CN107303794B

CN107303794B - 一种ptc液体加热器及其加热控制方法

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Publication number: CN107303794B
Application number: CN201610257448.0A
Authority: CN
Inventors: 陈永良; 陈小冬; 杨峰; 张达
Original assignee: BYD Co Ltd
Current assignee: BYD Co Ltd
Priority date: 2016-04-22
Filing date: 2016-04-22
Publication date: 2021-03-26
Anticipated expiration: 2036-04-22
Also published as: CN107303794A

Abstract

为解决现有PTC液体加热器进行加热时，可能出现电流峰值点，使得整车启动保护措施，断开高压回路，导致PTC加热模块不能工作的问题，本发明提供了一种PTC液体加热器及其加热控制方法。PTC液体加热器，包括第一加热模组、第二加热模组、第一开关、第二开关、第一驱动电路、第二驱动电路、高压电路和控制器；第一加热模组包括并联x个PTC加热模块；第二加热模组包括并联y个PTC加热模块；且控制器发送给第一驱动电路的第一逻辑信号和第二驱动电路的第二逻辑信号延时预设时间t。本发明提供PTC液体加热器，通过上述采用两档分组加PWM控制的方式，可以降低电流冲击，有效防止出现电流峰值点，使得其控制方式更加安全。

Description

一种PTC液体加热器及其加热控制方法

技术领域

本发明涉及新能源汽车空调供暖系统，尤其指其中的PTC液体加热器领域。

背景技术

随着新能源汽车的快速发展，尤其高压纯电动汽车的发展，整车空调供暖方案随之发生变化，综合其安全、稳定、舒适性，目前的趋势是采用高电压PTC液体加热器，已满足采暖、除霜、除雾等需求。

现有PTC液体加热器主要包括若干加热模组、若干控制开关（常见为IGBT）、若干驱动电路、高压电路和控制器；所述加热模组包括若干PTC加热模块；所述控制开关接在所述高压电路和加热模组之间，所述控制开关的控制端与所述驱动电路连接，所述驱动电路连接至控制器；所述高压电路通过所述控制开关为所述加热模组提供电源；所述控制器将控制信号发送给驱动电路，驱动电路生成驱动信号，驱动所述控制开关的通断。上述控制开关、驱动电路和高压电路、控制器常常均安装在一控制板上。

目前，现有PTC液体加热器一般采用档位控制的模式，根据用户设置温度选择档位，通过控制各个控制开关的通断来选择对应加热模组进行加热；该种档位通断控温，温度跳变较大，舒适性不足。此外，在设计上述控制板时，随着上述PTC加热模块的个数的不同，其驱动电路、控制开关等的个数也随之改变，也即不同功率、不同型号的PTC液体加热器需设计与之匹配的控制板，不利于平台化；且大功率的PTC液体加热器产品控制板尺寸大，占空间大。档位控制根据加热芯体模块分组数来配置IGBT，分组越多，温度控制越好，舒适性越好，使用的IGBT也越多，成本越高。

此外，申请人在研发过程中发现，现有也有部分PTC液体加热器采用PWM控制的方式，其向控制开关输出占空比可变的PWM信号，以控制各加热模块的加热时间，如此，可以有效避免温度跳变。

然而，申请人发现该种单纯采用PWM控制的方式，由于PTC加热模块的特性是随着温度的上升，电阻增大；温度下降，电阻下降；因此，如果PTC加热模块的个数较多，当采用满功率（占空比100%）进行加热时，在温度较低的时候，其电流将较大，如果电流超过高压电路中允许的电流峰值点，整车将启动保护措施，断开高压回路，导致PTC加热模块因此不能工作。

发明内容

为解决现有PTC液体加热器采用满功率进行加热时，可能出现电流峰值点，使得整车启动保护措施，断开高压回路，导致PTC加热模块不能工作的问题，本发明提供了一种PTC液体加热器及其加热控制方法。

本发明一方面提供了一种PTC液体加热器，包括第一加热模组、第二加热模组、第一开关、第二开关、第一驱动电路、第二驱动电路、高压电路和控制器；

所述第一加热模组包括并联x个PTC加热模块；第二加热模组包括并联y个PTC加热模块；

所述高压电路用于为所述第一加热模组和所述第二加热模组提供高压电；

第一开关串接在所述高压电路和所述第一加热模组之间，第二开关串接接在所述高压电路和所述第二加热模组之间；

所述控制器用于接收具有总占空比γ的PWM温控信号，将所述PWM温控信号换算成具有第一占空比

的第一逻辑信号和具有第二占空比

的第二逻辑信号，并将所述第一逻辑信号发送给第一驱动电路，将第二逻辑信号发送给第二驱动电路；且控制器发送给第一驱动电路的第一逻辑信号和第二驱动电路的第二逻辑信号延时预设时间t；

第一驱动电路输入端连接至控制器，接收所述第一逻辑信号；输出端连接所述第一开关的控制端，用于向所述第一开关输出具有第一占空比

的第一驱动信号，以控制所述第一开关的通断；

第二驱动电路的输入端连接至控制器，接收所述第二逻辑信号；输出端连接所述第二开关的控制端，用于向所述第二开关输出具有第二占空比

的第二驱动信号，以控制所述第二开关的通断。

进一步地，所述PWM温控信号根据包括用户输入的设置温度T0和温度传感器检测到的当前温度T1在内的参数生成。

进一步地，所述PWM温控信号根据包括用户输入的设置温度T0、温度传感器检测到的当前温度T1以及空调出风速度在内的参数生成。

进一步地，所述x≤y。

进一步地，第一逻辑信号的第一占空比

和第二逻辑信号的第二占空比

满足如下表达式：

（表达式一）；

（表达式二）；

其中，当上述表达式中

、

数值大于等于1时，识别为1；表达式中

、

数值小于等于0时，识别为0。

进一步地，所述第一开关和所述第二开关均为IGBT。

进一步地，所述第一开关、第二开关、第一驱动电路、第二驱动电路、高压电路和控制器均设置在一控制板上。

进一步地，所述第一加热模组和第二加热模组安装在一内装有冷却液的壳体中，形成加热装置；所述控制板安装在所述加热装置上部，且所述控制板和所述加热装置之间通过一绝缘隔热部件隔离。

进一步地，所述加热装置上部还设有一电极板，所述电极板将所述加热装置上各PTC加热模块的电极电连接到所述电极板上，并通过设置在其上的电路引出若干电极柱；所述电极柱与所述电极板电连接。

进一步地，所述第一加热模组中的PTC加热模块和第二加热模组中的PTC加热模块穿插布置。

本发明提供PTC液体加热器的仅划分两个档位，只需将各PTC加热模块分为第一加热模组和第二加热模组，使用两个控制开关通过PWM控制方式控制第一加热模组和第二加热模组，大大节约了成本。其控制方式可兼容各种不同功率的PTC液体加热器，更利于不同结构、不同型号的产品平台化，减少了大功率PTC液体加热器控制舱尺寸，节约空间。通过上述采用两档分组加PWM控制的方式，可以降低电流冲击，有效防止出现电流峰值点，使得其控制方式更加安全。实现了档位无限划分，实现了无极控温，温度跳变呈线性递增或递减，舒适性极好。

本发明第二方面提供了一种PTC液体加热器的加热控制方法，所述加热控制方法包括如下步骤：

控制器接收接收根据包括用户输入的设置温度T0和温度传感器检测到的当前温度T1及空调出风速度在内的参数生成的具有总占空比γ的PWM温控信号，将所述PWM温控信号换算成具有第一占空比

的第一逻辑信号和具有第二占空比

的第二逻辑信号，并将所述第一逻辑信号发送给第一驱动电路，将第二逻辑信号发送给第二驱动电路；

第一驱动电路接收第一逻辑信号，向第一开关输出第一驱动信号，控制所述第一开关的通断，以实现第一加热模组的通断；第二驱动电路接收第二逻辑信号，向第二开关输出第二驱动信号，控制所述第二开关的通断，以实现第二加热模组的通断。

进一步地，其具体包括如下步骤：

SA、低功率加热步骤：所述PWM温控信号的总占空比γ满足如下表达式：

；

第一加热模组即满足采暖需求，仅启动第一驱动模块驱动第一加热模组工作，第二加热模组不工作；此时控制器发出的第一逻辑信号的第一占空比

和第二逻辑信号的第二占空比

满足如下表达式：

；其中，当

≥1时，

=1；

=0；

SB、高功率加热步骤：所述PWM温控信号的总占空比γ满足如下表达式：

；

此时第一逻辑信号的第一占空比

满足如下表达式：

=1；

第一加热模组先进行满档工作，延时预设时间t后，启动第二加热模组工作；此时控制器发出的第二逻辑信号的第二占空比

满足如下表达式：

。

进一步地，还包括如下步骤：

SC、降温步骤：控制器收到的PWM温控信号的总占空比γ=0；控制器发出的第一逻辑信号的第一占空比

满足如下表达式：

=0；

关断第一加热模组；

经预设时间t后，控制器发出的第二逻辑信号的第二占空比

满足如下表达式：

=0；

关断第二加热模组。

进一步地，所述预设时间t为5秒。

采用本发明提供的加热控制方法，其根据具有总占空比γ的PWM温控信号，据此发出第一逻辑信号和第二逻辑信号给第一驱动电路和第二驱动电路，控制器发送给第一驱动电路的第一逻辑信号和第二驱动电路的第二逻辑信号延时预设时间t。如此，当其需要加热的预设温度和当前温度相差较小时，可以仅启用第一加热模组，当需要加热的预设温度和当前温度相差较大时，可以预先启动第一加热模组，通过第一加热模组预热第二加热模组，经延时预设时间t后，再启动第二加热模组。在产品工作后需降温时，采取先断开第一加热模组，然后经延时预设时间t后再控制第二加热模组断开的方式实现降温。如此，实现分段控制以规避单纯采用PWM控制方式导致的可能出现的高峰值电流风险。通过上述采用两档分组加PWM控制的方式，降低电流冲击，可以有效防止出现电流峰值点，使得其控制方式更加安全。实现了档位无限划分，实现了无极控温，温度跳变呈线性递增或递减，舒适性极好。

附图说明

图1是本发明具体实施方式中提供的PTC液体加热器示意框图；

图2是本发明具体实施方式中提供的第一加热模组示意图；

图3是本发明具体实施方式中提供的第二加热模组示意图；

图4是本发明具体实施方式中提供的PTC液体加热器主视示意图；

图5是本发明具体实施方式中提供的PTC液体加热器俯视示意图；

图6是本发明具体实施方式中提供的PTC液体加热器侧视示意图；

图7是本发明具体实施方式中提供的PTC液体加热器的加热控制框图。

其中，1、PTC加热模块；2、绝缘隔热部件；3、控制板；4、凸台；C、控制器；V、高压电路；D1、第一驱动电路；D2、第二驱动电路；K1、第一开关；K2、第二开关；P1、第一加热模组；P2、第二加热模组。

具体实施方式

为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

本例将对本发明公开的PTC液体加热器进行具体解释说明。如图1所示的框图，PTC液体加热器包括第一加热模组P1、第二加热模组P2、第一开关K1、第二开关、第一驱动电路D1、第二驱动电路D2、高压电路V和控制器C；

其中，如图2所示，所述第一加热模组P1包括并联x个PTC加热模块1；比如，图中标记了m1、m2、m3……mx共x个PTC加热模块1；如图3所示，第二加热模组P2包括并联y个PTC加热模块1，比如，图中标记了n1、n2、n3、n4……ny共y个PTC加热模块1；其中，上述x、y的数值由PTC液体加热器的加热功率决定，作为优选的方式，本例中，所述x≤y；

上述PTC加热模块1为公众所知，其主要包括若干并联的PTC（英文全称：PositiveTemperature Coefficient，中文全称：正文度系数）热敏电阻，以及两个电极端子、以及绝缘层等组成。PTC热敏电阻是一种典型具有温度敏感性的半导体电阻，超过一定的温度时，它的电阻值随着温度的升高呈阶跃性的增高。

所述高压电路V用于为所述第一加热模组P1和所述第二加热模组P2提供高压电；

第一开关K1串接在所述高压电路V和所述第一加热模组P1之间，第二开关串接接在所述高压电路V和所述第二加热模组P2之间；

所述控制器C用于具有总占空比γ的PWM（英文全称：Pulse Width Modulation，中文全称：脉冲宽度调制）温控信号，将所述PWM温控信号换算成具有第一占空比

的第一逻辑信号和具有第二占空比

的第二逻辑信号，并将所述第一逻辑信号发送给第一驱动电路D1，将第二逻辑信号发送给第二驱动电路D2；所述PWM温控信号根据包括用户输入的设置温度T0和温度传感器检测到的当前温度T1在内的参数生成。进一步的，所述PWM温控信号根据包括用户输入的设置温度T0、温度传感器检测到的当前温度T1以及空调出风速度在内的参数生成。

具体的，该PWM温控信号具体接收自车辆上的ACCU（中文名称：空调控制，英文名称：Air Conditioning Controller Unit），该ACCU根据包括用户输入的设置温度T0和温度传感器检测到的当前温度T1及空调出风速度在内的参数生成具有总占空比γ的PWM温控信号。然后将该PWM温控信号发送给该控制器C。

设置温度T0一般由用在车内的控制面板上实现温度的调节，而温度传感器检测的当前温度T1，一般包括车内的车厢内温度，车外环境温度等，以此来综合考虑。其作为进一步优选的方式，还可以增加更多的考虑因素，以此来使其输出的PWM温控信号更加合理。

PWM（脉冲宽度调制）为公众所知，脉冲宽度调制是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用在从测量、通信到功率控制与变换的许多领域中。其根据相应载荷的变化来调制晶体管基极或MOS管栅极的偏置，来实现晶体管或MOS管导通时间的改变，从而实现开关稳压电源输出的改变。这种方式能使电源的输出电压在工作条件变化时保持恒定，是利用微处理器的数字信号对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术。不再赘述。

第一驱动电路D1输入端连接至控制器C，接收所述第一逻辑信号；输出端连接所述第一开关K1的控制端，用于向所述第一开关K1输出具有第一占空比

的第一驱动信号，以控制所述第一开关K1的通断；

第二驱动电路D2的输入端连接至控制器C，接收所述第二逻辑信号；输出端连接所述第二开关的控制端，用于向所述第二开关输出具有第二占空比

的第二驱动信号，以控制所述第二开关的通断。

该第一逻辑信号和第二逻辑信号也为PWM信号。其中，本例中，第一逻辑信号的第一占空比

和第二逻辑信号的第二占空比

满足如下表达式：

（表达式一）；

（表达式二）；

其中，当上述表达式中

、

数值大于等于1时，识别为1；表达式中

、

数值小于等于0时，识别为0，且控制器C发送给第一驱动电路D1的第一逻辑信号和第二驱动电路D2的第二逻辑信号延时预设时间t。

控制器C发送给第一驱动电路D1的第一逻辑信号和第二驱动电路D2的第二逻辑信号延时预设时间t，具体解释为，当其需要进行加热时，其会根据需要判断是否只需启动第一加热模组P1，还是需启动第一加热模组P1和第二加热模组P2。如果需要启动第一加热模组P1和第二加热模组P2，才能实现较快的进行加热的目的，则此时，有可能出现电流峰值点，导致PTC液体加热器出现由于自身的保护而断开工作的现象。为此，本例中在加热过程中，设置一延时预设时间，当第一加热模组P1和第二加热模组P2均需启动工作时，虽然其根据第一占空比和第二占空比来进行工作，但是，控制器C发送给第二驱动电路D2的信号相对有一延时预设时间t，使得其在初始加热时，仅启动第一加热模组P1（PTC加热模块1较少的加热模组）进行工作，第一加热模组P1的热量传递给第二加热模组P2，使第二加热模组P2预热，第二加热模组P2内的PTC加热模块1温度升高，使得其电阻升高，其总电流减小。当其无需进行加热，而需进行降温时，也预先关断第一加热模组P1，随后在延时预设时间t后，再关断第二加热模组P2。如此，可以有效避免出现峰值电流，这正是本发明的核心内容。

上述第一驱动信号和第二驱动信号仍然为PWM信号，其仅仅改变上述第一逻辑信号和第二逻辑信号的电压大小，以实现其驱动能力。而并不改变其占空比。上述第一驱动信号的占空比仍然为

，和第二驱动信号的占空比也仍然为

。所以上述第一驱动信号和第二驱动信号的占空比仍满足上述表达式和表达式二。

其中，所述第一开关K1和所述第二开关均为IGBT（绝缘栅双极型晶体管）。IGBT是由BJT(双极型三极管)和MOSFET(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件。其为公众所知，此处仅将其应用在PTC液体加热器中作为控制开关，不再赘述。

下边结合图4、图5、图6对本例公开的PTC液体加热器的结构进行具体解释说明。

其中，所述第一开关K1、第二开关、第一驱动电路D1、第二驱动电路D2、高压电路V和控制器C均设置在一控制板3上。所述第一加热模组P1和第二加热模组P2的各PTC加热模块1安装在一内装有冷却液的壳体中，形成加热装置；所述控制板3安装在所述加热装置上部，且所述控制板3和所述加热装置之间通过一绝缘隔热部件2隔离。

其中，所述加热装置上部还设有一电极板，所述电极板将所述加热装置上各PTC加热模块1的电极电连接到所述电极板上，并通过设置在其上的电路引出若干电极柱；所述电极柱与所述电极板电连接。具体的，本例中，上述第一开关K1和第二开关的上的两个引脚C极和E极均电连接到上述电极柱上，本例中的电极柱设有3个，其中一个电极柱为共用电极。其第一开关K1和第二开关的控制端即栅极（G极）或基极（B极）连接到上述第一驱动电路D1和第二驱动电路D2。

其中，由于上述绝缘隔热部件2一般由绝缘隔热的硅橡胶等制成。其并不能用来安装和固定上述控制板3，因此，一般在控制板3的下方，还设有一凸台4，通过该凸台4用来固定安装该控制板3，本例中，该凸台4设置在上述第一开关K1和第二开关的下方位置处。

上述控制板3、绝缘隔热部件2和凸台4、以及位于下部的加热部件通过螺丝紧固。本例中，上述PTC液体加热器的具体结构并不特别限定，其也可以采用其他合适的布置方式，只要其包括上述第一加热模组P1、第二加热模组P2、第一开关K1、第二开关、第一驱动电路D1、第二驱动电路D2、高压电路V和控制器C即可。

作为改进的方式，如图4所示，所述第一加热模组P1中的PTC加热模块1和第二加热模组P2中的PTC加热模块1穿插布置，即按图4中所示，各PTC加热模块1采用n1、m1、n2、m2、n3、m3、n4、m4、n5的方式布置。如此，其使得第一加热模组P1可对第二加热模组P2进行更加均匀的传热，以使第二加热模组P2中的各PTC加热模块1受热更加均匀。

本发明提供PTC液体加热器仅划分两个档位，只需将各PTC加热模块1分为第一加热模组P1和第二加热模组P2，使用两个控制开关通过PWM控制方式控制第一加热模组P1和第二加热模组P2，大大节约了成本。其控制方式可兼容各种不同功率的PTC液体加热器，更利于不同结构、不同型号的产品平台化，减少了大功率PTC液体加热器控制舱尺寸，节约空间。通过上述采用两档分组加PWM控制的方式，可以降低电流冲击，有效防止出现电流峰值点，使得其控制方式更加安全。实现了档位无限划分，实现了无极控温，温度跳变呈线性递增或递减，舒适性极好。

实施例2

本例将对实施例1中公开的上述PTC液体加热器的加热控制方法进行具体解释说明，所述加热控制方法包括如下步骤：

如图7所示，控制器C接收所述PWM温控信号；具体的，如上实施例1中所述，该PWM温控信号来自ACCU。

此处需请理解，控制器C接收PWM温控信号是动态的过程，其在设置的周期内持续对当前温度T1和空调出风速度进行采样，并实时获取用户输入的设置温度T0。也即，后续在给第一驱动电路D1和第二驱动电路D2发送第一逻辑信号和第二逻辑信号时，也是动态地跟随上述PWM温控信号进行调整的。

其将所述PWM温控信号换算成具有第一占空比

的第一逻辑信号和具有第二占空比

的第二逻辑信号；该换算公式即表达式一和表达式二。

并将所述第一逻辑信号发送给第一驱动电路D1，将第二逻辑信号发送给第二驱动电路D2；

第一驱动电路D1接收第一逻辑信号，向第一开关K1输出第一驱动信号，控制所述第一开关K1的通断，以实现第一加热模组P1的通断；第二驱动电路D2接收第二逻辑信号，向第二开关输出第二驱动信号，控制所述第二开关的通断，以实现第二加热模组P2的通断；

其中，第一逻辑信号的第一占空比

和第二逻辑信号的第二占空比

满足如下表达式：

（表达式一）；

（表达式二）；

其中，当上述表达式中

、

数值大于等于1时，识别为1；表达式中

、

具体地，其根据其用户输入的设置温度T0和温度传感器检测到的当前温度T1之差大于等于0，小于某一预设阈值|TA|时，表示其所需的加热功率相对较小，这时，仅需启动第一加热模组P1进行加热即可，此时，其具体包括如下步骤：

；

第一加热模组P1即满足采暖需求，仅启动第一驱动模块驱动第一加热模组P1工作，第二加热模组P2不工作；此时控制器C发出的第一逻辑信号的第一占空比

和第二逻辑信号的第二占空比

满足如下表达式：

；其中，当

≥1时，

=1；

=0；

第二逻辑信号的第二占空比

=0，也即其第二加热模组P2不工作，此时，即使在延时预设时间t后，其也仍然保持为0，持续保持该第二加热模组P2不工作。

当其用户输入的设置温度T0和温度传感器检测到的当前温度T1之差大于某一预设阈值|TA|时，表示第一加热模组P1不能满足采暖需求，表示第一加热模组P1不够满足采暖需求，还需启动第二驱动模块驱动第二加热模组P2工作；

SB、高功率加热步骤：所述控制器接收到的PWM温控信号的总占空比γ满足如下表达式：

；

此时第一逻辑信号的第一占空比

满足如下表达式：

=1；

第一加热模组P1先进行满档工作，延时预设时间t后，启动第二加热模组P2工作；此时控制器C发出的第二逻辑信号的第二占空比

满足如下表达式：

。

进一步地，还包括如下步骤：

SC、降温步骤：当其用户输入的设置温度T0和温度传感器检测到的当前温度T1之差小于0时，表示此时无需加热，反而需要降温；

此时，控制器C收到的PWM温控信号的总占空比γ=0；控制器C发出的第一逻辑信号的第一占空比

满足如下表达式：

=0；

关断第一加热模组P1；

经预设时间t后，控制器C发出的第二逻辑信号的第二占空比

满足如下表达式：

=0；

关断第二加热模组P2。

其中，所述预设时间t一般根据经验获得，其可以通过试验的方式，推算出合理的值，比如为5秒。

采用本发明提供的加热控制方法，其根据具有总占空比γ的PWM温控信号，据此发出第一逻辑信号和第二逻辑信号给第一驱动电路D1和第二驱动电路D2，控制器C发送给第一驱动电路D1的第一逻辑信号和第二驱动电路D2的第二逻辑信号延时预设时间t。如此，当其需要加热的预设温度和当前温度相差较小时，可以仅启用第一加热模组P1，当需要加热的预设温度和当前温度相差较大时，可以先启动第一加热模组P1，通过第一加热模组P1预热第二加热模组P2，经延时预设时间t后，再启动第二加热模组P2，在产品工作后需降温时，采取先断开第一加热模组P1，然后经延时预设时间t后再控制第二加热模组P2断开的方式实现降温。如此，实现分段控制以规避单纯采用PWM控制方式导致的可能出现的高峰值电流风险。通过上述采用两档分组加PWM控制的方式，降低电流冲击，可以有效防止出现电流峰值点，使得其控制方式更加安全。实现了档位无限划分，实现了无极控温，温度跳变呈线性递增或递减，舒适性极好。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。