車載電動空調壓縮機驅動器的設計

蔡婷

摘要：本文介紹了車載電動空調現狀及發展前景，對空調的控制系統及驅動器的電路組成做簡要介紹，對關鍵電路防反接保護，輸入電壓檢測及逆變驅動電路設計做詳細介紹，驅動器通過實際驗證能夠達到安全可靠穩定運行。

關鍵詞：車載空調;驅動器;保護;安全可靠

前言

隨著新能源汽車產業的興起和人們生活質量的提高，人們對新能源汽車的可靠性、舒適性和節能環保等性能提出了更高的要求，而電動汽車空調的好壞是決定乘車舒適性的重要因素之一。電動空調壓縮機是電動空調系統的重要核心零部件。隨著新能源汽車的產業化，該產品的需求量會不斷上升，經濟利潤空間大，擁有光明的市場前景。同電動汽車驅動系統一樣，電動空調壓縮機也是用電動機進行驅動;為其研究開發一款性能良好、運行平穩、工作高效和安全可靠的驅動器控制系統非常重要[1]。

家用及商用空調市場上驅動控制已經相對成熟，但是對于車載空調市場，由于掌握成熟方案的國內大廠家沒有參與及車載空調用驅動器低電壓大電流的特性，導致仍處在發展階段，現有市場產品在不斷改進和更新[2]。

1 驅動器設計與實現

車載壓縮機驅動器是空調系統外機的控制器，是車載空調整體控制最關鍵的一部分，以下從車載控制系統，驅動器整體介紹到防反接保護，電壓檢測電路設計及驅動電路做了詳盡的介紹。

2 車載空調控制系統

車載空調的控制系統由直流電源（電池），壓縮機驅動器，空調控制器組成，空調控制器控制車內出風角度，蒸發器風機轉速，設定溫度及顯示，進行溫度判斷從而給出驅動器壓縮機及冷凝器風機轉速信息等;壓縮機驅動器包含壓縮機的變頻驅動模塊及冷凝器風機轉速驅動調速模塊，環境溫度檢測及壓縮機排氣溫度檢測[3]。車載空調控制系統如圖一所示：

3 驅動器整體介紹

驅動器最主要的部分就是逆變驅動電路，壓縮機驅動的核心電路。除此之外，還包含單片機最小系統，輸入電源檢測電路（經過檢測判定是否進行過壓保護及欠壓保護），防反接保護電路（防止輸入電源線的正負極接反損傷驅動器），過流保護電路（過載等異常情況下對驅動器降頻或保護停機），定子電流檢測電路（保證可靠穩定運行），環境溫度檢測（用于溫度控制邏輯）及排氣溫度檢測電路（用于壓縮機保護），通信電路（與空調控制器通信，接收運行轉速及啟停機信號，向內機發送報警故障信號）。

4 防反接保護電路設計

車載空調使用的電源是直流24V電池，由于在安裝時接線反向不能實現功能還可能損壞電路，因此輸入電源防反接保護是很有必要的。因為達到需求冷量的情況下功率較高，電流較大，因此設計中要考慮壓降及功耗問題。MOS管型防反接保護電路利用了MOS管的開關特性，控制電路的導通和斷開來設計防反接保護電路，由于功率MOS管的內阻很小，現在 MOSFET Rds（on）已經能夠做到毫歐級，解決了現有采用二極管電源防反接方案存在的壓降和功耗過大的問題。

N溝道MOS管通過S管腳和D管腳串接于電源和負載之間，電阻R1為MOS管提供電壓偏置，利用MOS管的開關特性控制電路的導通和斷開，從而防止電源反接給負載帶來損壞。正接時候，R1提供VGS電壓，MOS飽和導通。反接的時候MOS不能導通，所以起到防反接作用。D1為穩壓管防止柵源電壓過高擊穿mos管。

5 電壓檢測電路設計

由于車載空調用的電池不是穩壓電源，電壓會有高于24V的波動，隨著電池的消耗，電壓也會降低，因此為了保證驅動器可以穩定可靠地輸出，監測電池的電壓很有必要，在電壓過高或者電壓很低的時候都要進行驅動器停止輸出保護，待電壓在可靠范圍內再次啟動。在空調系統的控制中一般在電壓幾次檢測過高或者過低后才會進行故障鎖定，只有當故障進行軟件清除或重新上電后才能正常工作。在高低壓保護中要考慮到電池的特性及電源到驅動器的壓降，從而設定合適的保護電壓值。驅動器的輸入電壓監測電路如圖三所示，電阻和電容組成低通濾波器。

6 逆變驅動電路設計

車載空調的驅動器最核心的就是逆變驅動電路，為了達到要求的冷量，壓縮機功率需求較高，在低電源電壓的情況下運行電流會很大，一般電流在30A左右，過載情況下電流能夠達到45A左右。為了滿足驅動器在大電流下安全可靠的運行，逆變驅動電路采用大電流的MOS管并聯驅動，解決了過載情況大電流容易引起器件擊穿或發熱嚴重的問題。同時在設計中，MOS管處加溫度傳感器，當MOS管在環境溫度較高、負荷較大電流較大導致溫升過高時進行保護。溫度保護分為過溫告警及過溫保護，當達到過溫告警條件時，首先進行降頻處理以降低電流，減小溫升，當溫度持續升高或者直接出現過大溫升則直接進行過溫保護，停止壓縮機輸出，直到MOS管溫度達到恢復啟動溫度值重新啟動。

在實際PCB布板時，也要考慮大電流的安全可靠運行，采用大面積鋪銅并加銅條，保證了逆變驅動器在大電流下的發熱不會過高，也減小了驅動器的面積。

7 結論

車載電動空調壓縮機驅動器最大的特點是，相較于家用空調驅動器而言電源電壓低，電流較大。為了驅動器能夠安全可靠的運行，不僅要驅動壓縮機穩定運行，還需要齊全的保護考慮，如防反接保護，排氣溫度檢測及通過輸入電源電壓檢測進行過壓及欠壓保護，為了驅動器防止在運行中出現誤動作及頻繁的關停機，還進行完善的告警及保護邏輯，通過以上設計可以實現系統對驅動器的功能要求，經過實際驗證滿足使用需求。

參考文獻

[1] 孫云，楊學平，蔣超宇，薛秀麗，新能源汽車電動空調壓縮機驅動器設計研究，[J]，新技術新工藝，2017

[2] 李娜，駐車空調發展現狀和發展趨勢，[J]科學與技術，2018.11

[3] 曹愛強，新能源汽車電動空調控制系統及其實現研究[D].上海同濟大學，2008