动芯片输入低电平，并当在驱动芯片使能信号被激活后，经过内部逻辑输出正向高电平大电流驱动信号，驱动信号峰值电流可达9A，经过浪涌吸收电路处理后通过驱动电阻R7004送入IGBT晶体管,且当高压信号有效后，IGBT晶体管导通，导通电流使得PTC工作对外输出功率，于此同时采集电路开始工作并分成四个回路，一路采集输出电流，将此采集的电流信号转换为模拟电压信号送入主控芯片；二路来自IGBT的温度采集电路采集必要的NTC工作温度，转换成模拟量信号送入主控芯片；三路采集来自PTC内部的NTC工作环境温度，转换成模拟量信号送入主控芯片；四路采集来自can总线上的高压信号及时动态反馈给主控芯片。
当主控芯片出现异常工作时，PWM控制信号和数字量电平信号通过环路互锁电路不能被有效激活，使得送到驱动芯片的输入信号不能为有效低电平，驱动芯片内部使能不能被激活，从而无法输出正常高电平驱动信号，继而不能导通IGBT晶体管，PTC无法输出功率，采集电路采集的电流、温度信号均出现异常而导致算法策略发出断开主控芯片驱动输出和数字量信号输出，从而实现闭环主动控制。当主控芯片输出PWM信号后，经隔离模块、驱动芯片输出给IGBT晶体管，在IGBT晶体管导通后，PTC输出正常功率启动加热过程，并形成自动控温，当输出电流异常后导致局部发热严重，在IGBT晶体管有限的驱动电流能力内，过热的环境使得电流电压采集电路上转换的线性电压信号出现瞬时爬升甚至跳跃，采集到的输出电压动态反馈至主控芯片后，根据控制算法策略，采取强制关断PWM输出和数字量使能信号输出，对于温升异常但不至于影响IGBT晶体管崩溃，采取调节PWM占空比，以减少导通时间进而实现降功率输出。根据大量数据分析来看，采用固定频率调制并适当降低频率值可有限避免开启关断瞬时温升异常的误诊断。系统高压输出后，当IGBT晶体管的门极的PWM控制信号到来时，使得IGBT晶体管导通，系统的高压通过can动态监控其欠压、过压状态，实现动态输出功率控制策略。
上面所述的实施例仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的构思和范围进行限定。在不脱离本发明设计构思的前提下，本领域普通人员对本发明的技术方案做出的各种变型和改进，均应落入到本发明的保护范围，本发明请求保护的技术内容，已经全部记载在权利要求书中。
Claims (7)
1.一种电动汽车用PTC加热驱动系统，其特征在于，包括主控电路、电源电路、采集电路、安全通讯电路、环路互锁逻辑电路和驱动控制电路；所述电源电路分别为所述主控电路和所述驱动控制电路供电；所述主控电路连接所述驱动控制电路；所述主控电路和所述驱动控制电路之间连接有用以采集所述驱动控制电路内IGBT晶体管电流电压、IGBT晶体管温度、PTC温度的所述采集电路；所述主控电路和所述驱动控制电路之间还连接有所述环路互锁逻辑电路；所述电源电路和所述主控电路之间连接有所述安全通讯电路；所述采集电路包括电流电压采集电路、第一温度采集电路、第二温度采集电路；所述电流电压采集电路包括依次连接的采样电路、滤波电路、第一隔离电路和采集诊断电路；所述采样电路包括第一采样电阻、第二采样电阻、第一电容；所述滤波电路包括第二电容、第三电容；所述第一隔离电路包括隔离芯片及其外围电路；所述采集诊断电路包括第三电阻、第四电阻、第五电阻、第六电阻、第五电容、第六电容、第一运算放大器；所述第一采样电阻与所述第一电容并联在所述第二采样电阻与GND接地之间；所述隔离芯片的一输入端分别连接第二采样电阻和第二电容，所述隔离芯片的另一输入端、接地端与所述第二电容共同接地；所述第三电容并联在所述隔离芯片的电源端和GND接地之间；所述隔离芯片的一输出端依次连接第三电阻和第一运算放大器的正输入端；所述隔离芯片的另一输出端经所述第五电阻分别连接第一运算放大器的负输入端、以及经第六电阻和第六电容构成的并联电电路连接第一运算放大器的输出端；所述第四电阻与所述第五电容构成的并联电路一端接地，另一端连接在所述第三电阻和所述第一运算放大器正输入端之间的连线处。
2.根据权利要求1所述的一种电动汽车用PTC加热驱动系统，其特征在于，所述第一温度采集电路包括用以检测IGBT晶体管内NTC温度的采集电路；所述第二温度采集电路包括用以检测PTC内部NTC温度的采集电路。
3.根据权利要求1所述的一种电动汽车用PTC加热驱动系统，其特征在于，所述安全通讯电路包括安全芯片及其外围电路；所述主控电路发送踢狗信号给所述安全芯片，所述安全芯片反馈电平信号给所述主控电路；所述安全芯片的复位端与所述主控电路的复位端连接。
4.根据权利要求1所述的一种电动汽车用PTC加热驱动系统，其特征在于，所述驱动控制电路包括依次连接的第二隔离电路、驱动电路、IGBT晶体管和PTC。
5.根据权利要求4所述的一种电动汽车用PTC加热驱动系统，其特征在于，所述驱动控制电路还包括浪涌吸收电路，所述浪涌吸收电路设于所述驱动电路和所述IGBT晶体管之间。
6.根据权利要求1所述的一种电动汽车用PTC加热驱动系统，其特征在于，所述环路互锁逻辑电路为将所述主控电路发送的PWM信号转换为提供给所述驱动控制电路的DSP信号的信号转换电路。
7.根据权利要求1所述的一种电动汽车用PTC加热驱动系统，其特征在于，还包括外置PWM控制电路，与所述主控电路连接。
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