CN116476600A - 一种空调制热功率控制方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于汽车制热技术领域，公开一种空调制热功率控制方法及系统，其中，控制系统包括空调控制器、整车控制器和多合一控制器；多合一控制器包括电机控制模块、IGBT和电源分配单元，空调控制器与整车控制器通信连接，整车控制器和电机控制模块通信连接，电机控制模块与IGBT的门极连接，IGBT的发射极与PTC加热器的正极连接，IGBT的集电极与所述电源分配单元输出端的正极连接，PTC加热器的负极与电源分配单元输出端的负极连接。本发明在多合一控制器集成控制PTC加热器电流的IGBT，通过IGBT对PTC加热器的功率进行控制，实现空调制热多档可调、无级可调使得乘员舱舒适性、科技感得到明显提升。

Description

一种空调制热功率控制方法及系统

技术领域

本发明属于汽车制热技术领域，特别涉及一种空调制热功率控制方法及系统。

背景技术

纯电动汽车的空调制热多采用PTC(PositiveTemperatureCoefficient，正温度系数)加热器，其使用电池包的高压电经过PTC加热器电阻发热以加热风管内的空气给驾驶室内提供暖风。目前纯电动汽车空调制热的开关和功率控制多用继电器或者功率器件管来实现，有独立的一套空调控制系统。

现有技术中空调制热功率的大小一般通过IGBT对PTC加热器进行控制来实现，例如，公开号为CN206589617U的实用新型专利，公开了一种纯电动汽车的空调制热系统，包括中央处理器、IGBT开关、电源电压采集电路、电流采集电路、过压过流保护电路及PTC加热体，IGBT开关，用于控制加热回路的通断。

例如，公开号为CN205736796U的实用新型专利，公开了一种电动汽车用空调压缩机和PTC加热器的集中控制系统，包括逆变器、主控制芯片、空调控制器、IGBT驱动电路、PTC加热器、电动压缩机和主电源，空调控制器向主控制芯片发送PTC加热器PWM(PulseWidthModulation，脉冲宽度调制)控制信号，主控制芯片接到PWM信号后进行处理，发出控制信号给IGBT驱动电路，控制输出给PTC加热器的电压，从而达到调节PTC加热器功率的目的。

综上，现有的纯电动汽车的空调制热控制需要在空调系统中需额外增加IGBT控制和驱动单元，可调节档位较少且固定，使用的便捷性和舒适性有较大不足，并且这种方案在成本较高，智能化程度低。

发明内容

针对上述问题，本发明提供一种空调制热功率控制方法及系统采用以下技术方案：

一种空调制热功率控制系统，包括空调控制器、整车控制器和多合一控制器；其中，所述多合一控制器包括电机控制模块、IGBT和电源分配单元，所述空调控制器与所述整车控制器通信连接，所述整车控制器和所述电机控制模块通信连接，所述电机控制模块与所述IGBT的门极连接，所述IGBT的发射极与PTC加热器的正极连接，所述IGBT的集电极与所述电源分配单元输出端的正极连接，所述PTC加热器的负极与所述电源分配单元输出端的负极连接。

进一步的，还包括网关，所述空调控制器通过所述网关与所述整车控制器通信连接。

进一步的，所述空调控制器通过车身CAN与所述网关通信连接。

进一步的，所述整车控制器通过动力CAN与所述网关通信连接。

进一步的，所述整车控制器通过CAN与所述电机控制模块通信连接。

进一步的，所述电源分配单元输入端正负极分别与电池包连接。

进一步的，所述多合一控制器还包括电平转换模块，所述电机控制模块与所述电平转换模块通信连接，所述电平转换模块与所述IGBT的门极连接。

本发明还提供一种空调制热功率控制方法，包括以下步骤：

空调控制器将接收到的用户操作指令转换为操作信号发送给整车控制器；

整车控制器根据操作信号生成操作指令发送给多合一控制器的电机控制模块；多合一控制器还包括IGBT和电源分配单元，电机控制模块与IGBT的门极连接，IGBT的发射极与PTC加热器的正极连接，IGBT的集电极与电源分配单元输出端的正极连接，PTC加热器的负极与电源分配单元输出端的负极连接；

电机控制模块根据操作指令控制IGBT输出电流信号对PTC加热器的输出功率进行调节。

进一步的，电机控制模块根据操作指令控制IGBT输出电流信号对PTC加热器的输出功率进行调节，包括以下步骤：

电机控制模块根据操作指令生成第一PWM信号，并将第一PWM信号发送给电平转换模块；

电平转换模块将接收到的第一PWM信号转换为第二PWM信号，并将第二PWM信号发送给IGBT；

IGBT根据第二PWM信号输出电流信号调节PTC加热器的输出功率。

进一步的，IGBT根据第二PWM信号输出电流信号控制PTC加热器的输出功率，包括以下步骤：

通过第二PWM信号控制IGBT的开关管占空比输出不同电流波形，对PTC加热器工作电流进行控制，从而对PTC加热器的输出功率进行调节。

本发明的有益效果：

1、本发明在多合一控制器集成控制PTC加热器电流的IGBT，通过IGBT对PTC加热器的功率进行控制，实现空调制热多档可调、无级可调使得乘员舱舒适性、科技感得到明显提升；

2、本发明在不增加多合一控制器内的控制单元的情况下，减少整车空调控制系统零部件，降低整个空调控制系统成本。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书以及附图中所指出的结构来实现和获得。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示出了根据本发明实施例的一种空调制热功率控制系统结构示意图；

图2示出了根据本发明实施例的电平转换模块的结构示意图；

图3示出了根据本发明实施例的一种空调制热功率控制方法的流程示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地说明，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本申请中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。

本发明实施例先对PTC加热器进行简单介绍，PTC加热器是电动汽车上的直流加热器，也是一种陶瓷加热器，PTC泛指正温度系数很大的半导体材料或元器件。PTC是指正温度系数热敏电阻，简称PTC热敏电阻，PTC热敏电阻是一种典型具有温度敏感性的半导体电阻，超过一定的温度(居里温度)时，它的电阻值随着温度的升高呈阶跃性的增高。PTC加热器主要的作用就是给车辆内加温,也就是新能源汽车空调的热力的来源。

本发明实施例提供一种空调制热功率控制系统，减少IGBT(InsulatedGateBipolarTransistor，绝缘栅双极型晶体管)控制单元的数量，降低成本。同时实现空调制热功率实现多档可调、无级可调，支持空调触控面板任意功率调节。使得整车空调控制系统零部件减少，乘员舱舒适性、智能化得到明显提升。

如图1所示，一种空调制热功率控制系统，包括空调控制器、整车控制器(VehicleControlUnit，VCU)和多合一控制器。

其中，多合一控制器包括电机控制模块、IGBT和电源分配单元(PowerDistributionUnit，PDU)。

IGBT是由双极型三极管(BipolarJunctionTransistor，BJT)和绝缘栅型场效应管(MetalOxideSemiconductor，MOS)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件。

空调控制器与VCU通信连接，VCU和电机控制模块通信连接，电机控制模块与IGBT的门极G连接，IGBT的发射极E与PTC加热器的正极连接，IGBT的集电极C与PDU输出端的正极连接，PTC加热器的负极与PDU输出端的负极连接。PDU输入端正负极分别与电池包连接，电池包向PDU输入高压直流电，PDU用于向IGBT和PTC加热器分配工作电压

例如，空调制热功率控制系统还包括网关，空调控制器通过网关与整车控制器通信连接。

例如，空调控制器通过车身CAN(ControllerAreaNetwork，控制器局域网总线)与网关通信连接，VCU通过动力CAN与网关通信连接，VCU通过CAN与电机控制模块通信连接。

通过采用CAN总线网络，能够低成本、便捷高效的实现节点之间的信息传递。CAN总线网络通讯通过制定的简单通讯协议，可以实现在电磁干扰环境下，保证实时数据的可靠传输，距离长且相对硬件成本低廉。

CAN总线网络的物理结构构成十分简单，通讯的容错性能强，技术方案成熟，可以便捷的实现ECU之间的数据交互；同时线束走线也变得简单，提高了整车线束的可靠性和网络通讯的实时性。

下面对纯电动汽车的车身CAN和动力CAN进行说明，车身CAN包括VCU、空调控制器、空调压缩机、PTC加热器等，动力CAN包括VCU、组合仪表(含空调控制器面板)、电机控制模块、电池包管理系统、车载充电机等，VCU具有网管功能传递两路信息。

例如，多合一控制器还包括电平转换模块，电机控制模块与电平转换模块通信连接，电平转换模块与IGBT的门极G连接。

需要说明的是，通常情况下电机控制模块产生的PWM信号的高电平与IGBT驱动模块的工作电压不一致，通过电平转换模块弥补电机控制模块与IGBT驱动模块之间的电压差，不仅可以使IGBT驱动模块和电机控制模块更好地配合工作，降低故障率，还可以驱动外围电路正常工作。

例如，电机控制模块产生的PWM信号的高电平为通用的3.3V，IGBT驱动模块的工作电压要求是3.3V-5.5V，电平转换模块用于将PWM信号的高电平3.3V转换为5V，并输入至IGBT驱动模块。

如图2所示，例如，电平转换模块包括三极管Q、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5和电容C，三极管Q的集电极接PWM信号输出端和电阻R5；三极管Q的发射极接PWM信号输入端，并通过电阻R3接三极管Q的基极；三极管Q的基极接电阻R1的第一端；电阻R1的第一端通过电阻R2接地，PWM信号输入端通过电阻R4接地，电容C与电阻R1并联。

当输入PWM信号VIN为高电平3.3V时，由于电容C两端电压不能突变，三极管Q基极电压将缓慢增大，三极管Q的基极-发射极电压Vbe将承受反向电压，且反向电压会缓慢减小，有助于三极管Q加速关断，三极管Q关断后，输出电压VO被电阻R5上拉至5V。以上电平转换模块实现了PWM信号低电平3.3V输入，高电平5V输出的功能。

本发明实施例的空调制热功率控制系统工作原理具体为：

1、多合一控制器对PTC加热器的高压互锁正常，其他互锁回路也正常，多合一控制器正常上高压电，即PDU有高压直流电；

2、空调控制器将用户在空调操作面板上的操作指令转换为信号指令；

3、信号指令通过车身CAN、网关，传输到动力CAN，VCU根据接收到的信号指令，发送相应指令给电机控制模块；

4、电机控制模块收到VCU指令后，将转化为控制IGBT的PWM波，以实现对IGBT的开启控制。

5、通过电机控制器的变频技术，改变控制IGBT的开关频率，IGBT可输出1％-100％比例的电流。从而根据空调控制器档位的设定，实现PTC加热器发热功率的调节，故实现空调制热任意档位数调节、甚至无级可调。

本发明实施例通过采用在多合一控制器集成控制PTC加热器电流的IGBT模块及其控制和驱动电路，并通过电机控制模块来控制IGBT工作。省去整车空调系统中控制IGBT模块、开关器件、保护罩壳等零部件，且该方案不增加电机控制模块部分成本，兼容更多功能，符合多合一控制器的高集成度的属性目标。

基于上述空调制热功率控制系统，如图3所示，本发明实施例还提供一种空调制热功率控制方法，包括以下步骤：

S1、空调控制器将接收到的用户操作指令转换为操作信号发送给VCU，包括以下步骤：

S11、空调控制器接收到用户操作指令，将操作信号通过车身CAN发送至网关。

S12、网关通过动力CAN将操作信号转发给VCU。

S2、整车控制器根据操作信号生成操作指令发送给多合一控制器的电机控制模块，具体为：VCU根据操作信号生成操作指令，并通过CAN将操作指令发送给电机控制模块。

S3、电机控制模块根据操作指令控制IGBT输出电流信号对PTC加热器的输出功率进行调节，包括以下步骤：

S31、电机控制模块根据操作指令生成第一PWM信号，并将第一PWM信号发送给电平转换模块。

S32、电平转换模块将接收到的第一PWM信号转换为第二PWM信号，并将第二PWM信号发送给IGBT。

S33、IGBT根据第二PWM信号输出电流信号调节PTC加热器的输出功率。其中，通过第二PWM信号控制IGBT的开关管占空比输出不同电流波形，对PTC加热器工作电流进行控制，从而对PTC加热器的输出功率进行调节。

其中，通过第二PWM信号控制IGBT单位时间内的开通/关断比(占空比)实现输出电流信号的控制，例如，在单位时间为50us的周期内，开通10us、关断40us状态下输出的电流就比开通20us、关断30us状态下输出的电流小。

第二PWM信号为输出占空比可调的方波，当第二PWM信号高电平的时候，IGBT导通，第二PWM信号低电平的时候，IGBT关断。

本发明通过PWM波控制IGBT的开关管占空比从而输出不同电流波形，IGBT可输出方形、正余弦、及其他任意波形电流，故可实现对空调制热的多档位调节、无级调节。

本发明在不增加多合一控制器内的控制单元的情况下，减少整车空调系统零部件，降低整个空调系统成本，支持空调触控面板任意功率调节，提升乘员舱舒适性和智能化程度。

尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种空调制热功率控制系统，其特征在于，包括空调控制器、整车控制器和多合一控制器；

其中，所述多合一控制器包括电机控制模块、IGBT和电源分配单元，所述空调控制器与所述整车控制器通信连接，所述整车控制器和所述电机控制模块通信连接，所述电机控制模块与所述IGBT的门极连接，所述IGBT的发射极与PTC加热器的正极连接，所述IGBT的集电极与所述电源分配单元输出端的正极连接，所述PTC加热器的负极与所述电源分配单元输出端的负极连接。

2.根据权利要求1所述的空调制热功率控制系统，其特征在于，还包括网关，所述空调控制器通过所述网关与所述整车控制器通信连接。

3.根据权利要求2所述的空调制热功率控制系统，其特征在于，所述空调控制器通过车身CAN与所述网关通信连接。

4.根据权利要求2所述的空调制热功率控制系统，其特征在于，所述整车控制器通过动力CAN与所述网关通信连接。

5.根据权利要求1所述的空调制热功率控制系统，其特征在于，所述整车控制器通过CAN与所述电机控制模块通信连接。

6.根据权利要求1所述的空调制热功率控制系统，其特征在于，所述电源分配单元输入端正负极分别与电池包连接。

7.根据权利要求1-6任一所述的空调制热功率控制系统，其特征在于，所述多合一控制器还包括电平转换模块，所述电机控制模块与所述电平转换模块通信连接，所述电平转换模块与所述IGBT的门极连接。

8.一种空调制热功率控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

空调控制器将接收到的用户操作指令转换为操作信号发送给整车控制器；

整车控制器根据操作信号生成操作指令发送给多合一控制器的电机控制模块；多合一控制器还包括IGBT和电源分配单元，电机控制模块与IGBT的门极连接，IGBT的发射极与PTC加热器的正极连接，IGBT的集电极与电源分配单元输出端的正极连接，PTC加热器的负极与电源分配单元输出端的负极连接；

电机控制模块根据操作指令控制IGBT输出电流信号对PTC加热器的输出功率进行调节。

9.根据权利要求8所述的空调制热功率控制方法，其特征在于，电机控制模块根据操作指令控制IGBT输出电流信号对PTC加热器的输出功率进行调节，包括以下步骤：

电机控制模块根据操作指令生成第一PWM信号，并将第一PWM信号发送给电平转换模块；

电平转换模块将接收到的第一PWM信号转换为第二PWM信号，并将第二PWM信号发送给IGBT；

IGBT根据第二PWM信号输出电流信号调节PTC加热器的输出功率。

10.根据权利要求9所述的空调制热功率控制方法，其特征在于，IGBT根据第二PWM信号输出电流信号控制PTC加热器的输出功率，包括以下步骤：

通过第二PWM信号控制IGBT的开关管占空比输出不同电流波形，对PTC加热器工作电流进行控制，从而对PTC加热器的输出功率进行调节。