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電動汽車用PTC過熱檢測保護(hù)方式

2020-04-08 19:19:20·  來源：電動學(xué)堂  
　
作者單位：東風(fēng)汽車公司技術(shù)中心引言目前，溫控系統(tǒng)在汽車上己成為不可或缺的一部分，它為駕乘人員提供舒適的駕乘環(huán)境，相比傳統(tǒng)車，電動汽車雖沒有發(fā)動機(jī)，但涉
作者單位：東風(fēng)汽車公司技術(shù)中心
引言
目前，溫控系統(tǒng)在汽車上己成為不可或缺的一部分，它為駕乘人員提供舒適的駕乘環(huán)境，相比傳統(tǒng)車，電動汽車雖沒有發(fā)動機(jī)，但涉及高壓系統(tǒng)，因此，它的溫控系統(tǒng)相對復(fù)雜，同時要求也高。如何保證系統(tǒng)安全、可靠地工作與運(yùn)行，成為重中之重。
1 系統(tǒng)組成
本系統(tǒng)除了采用傳統(tǒng)的軟件策略保護(hù)以外，更通過采用硬件保護(hù)的方式從根本上有效地防止IGBT燒毀。
對于所述的汽車PTC加熱控制系統(tǒng)，它主要包括：CPU模塊、低壓供電電路、高壓供電電路、多路IGBT功率管及IGBT驅(qū)動模塊、通信接口電路、PWM信號輸出電路PTC模塊（電流傳感器、溫度傳感器及檢測電路、高壓電流檢測電路）、散熱器（由鋁散熱器、PTC芯片、PTC電極、PTC絕緣紙）等，如圖1所示。
 
2 系統(tǒng)主要功能
電動汽車PTC系統(tǒng)的主要功能如下：
①使用車輛上可得到的電能加熱液體介質(zhì)。
②低壓輸入過電壓/欠電壓保護(hù)功能。
③過載保護(hù)功能。
④過流保護(hù)功能。
⑤過溫保護(hù)功能。
⑥短路保護(hù)功能。
⑦電流緩變功能。
⑧故障反饋。
⑨高安全性的自診斷功能。
3 系統(tǒng)主要檢測及保護(hù)方式
3.1 高壓端的欠電壓和過電壓保護(hù)
保證PTC內(nèi)部控制電路（主要由低壓端供電的器件）在9~16V電壓范圍內(nèi)正常工作，當(dāng)?shù)蛪憾穗妷寒惓＃ㄟ^電壓或欠電壓）時，關(guān)閉所有功能，以防止出現(xiàn)功能紊亂及器件的損壞。
 
如圖2所示，高壓端通過6顆采樣電阻對250~450V的高壓進(jìn)行采樣，通過計算，CHECK端的采樣電壓是2.48～4.46V。單片機(jī)對此電壓進(jìn)行識別，低于2.48V為欠電壓，高于4.46V為過電壓。此時單片機(jī)會發(fā)出控制信號關(guān)斷高壓前級的繼電器，用于切斷高壓供電。
3.2 高壓反接保護(hù)
由于控制器件IGBT的CE端內(nèi)部有一反向連接的二極管，當(dāng)高壓接反時，產(chǎn)品會不受控制直接工作，并且會損壞控制器件。
 
如圖3所示，當(dāng)高壓接反時，串聯(lián)電阻的采樣回路中有一個耐壓600V的二極管，此時1MΩ的采樣電阻上沒有電壓，采樣出的電壓為0V時，單片機(jī)關(guān)斷前級繼電器，關(guān)斷高壓電，實(shí)現(xiàn)反接保護(hù)。
實(shí)現(xiàn)高壓端的欠過電壓保護(hù)、反接保護(hù)，前提是控制器有功率請求的條件下進(jìn)行的。在PTC產(chǎn)品沒有功率請求的條件下，不進(jìn)行高壓的反接及欠過電壓檢測保護(hù)。
控制器有功率請求的條件下高壓端單片機(jī)會打開高壓端的繼電器，讓高壓電供到產(chǎn)品端，由產(chǎn)品端進(jìn)行欠過電壓和反接的檢測實(shí)現(xiàn)保護(hù)功能。
3.3 過電流保護(hù)功能
該功能主要用于當(dāng)PTC工作電流異常增大至設(shè)定的過流闊值（48V)時，電流控制單元能及時地關(guān)閉IGBT的驅(qū)動，以實(shí)現(xiàn)對IGBT的保護(hù)。
 
如圖4所示，IGBT的輸出電路中串聯(lián)一個大功率電阻（康銅絲電阻，5W/1MΩ），用于采樣電路工作電流。通過該電阻將電流信號轉(zhuǎn)化為電壓信號。電壓信號經(jīng)過放大后一方面?zhèn)鬟f給MCU2（通知MCU2過流信息），另一方面與基準(zhǔn)電壓做比較，當(dāng)大于基準(zhǔn)電壓時，電路關(guān)閉IGBT的驅(qū)動。從而關(guān)閉IGBT的工作，保護(hù)IGBT。
軟件若在4s內(nèi)檢測到過電流3次，則徹底關(guān)斷驅(qū)動信號，需低壓端重新上電才可恢復(fù)。
3.5 IGBT擊穿檢測及實(shí)現(xiàn)電路
IGBT擊穿會使產(chǎn)品不受控制，自行輸出功率。因此，如何保障IGBT是否正常工作尤為重要。
1）在高壓電流采樣電阻端采樣出很小的驅(qū)動信號，經(jīng)過運(yùn)放放大送到單片機(jī)的捕捉口與單片機(jī)內(nèi)置正常驅(qū)動波形進(jìn)行比較，判斷出異常時，單片機(jī)發(fā)出控制信號并關(guān)斷高壓端繼電器，切斷高壓供電實(shí)現(xiàn)擊穿保護(hù)。同時低壓端單片機(jī)會拉低輸入端口的PWM信號，讓控制器識別，控制器會報故障信號給整車，如圖5所示。
 
2）通過實(shí)時捕捉IGBT驅(qū)動波形，和單片機(jī)預(yù)置數(shù)據(jù)比較，判斷關(guān)斷高壓繼電器實(shí)現(xiàn)IGBT擊穿保護(hù)。單片機(jī)在沒有功率請求條件下判斷高壓回路中有無電流。有電流則判斷為IGBT擊穿損壞，關(guān)斷高壓，并報故障給整車，如圖6所示。
 
4 測試驗(yàn)證
4.1 高壓端的欠電壓和過電壓保護(hù)
高壓端正常電壓范圍是：250~450V。
高壓端欠電壓為249V，250V正常工作，PTC正常工作，有功率請求時，出現(xiàn)欠電壓，會關(guān)斷IGBT驅(qū)動，產(chǎn)品無功率輸出，直到電壓恢復(fù)正常范圍后恢復(fù)功率輸出，如圖7所示。
 
高壓端過電壓為451V，450V正常工作，PTC正常工作，有功率請求時，出現(xiàn)過電壓，會關(guān)斷IGBT驅(qū)動，產(chǎn)品無功率輸出，直到電壓恢復(fù)正常范圍后恢復(fù)功率輸出，如圖8所示。
 
4.2 過流保護(hù)策略驗(yàn)證
1）控制策略：過電流檢測電路設(shè)定過電流聞值為48A，超過聞值電流，MCU關(guān)閉IGBT驅(qū)動信號，待2s后開啟驅(qū)動信號，再次檢測過電流信號，若依舊過電流仍關(guān)閉驅(qū)動信號，再次待2s后次開啟驅(qū)動信號，如此連續(xù)3次檢測到過電流信號，徹底關(guān)斷IGBT驅(qū)動信號并拉低PWM信號上報故障至BMS斷電。
2）波形注釋：電流波動（3通道）的次數(shù)，比較器翻轉(zhuǎn)的次數(shù)（2通道）及單片機(jī)關(guān)斷驅(qū)動的次數(shù)(1通道）都為3次，如圖9所示。
 
4通道是過電流后低壓端單片機(jī)發(fā)出的打開晶體管拉低PWM的高電平信號（上報故障信號）。
5 結(jié)論
本系統(tǒng)有效可靠地解決了電動汽車的溫控系統(tǒng)存在的缺陷，經(jīng)過實(shí)車測試驗(yàn)證，功能良好，能夠可靠地完成各項(xiàng)功能操作。
 
 
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