如何優(yōu)化汽車(chē)HVAC設計,以在持續增長(cháng)的混合動(dòng)力汽車(chē)和電動(dòng)汽車(chē)市場(chǎng)保持優(yōu)勢

隨著(zhù)混合動(dòng)力汽車(chē) (HEV) 和電動(dòng)汽車(chē) (EV) 的數量在全球范圍內持續增長(cháng)，汽車(chē)研發(fā)人員也在不斷創(chuàng )新以保持優(yōu)勢。混合動(dòng)力汽車(chē)/電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力總成系統差異化歷來(lái)就是重點(diǎn)關(guān)注領(lǐng)域，而現如今，混合動(dòng)力汽車(chē)/電動(dòng)汽車(chē)熱管理或加熱、通風(fēng)和空調 (HVAC) 系統差異化對于市場(chǎng)佼佼者而言亦是不容忽視的領(lǐng)域。熱管理系統消耗的功率在混合動(dòng)力汽車(chē)/電動(dòng)汽車(chē)中排名第二（僅次于動(dòng)力總成系統），會(huì )直接影響續航里程。

數十年來(lái)，內燃機 (ICE) 一直在為汽車(chē)及其 HVAC 系統提供動(dòng)力。在混合動(dòng)力汽車(chē)/電動(dòng)汽車(chē)中，由于尺寸限制或不使用內燃機，需要額外引入兩個(gè)元件，這些元件在 HVAC 系統中起著(zhù)關(guān)鍵作用：

●   無(wú)刷直流 (BLDC) 電機是代替發(fā)動(dòng)機使空調壓縮機旋轉的直流電機。

●   正溫度系數 (PTC) 加熱器或熱泵代替發(fā)動(dòng)機對冷卻液進(jìn)行加熱。在使用熱泵的情況下，電池熱管理將熱量從電池傳至車(chē)內。集成熱泵可以減輕重量、延長(cháng)續航時(shí)間并降低成本。

請參見(jiàn)圖 1。

圖1 混合動(dòng)力汽車(chē)和電動(dòng)汽車(chē)中的加熱和冷卻系統

在本篇文章中，我們將概述與這些電子 HVAC 應用相關(guān)的設計挑戰，探討如何從實(shí)時(shí)控制性能、可擴展性和成本三方面著(zhù)手應對這些挑戰。

可靠的實(shí)時(shí)控制性能

高啟動(dòng)扭矩、高效率、低可聞噪聲和低電磁干擾 (EMI) 是優(yōu)秀電動(dòng)壓縮機系統的主要特征。

讓我們了解一下影響 HVAC 性能的重要因素，以及這些因素為何重要：

●   高啟動(dòng)扭矩：電動(dòng)壓縮機等高慣性系統需要高啟動(dòng)扭矩，以便壓縮機電機盡快達到優(yōu)選運行速度，從而提升 HVAC 系統的最終用戶(hù)體驗。

●   高效率：除混合動(dòng)力汽車(chē)/電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力總成系統外，電動(dòng)壓縮機系統在電動(dòng)汽車(chē)/混合動(dòng)力汽車(chē)中消耗的功率最高，大約 5kW 左右。因此，通過(guò)提高效率實(shí)現功率節省以便延長(cháng)續航里程，這是混合動(dòng)力汽車(chē)/電動(dòng)汽車(chē)開(kāi)發(fā)人員和消費者頗為關(guān)心的問(wèn)題。

●   低可聞噪聲和低 EMI：在 ICE 汽車(chē)中，相較于發(fā)動(dòng)機的噪聲，HVAC 系統的噪聲可以忽略不計。但是電動(dòng)汽車(chē)和混合動(dòng)力汽車(chē)容易受可聞噪聲影響，這在無(wú)發(fā)動(dòng)機的靜音汽車(chē)中顯得尤為突出?；旌蟿?dòng)力汽車(chē)和電動(dòng)汽車(chē)也易受來(lái)自電動(dòng)壓縮機所需的 BLDC 電機和電子設備的 EMI 影響?；旌蟿?dòng)力汽車(chē)和電動(dòng)汽車(chē)中的電動(dòng)壓縮機元件不應引入會(huì )影響現有系統或消費者駕駛體驗的噪聲。

●   盡管電動(dòng)壓縮機產(chǎn)品質(zhì)量直接受系統實(shí)時(shí)控制性能影響，但傳統 PTC 加熱器完全可在無(wú)電動(dòng)壓縮機的情況下工作，設計人員主要依靠成本來(lái)使這些產(chǎn)品脫穎而出。PTC 加熱器通過(guò)測量和控制流經(jīng)系統的電流（使用單個(gè)電阻器）來(lái)控制車(chē)內溫度。

●   考慮到要在單個(gè)系統上集成多個(gè)電機，熱泵需要依賴(lài)強大的實(shí)時(shí)控制性能。系統和微控制器 (MCU) 架構在實(shí)現高效且具有成本效益的集成熱泵系統控制方面發(fā)揮著(zhù)重要作用。

圖 2 中的框圖顯示了 TI C2000? 實(shí)時(shí) MCU 的架構和外設如何通過(guò)多電機控制啟用熱泵系統。

圖2 由 C2000 實(shí)時(shí) MCU 控制的熱泵系統

可擴展性

鑒于全球汽車(chē)原始設備制造商存在的不斷發(fā)展的趨勢和不同的需求，當下迫切需要利用兼容平臺來(lái)擴大不同應用需求的能力?；谄脚_的汽車(chē) HVAC 壓縮機、PTC 加熱器和熱泵設計方法有助于顯著(zhù)縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間并降低開(kāi)發(fā)成本。特別是對于 MCU，封裝類(lèi)型、引腳數、閃存、溫度、功能安全性（汽車(chē)安全完整性等級 B）、網(wǎng)絡(luò )安全、通信接口和成本方面的廣泛選擇對于幫助汽車(chē) HVAC 設計人員開(kāi)發(fā)可擴展平臺至關(guān)重要。

成本

系統物料清單、開(kāi)發(fā)資源和上市時(shí)間對于汽車(chē) HVAC 開(kāi)發(fā)商來(lái)講都是重要成本。具有成本效益的元件（包括 MCU）、利用可擴展平臺的能力和參考設計可幫助解決這些問(wèn)題。

TI 高壓電動(dòng)汽車(chē)/混合動(dòng)力汽車(chē)電動(dòng)壓縮機電機控制參考設計是一種高壓 5kW 參考設計，專(zhuān)為由 C2000 TMS320F2800157-Q1 實(shí)時(shí) MCU 控制的電動(dòng)汽車(chē)/混合動(dòng)力汽車(chē)電動(dòng)壓縮機應用而構建。該參考設計展示了針對性能、可擴展性和成本三方面的一些混合動(dòng)力汽車(chē)/電動(dòng)汽車(chē)電動(dòng)壓縮機設計挑戰的解決方案。

結語(yǔ)

混合動(dòng)力汽車(chē)和電動(dòng)汽車(chē)未來(lái)幾十年將越來(lái)越普及，HVAC 控制的電子解決方案亦是如此。這些汽車(chē)中的汽車(chē) HVAC 子系統所需的元件會(huì )帶來(lái)設計挑戰，例如可靠的實(shí)時(shí)控制、可擴展性和成本。在 C2000 實(shí)時(shí) MCU 和參考解決方案的幫助下，您可以從 ICE 順利過(guò)渡到混合動(dòng)力汽車(chē)和電動(dòng)汽車(chē) HVAC 系統。