如何優化汽車HVAC設計，以在持續增長的HEV和EV市場保持優勢

隨著混合動力汽車 (HEV) 和電動汽車 (EV) 的數量在全球范圍內持續增長，汽車研發人員也在不斷創新以保持優勢。混合動力汽車/電動汽車動力總成系統差異化歷來就是重點關注領域，而現如今，混合動力汽車/電動汽車熱管理或加熱、通風和空調 (HVAC) 系統差異化對于市場佼佼者而言亦是不容忽視的領域。熱管理系統消耗的功率在混合動力汽車/電動汽車中排名第二（僅次于動力總成系統），會直接影響續航里程。

數十年來，內燃機 (ICE) 一直在為汽車及其 HVAC 系統提供動力。在混合動力汽車/電動汽車中，由于尺寸限制或不使用內燃機，需要額外引入兩個元件，這些元件在 HVAC 系統中起著關鍵作用：

●   無刷直流 (BLDC) 電機是代替發動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動機對冷卻液進行加熱。在使用熱泵的情況下，電池熱管理將熱量從電池傳至車內。集成熱泵可以減輕重量、延長續航時間并降低成本。

請參見圖 1。

圖 1：混合動力汽車和電動汽車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 應用相關的設計挑戰，探討如何從實時控制性能、可擴展性和成本三方面著手應對這些挑戰。

可靠的實時控制性能

高啟動扭矩、高效率、低可聞噪聲和低電磁干擾 (EMI) 是優秀電動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：

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

●   高效率：除混合動力汽車/電動汽車動力總成系統外，電動壓縮機系統在電動汽車/混合動力汽車中消耗的功率最高，大約 5kW 左右。因此，通過提高效率實現功率節省以便延長續航里程，這是混合動力汽車/電動汽車開發人員和消費者頗為關心的問題。

●   低可聞噪聲和低 EMI：在 ICE 汽車中，相較于發動機的噪聲，HVAC 系統的噪聲可以忽略不計。但是電動汽車和混合動力汽車容易受可聞噪聲影響，這在無發動機的靜音汽車中顯得尤為突出。混合動力汽車和電動汽車也易受來自電動壓縮機所需的 BLDC 電機和電子設備的 EMI 影響。混合動力汽車和電動汽車中的電動壓縮機元件不應引入會影響現有系統或消費者駕駛體驗的噪聲。

●   盡管電動壓縮機產品質量直接受系統實時控制性能影響，但傳統 PTC 加熱器完全可在無電動壓縮機的情況下工作，設計人員主要依靠成本來使這些產品脫穎而出。PTC 加熱器通過測量和控制流經系統的電流（使用單個電阻器）來控制車內溫度。

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

圖 2 中的框圖顯示了 TI C2000Tm 實時 MCU 的架構和外設如何通過多電機控制啟用熱泵系統。

圖 2：由 C2000 實時 MCU 控制的熱泵系統

可擴展性

鑒于全球汽車原始設備制造商存在的不斷發展的趨勢和不同的需求，當下迫切需要利用兼容平臺來擴大不同應用需求的能力。基于平臺的汽車 HVAC 壓縮機、PTC 加熱器和熱泵設計方法有助于顯著縮短開發時間并降低開發成本。特別是對于 MCU，封裝類型、引腳數、閃存、溫度、功能安全性（汽車安全完整性等級 B）、網絡安全、通信接口和成本方面的廣泛選擇對于幫助汽車 HVAC 設計人員開發可擴展平臺至關重要。

成本

系統物料清單、開發資源和上市時間對于汽車 HVAC 開發商來講都是重要成本。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題。

TI 高壓電動汽車/混合動力汽車電動壓縮機電機控制參考設計是一種高壓 5kW 參考設計，專為由 C2000 TMS320F2800157-Q1 實時 MCU 控制的電動汽車/混合動力汽車電動壓縮機應用而構建。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力汽車/電動汽車電動壓縮機設計挑戰的解決方案。

結語

混合動力汽車和電動汽車未來幾十年將越來越普及，HVAC 控制的電子解決方案亦是如此。這些汽車中的汽車 HVAC 子系統所需的元件會帶來設計挑戰，例如可靠的實時控制、可擴展性和成本。在 C2000 實時 MCU 和參考解決方案的幫助下，您可以從 ICE 順利過渡到混合動力汽車和電動汽車 HVAC 系統。