本實用新型涉及新能源電動汽車用電控單元裝置，涉及一種電動汽車用PTC加熱驅(qū)動系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

自BaTiO3陶瓷的PTC鐵電效應(yīng)發(fā)現(xiàn)后，探索這種機理和應(yīng)用的課題案例一直引人矚目，PTC為正溫度系數(shù)熱敏陶瓷，在低溫狀態(tài)具有很低的電阻。一旦超出預(yù)先設(shè)定的溫度，電阻就會迅速增加數(shù)個數(shù)量級。而這一快速響應(yīng)的秘訣在于：在高溫下載流電子無法穿過細小的陶瓷晶體的邊界。溫度恒定，功率自動調(diào)整的這個特性使PTC熱敏電阻器成為理想的汽車加熱裝置。

自PTC理論問世至今已走過20多年歷程，特別近10年來，隨著材料科學及新能源汽車的發(fā)展應(yīng)用，PTC已成功應(yīng)用到新能源電動車上來并實現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化，PTC在汽車上的應(yīng)用越來越廣泛。目前已從單純的單個敏感元器件應(yīng)用擴展到輔助車廂內(nèi)部加熱，雨刷噴嘴加熱、燃料加熱等等，近來應(yīng)用到空調(diào)系統(tǒng)PTC的加熱、暖風應(yīng)用技術(shù)已采用小型化、高效化的單片組合與波紋散熱鋁條一體的PTC加熱器系統(tǒng)模塊，然而這種模塊先前多采用高壓繼電器直接控制設(shè)計，并且由于其結(jié)構(gòu)等設(shè)計簡單、生產(chǎn)也不復(fù)雜，尤其不需要太多電路設(shè)計專業(yè)技術(shù)，就可以開發(fā)生產(chǎn)而一度占據(jù)市場主體，應(yīng)用各類新能源汽車。然而隨著IGBT技術(shù)進步和智能互聯(lián)時代的到來，很多新能源汽車都朝這一方向發(fā)展和技術(shù)更新，這種繼電器控制的單一化只能實現(xiàn)開、關(guān)控制，不能自動控溫和智能化，壽命短、生產(chǎn)成本和維護成本高，且由于采用的高壓繼電器現(xiàn)時只能向國外零部件供應(yīng)商采購，批量生產(chǎn)存在風險等，已無法滿足新能源電動汽車市場需求。因此，需要一種新型電子開關(guān)功率器件類控制的新型PTC加熱驅(qū)動系統(tǒng)電路來實現(xiàn)這一迫切需求。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了解決上述技術(shù)問題，本實用新型的目的是提供一種自動控溫、自動調(diào)整，減少機械開關(guān)損耗，壽命高，成本低廉，安全可靠的電動汽車用PTC加熱驅(qū)動系統(tǒng)。

本實用新型提供一種電動汽車用PTC加熱驅(qū)動系統(tǒng)，包括主控電路、電源電路、采集電路、安全通訊電路、環(huán)路互鎖邏輯電路和驅(qū)動控制電路；所述電源電路分別為所述主控電路和所述驅(qū)動控制電路供電；所述主控電路連接所述驅(qū)動控制電路；所述主控電路和所述驅(qū)動控制電路之間連接有用以采集所述驅(qū)動控制電路內(nèi)IGBT晶體管電流電壓、IGBT晶體管溫度、PTC溫度的所述采集電路；所述主控電路和所述驅(qū)動控制電路之間還連接有所述環(huán)路互鎖邏輯電路；所述電源電路和所述主控電路之間連接有所述安全通訊電路。

該驅(qū)動系統(tǒng)采用PWM控制方式，利用PWM控制信號對加熱功率進行線性調(diào)制，科學管理能源。該系統(tǒng)通過高低壓分離及環(huán)路互鎖實施PWM驅(qū)動，采集溫度、電流、電壓等必要信號進行診斷，通過算法策略實時動態(tài)可控制自動調(diào)節(jié)和響應(yīng)，達到自動控制調(diào)節(jié)加熱驅(qū)動。

作為優(yōu)選，所述采集電路包括電流電壓采集電路、第一溫度采集電路、第二溫度采集電路。

作為優(yōu)選，所述電流電壓采集電路包括依次連接的采樣電路、濾波電路、第一隔離電路和采集診斷電路。

作為優(yōu)選，所述采樣電路包括第一采樣電阻、第二采樣電阻、第一電容；所述濾波電路包括第二電容、第三電容；所述第一隔離電路包括隔離芯片及其外圍電路；所述采集診斷電路包括第三電阻、第四電阻、第五電阻、第六電阻、第五電容、第六電容、第一運算放大器；所述第一采樣電阻與所述第一電容并聯(lián)在所述第二采樣電阻與GND接地之間；所述隔離芯片的一輸入端分別連接第二采樣電阻和第二電容，所述隔離芯片的另一輸入端、接地端與所述第二電容共同接地；所述第三電容并聯(lián)在所述隔離芯片的電源端和GND接地之間；所述隔離芯片的一輸出端依次連接第三電阻和第一運算放大器的正輸入端；所述隔離芯片的另一輸出端經(jīng)所述第五電阻分別連接第一運算放大器的負輸入端、以及經(jīng)第六電阻和第六電容構(gòu)成的并聯(lián)電電路連接第一運算放大器的輸出端；所述第四電阻與所述第五電容構(gòu)成的并聯(lián)電路一端接地，另一端連接在所述第三電阻和所述第一運算放大器正輸入端之間的連線處。

作為優(yōu)選，所述第一溫度采集電路包括用以檢測IGBT晶體管內(nèi)NTC溫度的采集電路；所述第二溫度采集電路包括用以檢測PTC內(nèi)部NTC溫度的采集電路。

作為優(yōu)選，所述安全通訊電路包括安全芯片及其外圍電路；所述主控電路發(fā)送踢狗信號給所述安全芯片，所述安全芯片反饋電平信號給所述主控電路；所述安全芯片的復(fù)位端與所述主控電路的復(fù)位端連接。

作為優(yōu)選，所述驅(qū)動控制電路包括依次連接的第二隔離電路、驅(qū)動電路、IGBT晶體管和PTC。

作為優(yōu)選，所述驅(qū)動控制電路還包括浪涌吸收電路，所述浪涌吸收電路設(shè)于所述驅(qū)動電路和所述IGBT晶體管之間。

作為優(yōu)選，所述環(huán)路互鎖邏輯電路為將所述主控電路發(fā)送的PWM信號轉(zhuǎn)換為提供給所述驅(qū)動控制電路的DSP信號的信號轉(zhuǎn)換電路。

作為優(yōu)選，還包括外置PWM控制電路，與所述主控電路連接。

本實用新型具有以下有益效果：

本實用新型一種電動汽車用PTC加熱驅(qū)動系統(tǒng)，采用PWM控制方式并實時動態(tài)調(diào)整驅(qū)動系統(tǒng)，形成自動控溫和自動控制；上述高效調(diào)節(jié)減少了機械開關(guān)損耗，提高了使用壽命，且設(shè)計簡單，采用最少最安全芯片并采用主動安全保護策略，很好地解決了自動控制、成本、壽命和可靠性等這一系列問題。

附圖說明

圖1為本實用新型一種電動汽車用PTC加熱驅(qū)動系統(tǒng)的系統(tǒng)框圖；

圖2為圖1中電流電壓采集電路的電路圖；

圖3為圖1中安全通訊電路的電路圖；

圖4為圖1中驅(qū)動控制電路的電路圖。

具體實施方式

以下結(jié)合附圖對本實用新型作進一步詳細說明。

如圖1， 本實用新型電動汽車用PTC加熱驅(qū)動系統(tǒng)包括主控電路、電源電路、采集電路、安全通訊電路、環(huán)路互鎖邏輯電路和驅(qū)動控制電路。所述電源電路分別為所述主控電路和所述驅(qū)動控制電路供電。所述主控電路連接所述驅(qū)動控制電路。所述主控電路和所述驅(qū)動控制電路之間連接有用以采集所述驅(qū)動控制電路內(nèi)IGBT晶體管電流、IGBT晶體管溫度、PTC溫度的所述采集電路。所述主控電路和所述驅(qū)動控制電路之間還連接有所述環(huán)路互鎖邏輯電路。所述電源電路和所述主控電路之間連接有所述安全通訊電路。

所述主控電路包括MCU主控芯片及其外圍電路構(gòu)成。當主控芯片正常工作時，所述主控芯片發(fā)出PWM脈沖信號經(jīng)所述環(huán)路互鎖電路至所述驅(qū)動電路，所述主控芯片還發(fā)出數(shù)字電平信號給所述驅(qū)動控制電路。當所述驅(qū)動控制電路收到上述信號后，其使能信號若能被激活，則驅(qū)動控制電路內(nèi)IGBT晶體管導(dǎo)通，導(dǎo)通電流使得PTC工作并對外輸出功率。于此同時，采集電路開始工作，采集電流、電壓、溫度等信息，之后反饋給主控芯片進行算法策略處理。整個控制驅(qū)動系統(tǒng)電路高低壓隔離，模擬量和數(shù)字量分開單獨控制，通過看門狗安全通訊電路保證主控芯片有效正常工作不進入死循環(huán)。軟件上也做了軟件狗處理，雙重主動安全符合安全策略。一旦主控芯片出現(xiàn)異常工作，IGBT晶體管不導(dǎo)通，PTC無法輸出功率，采集電路采集的電流、溫度信號均出現(xiàn)異常而導(dǎo)致算法策略發(fā)出斷開主控芯片驅(qū)動輸出和數(shù)字量信號輸出，從而實現(xiàn)閉環(huán)主動控制。

所述采集電路包括電流電壓采集電路、第一溫度采集電路、第二溫度采集電路。如圖2，所述電流電壓采集電路包括采樣電路、濾波電路、第一隔離電路和采集診斷電路。所述采樣電路包括第一采樣電阻R1、第二采樣電阻R2、第一電容C1。所述濾波電路包括第二電容C2、第三電容C3。所述第一隔離電路包括隔離芯片U4及其外圍電路。所述采集診斷電路包括第三電阻R3、第四電阻R4、第五電阻R5、第六電阻R6、第五電容C5、第六電容C6、第一運算放大器U5A。所述第一采樣電阻R1與所述第一電容C1并聯(lián)在所述第二采樣電阻R2與GND接地之間。所述隔離芯片U4的一輸入端分別連接第二采樣電阻R2和第二電容C2，所述隔離芯片U4的另一輸入端、接地端與所述第二電容C2共同接地。所述第三電容C3并聯(lián)在所述隔離芯片U4的電源端和GND接地之間。所述隔離芯片U4的一輸出端依次連接第三電阻R3和第一運算放大器U5A的正輸入端。所述隔離芯片U4的另一輸出端經(jīng)所述第五電阻R5分別連接第一運算放大器U5A的負輸入端、以及經(jīng)第六電阻R6和第六電容C6構(gòu)成的并聯(lián)電電路連接第一運算放大器U5A的輸出端。所述第四電阻R4與所述第五電容C5構(gòu)成的并聯(lián)電路一端接地GND，另一端連接在所述第三電阻R3和所述第一運算放大器U5A正輸入端之間的連線處。當IGBT晶體管導(dǎo)通后，對外輸出驅(qū)動，PTC工作后開始輸出電流加熱，輸出電流回路經(jīng)過第一采樣電阻R1和第一電容C1，第二采樣電阻R2采樣吸收后輸出電壓信號經(jīng)過第二電容C2和第三電容C3濾波后進入隔離芯片U4完成差分運算然后輸出兩路差分信號，此信號為主控芯片算法必要參數(shù)，此差分輸出小信號經(jīng)過第三電阻R3，第四電阻R4、第五電阻R5、第六電阻R6及第一運算放大器U5A完成必要的模擬量轉(zhuǎn)換輸出VADC_1給主控芯片ADC計算并同時經(jīng)另一路給診斷電路做硬件診斷算法保護。此電路通過采集，轉(zhuǎn)換，診斷等完成算法策略源信號管理。

所述第一溫度采集電路包括用以檢測IGBT晶體管內(nèi)NTC溫度的采集電路，利用溫度傳感器、采樣電阻采集IGBT晶體管中必要的NTC工作溫度并經(jīng)運放電路轉(zhuǎn)換需求的模擬量信號送入主控芯片進行算法策略運算。所述第二溫度采集電路包括用以檢測PTC內(nèi)部NTC溫度的采集電路，利用溫度傳感器、采樣電阻采集PTC內(nèi)部的NTC工作環(huán)境溫度，然后經(jīng)運放電路轉(zhuǎn)換成需求的模擬量信號，送入主控芯片進行算法策略運算。

如圖4，所述安全通訊電路包括安全芯片及其外圍電路。所述安全通訊電路具體包括第七電阻R75、第八電阻R78、第七電容C67、第八電容C68、安全芯片IC2、第九電容C64、第九電阻R76。所述第八電容C68并聯(lián)在所述安全芯片IC2的第3引腳和第4引腳之間，所述第七電容C67并聯(lián)在所述安全芯片IC2的第2引腳和第4引腳之間，所述第八電阻R78并聯(lián)在所述安全芯片IC2的第1引腳和第4引腳之間，所述安全芯片IC2的第4引腳接地，所述第七電阻675一端連接電源VDD，另一端與所述第八電阻R78連接。其中，所述第七電阻R75和第八電阻R78為供電，所述第七電容C67和第八電容C68為定時延時信號電容，所述第九電阻R76為復(fù)位功能電阻，所述第九電容C64為耦合電容。當供電后，主控輸出踢狗信號給安全電路喂狗，安全電路輸出RESET_H電平，安全電路通過通訊反饋can上報故障信息，當高壓系統(tǒng)電壓出現(xiàn)異常時，can總線反饋主控芯片上的can引腳信號，實現(xiàn)主控單元閉環(huán)控制策略，實施關(guān)斷PWM輸出和調(diào)整占空比限功率處理。安全電路的reset腳與主控芯片的reset腳相連實現(xiàn)自動復(fù)位及電源復(fù)位，防止供電異常和主控芯片進入死循環(huán)造成系統(tǒng)崩潰。

如圖4，所述驅(qū)動控制電路包括依次連接的第二隔離電路、驅(qū)動電路、IGBT晶體管和PTC。所述第二隔離電路包括隔離模塊IC7004、第十電容C7001、第十電阻R7001、第十一電阻R7002、第十一電容C7013、二極管D7001。所述驅(qū)動電路包括驅(qū)動芯片IC7002、第十二電容C7004、第十二電阻R7004。所述隔離模塊IC7004一輸入端與所述環(huán)路互鎖邏輯電路連接，另一輸入端經(jīng)二極管D7001、第十電阻R7001與主控電路連接。所述隔離模塊IC7004的使能端和第二輸出端之間并聯(lián)有第十一電阻R7002，所述隔離模塊IC7004的使能端和第一輸出端之間并聯(lián)有第十電容C7001，所述隔離模塊IC7004的第二輸出端與所述驅(qū)動芯片IC7002的輸入端連接。所述驅(qū)動芯片IC7002的使能端與所述隔離模塊IC7004之間連接有第十一電容，所述驅(qū)動芯片IC7002的使能端與其接地端之間連接有第十二電容C7004，所述驅(qū)動芯片IC7002的兩輸出端相連，分別連接IGBT晶體管的門極、和經(jīng)第十二電阻R7004連接IGBT晶體管的發(fā)射極，所述IGBT晶體管的集電極連接PTC。當隔離模塊IC7004收到PWM驅(qū)動信號通過來自環(huán)路互鎖信號轉(zhuǎn)換成的DSP_1信號和收到所述主控芯片數(shù)字電平信號DSP_2時，其中DSP_2為低電平，則所述隔離模塊激活輸出低電平信號給驅(qū)動芯片IC7002，驅(qū)動芯片使能信號激活后，輸出高電平PWM信號驅(qū)動IGBT晶體管導(dǎo)通，然后PTC開始工作加熱。為了滿足開啟IGBT晶體管的瞬時電流需求，防止開啟異常并減少損耗。所述驅(qū)動控制電路還包括浪涌吸收電路，所述浪涌吸收電路包括齊納二極管Z30和第十三電阻R7003，所述齊納二極管Z30并聯(lián)在所述驅(qū)動芯片的輸出端和第十二電阻R7004之間，所述第十三電阻R7003設(shè)于所述驅(qū)動芯片輸出端和所述IGBT晶體管門極之間，信號經(jīng)過齊納二極管Z30和第十三電阻R7003進行浪涌吸收。

本實用新型電動汽車用PTC加熱驅(qū)動系統(tǒng)的工作原理：當主控芯片正常工作時，由主控芯片或者主控芯片外接的PWM控制單元發(fā)出PWM脈沖信號，于此同時主控芯片的數(shù)字單元發(fā)出低電平信號給環(huán)路互鎖邏輯電路，邏輯電路工作后信號經(jīng)過隔離模塊導(dǎo)通輸出給驅(qū)動芯片，驅(qū)動芯片輸入低電平，并當在驅(qū)動芯片使能信號被激活后，經(jīng)過內(nèi)部邏輯輸出正向高電平大電流驅(qū)動信號，驅(qū)動信號峰值電流可達9A，經(jīng)過浪涌吸收電路處理后通過驅(qū)動電阻R7004送入IGBT晶體管,且當高壓信號有效后，IGBT晶體管導(dǎo)通，導(dǎo)通電流使得PTC工作對外輸出功率，于此同時采集電路開始工作并分成四個回路，一路采集輸出電流，將此采集的電流信號轉(zhuǎn)換為模擬電壓信號送入主控芯片；二路來自IGBT的溫度采集電路采集必要的NTC工作溫度，轉(zhuǎn)換成模擬量信號送入主控芯片；三路采集來自PTC內(nèi)部的NTC工作環(huán)境溫度，轉(zhuǎn)換成模擬量信號送入主控芯片；四路采集來自can總線上的高壓信號及時動態(tài)反饋給主控芯片。

當主控芯片出現(xiàn)異常工作時，PWM控制信號和數(shù)字量電平信號通過環(huán)路互鎖電路不能被有效激活，使得送到驅(qū)動芯片的輸入信號不能為有效低電平，驅(qū)動芯片內(nèi)部使能不能被激活，從而無法輸出正常高電平驅(qū)動信號，繼而不能導(dǎo)通IGBT晶體管，PTC無法輸出功率，采集電路采集的電流、溫度信號均出現(xiàn)異常而導(dǎo)致算法策略發(fā)出斷開主控芯片驅(qū)動輸出和數(shù)字量信號輸出，從而實現(xiàn)閉環(huán)主動控制。當主控芯片輸出PWM信號后，經(jīng)隔離模塊、驅(qū)動芯片輸出給IGBT晶體管，在IGBT晶體管導(dǎo)通后，PTC輸出正常功率啟動加熱過程，并形成自動控溫，當輸出電流異常后導(dǎo)致局部發(fā)熱嚴重，在IGBT晶體管有限的驅(qū)動電流能力內(nèi)，過熱的環(huán)境使得電流電壓采集電路上轉(zhuǎn)換的線性電壓信號出現(xiàn)瞬時爬升甚至跳躍，采集到的輸出電壓動態(tài)反饋至主控芯片后，根據(jù)控制算法策略，采取強制關(guān)斷PWM輸出和數(shù)字量使能信號輸出，對于溫升異常但不至于影響IGBT晶體管崩潰，采取調(diào)節(jié)PWM占空比，以減少導(dǎo)通時間進而實現(xiàn)降功率輸出。根據(jù)大量數(shù)據(jù)分析來看，采用固定頻率調(diào)制并適當降低頻率值可有限避免開啟關(guān)斷瞬時溫升異常的誤診斷。系統(tǒng)高壓輸出后，當IGBT晶體管的門極的PWM控制信號到來時，使得IGBT晶體管導(dǎo)通，系統(tǒng)的高壓通過can動態(tài)監(jiān)控其欠壓、過壓狀態(tài)，實現(xiàn)動態(tài)輸出功率控制策略。

上面所述的實施例僅是對本實用新型的優(yōu)選實施方式進行描述，并非對本實用新型的構(gòu)思和范圍進行限定。在不脫離本實用新型設(shè)計構(gòu)思的前提下，本領(lǐng)域普通人員對本實用新型的技術(shù)方案做出的各種變型和改進，均應(yīng)落入到本實用新型的保護范圍，本實用新型請求保護的技術(shù)內(nèi)容，已經(jīng)全部記載在權(quán)利要求書中。