CN113543379B - 控制交流ptc加热器的装置和方法、交流设备以及车辆 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种控制交流PTC加热器的装置和方法、交流设备以及车辆，控制交流PTC加热器的装置，包括：过零检测模块，用于检测为交流PTC加热器供电的交流电信号的过零点信号；驱动模块，驱动模块包括用于控制交流PTC加热器的可控开关；控制模块，控制模块与过零检测模块和驱动模块连接，用于获取所需加热功率，根据所需加热功率获得驱动可控开关的目标移相角，响应于过零点信号，根据目标移相角控制可控开关的导通时间，以使得交流PTC加热器输出所需加热功率。本发明实施例的控制交流PTC加热器的装置，通过设置交流PTC加热器，满足热泵系统低温制热的热能补给，满足制热需求，技术成熟、成本低，且适用范围广。
Description
技术领域
本发明涉及车辆技术领域，尤其是涉及一种控制交流PTC（Positive TemperatureCoefficient，正温度系数）加热器的装置和方法、交流设备以及车辆。
背景技术
电动车辆的主要动力源自电池包，供电形式多为直流电，车辆中的用电负载大多为直流负载。其中，高压直流负载一般包括电机控制器、DC/DC（direct current/directcurrent，直流转直流）变换器、空调PTC（Positive Temperature Coefficient，正温度系数）加热器和车载电源总成等。高压直流负载中空调PTC加热器可使用交、直流供电，但是，直流PTC加热器工作功率受电池包总电压影响，不同电池电压平台很难将PTC平台化及标准化，同时PTC芯体生产工艺不够成熟，而交流PTC供电电压是220V市电，供电电压统一，容易实现PTC芯体平台化及标准化，交流PTC在家用空调中大量使用，技术相对直流PTC芯体制造工艺成熟。在空调热管理系统中，由于热泵的热能转换效率较高、电耗小，热泵方案越来越成为空调热管理主流管理方案，但热泵方案存在低温制热效果差的短板，而采用直流PTC加热器辅助加热，成本较高且适用范围小，若取消直流PTC加热器，又容易导致热泵正常制热量不足，无法满足乘员舱温度需求。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明的目的之一在于提出一种控制交流PTC加热器的装置，通过控制交流PTC加热器，满足对热泵系统在低温制热的补热，满足热需求，技术成熟、成本低，且适用范围广。
本发明的目的之二在于提出一种控制交流PTC加热器的方法。
本发明的目的之三在于提出一种交流设备。
本发明的目的之四在于提出一种车辆。
为了达到上述目的，本发明第一方面实施例提出的控制交流PTC加热器的装置，包括：过零检测模块，用于检测为所述交流PTC加热器供电的交流电信号的过零点信号；驱动模块，所述驱动模块包括用于控制所述交流PTC加热器的可控开关；控制模块，所述控制模块与所述过零检测模块和所述驱动模块连接，用于获取所需加热功率，根据所述所需加热功率获得驱动所述可控开关的目标移相角，响应于所述过零点信号，根据所述目标移相角控制所述可控开关的导通时间，以使得所述交流PTC加热器输出所述所需加热功率。
根据本发明实施例的控制交流PTC加热器的装置，设置可控开关，并且通过控制目标移相角控制可控开关的导通时间，进而控制交流PTC加热器的输出所需加热功率。通过采用控制开关与交流PTC加热器组合的结构，可实现对交流PTC加热器工作功率的无极控制，满足对热泵系统在低温制热的补热，满足热需求，此外，采用交流PTC加热器，适用范围较广，具有技术成熟、生产制造合格率高且硬件成本等优点，还可以提升制热效果。
在本发明的一些实施例中，所述过零检测模块包括：变压器，所述变压器的初级线圈与交流供电端连接；过零检测单元，所述过零检测单元的第一端与所述变压器的次级线圈连接，用于根据所述交流电信号的周期变化输出过零检测信号；输出单元，所述输出单元的第一端与所述过零检测单元的第二端连接，所述输出单元的第二端与所述控制模块连接，用于接收所述过零检测信号输出的过零点信号。
在本发明的一些实施例中，所述过零检测单元包括：第一光电耦合器，所述第一光电耦合器的第一输入端通过第一电阻与所述次级线圈的第一端连接，所述第一光电耦合器的第二输入端与所述次级线圈的第二端连接，所述第一光电耦合器的第一输出端与所述输出单元连接，所述第一光电耦合器的第二输出端接地，用于在所述交流电信号处于正向半周期时导通以输出第一过零检测信号；第二光电耦合器，所述第二光电耦合器的第一输入端与所述次级线圈的第二端连接，所述第二光电耦合器的第二输入端通过所述第一电阻与所述次级线圈的第一端连接，所述第二光电耦合器的第一输出端与所述输出单元连接，所述第二光电耦合器的第二输出端接地，用于在所述交流电信号处于负向半周期时导通以输出第二过零检测信号。
在本发明的一些实施例中，所述输出单元包括：第一三极管，所述第一三极管的第一端与所述第一光电耦合器的第一输出端和所述第二光电耦合器的第一输出端连接，所述第一三极管的第二端接地；第二电阻和第三电阻，所述第二电阻的第一端与预设电源连接，所述第二电阻的第二端与所述第一三极管的第一端连接，所述第三电阻的第一端与所述预设电源连接，所述第三电阻的第二端与所述第一三极管的第三端连接，所述第三电阻的第二端与所述第一三极管的第三端之间具有节点，所述节点与所述控制模块连接；在所述第一三极管接收到所述第一过零检测信号或所述第二过零检测信号时，所述节点处电平信号翻转以输出所述过零点信号。
在本发明的一些实施例中，所述驱动模块还包括：输入单元，所述输入单元的第一端与所述控制模块连接，所述输入单元的第二端与预设电源连接，所述输入单元用于在接收到所述控制模块根据所述目标移相角输出的驱动信号时导通并输出导通触发信号；第三光电耦合器，所述第三光电耦合器的第一输入端与所述输入单元的第三端连接，所述第三光电耦合器的第二输入端通过第四电阻接地，所述第三光电耦合器的第一输出端与所述可控开关的第一端连接并通过第五电阻与所述交流电信号的L相、所述可控开关的第二端连接，所述第三光电耦合器的第二输出端通过第六电阻与所述交流PTC加热器的第一端、所述可控开关的第三端连接，所述交流PTC加热器的第二端与所述交流电信号的N相连接，所述第三光电耦合器用于在接收到所述导通触发信号时导通，以控制所述可控开关闭合。
在本发明的一些实施例中，所述输入单元包括：第七电阻、第八电阻和第二三极管，所述第七电阻的第一端与所述控制模块连接，所述第七电阻的第二端与第八电阻的第一端、所述第二三极管的第一端连接，所述第八电阻的第二端与预设电源连接，所述第二三极管的第二端与所述预设电源连接，所述第二三极管的第三端与所述第三光电耦合器的第一输入端连接。
在本发明的一些实施例中，所述驱动模块还包括滤波单元，所述滤波单元的第一端与所述交流电信号的L相连接，所述滤波单元的第二端与所述交流PTC加热器的第一端连接。
在本发明的一些实施例中，所述装置还包括：过温保护模块，所述过温保护模块的第一端与所述交流电信号的L相连接，所述过温保护模块的第二端与所述可控开关的第二端连接，用于在所述交流PTC加热器的加热温度大于温度阈值时断开。
为了达到上述目的，本发明第二方面实施例提出一种控制交流PTC加热器的方法，所述交流PTC加热器由可控开关控制，所述方法包括：获取所需加热功率；根据所述所需加热功率获得驱动所述可控开关的目标移相角；响应于为所述交流PTC加热器供电的交流电信号的过零点信号，根据所述目标移相角控制所述可控开关的导通时间，以使得所述交流PTC加热器输出所述所需加热功率。
根据本发明实施例的控制交流PTC加热器的方法，采用可控开关控制交流PTC加热器，根据交流PTC加热器所需加热功率获取目标移相角，并通过控制目标移相角控制可控开关的导通时间，进而控制交流PTC加热器的输出所需加热功率，可实现对交流PTC加热器工作功率的控制，控制方法较为简单，还可以提升制热效果。
在本发明的一些实施例中，所述方法还包括：根据所述所需加热功率确定预设周期内需要可控开关导通的目标周波数量，其中，所述预设周期包括多个周波；以所述预设周期控制所述可控开关，在每个所述预设周期内，控制所述可控开关导通，检测为所述交流PTC加热器供电的交流电信号的过零点信号，根据所述过零点信号确定所述可控开关导通的连续周波数据，当所述连续周波数据达到所述目标周波数量，控制所述可控开关关断。
为了达到上述目的，本发明第三方面实施例提出的交流设备包括：交流PTC加热器；上面任一项实施例所述的控制交流PTC加热器的装置，所述装置与所述交流PTC加热器连接。
根据本发明实施例的交流设备，设置控制交流PTC加热器的装置控制交流PTC加热器。控制交流PTC加热器的装置可获取乘员舱温度，并根据乘员舱温度获取不同温度对应的交流PTC加热器的所需加热功率，还可以从CAN总线中获取所需加热功率，根据所需的加热功率获得驱动可控开关的目标移相角，并延迟目标移相角控制可控开关的导通时间，从而使得交流PTC加热器输出所需加热功率。该交流设备控制方法简单，且可用于多种类型的车辆，应用范围广。
为了达到上述目的，本发明第四方面实施例提出的车辆包括：空调，所述空调包括交流PTC加热器；电池包和车载充电机，所述车载充电机的直流侧与所述电池包连接，所述车载充电机的交流侧与所述交流PTC加热器连接；上面任一项实施例所述的控制交流PTC加热器的装置，所述控制交流PTC加热器的装置与所述交流PTC加热器和所述车载充电机的交流侧连接，用于根据乘员舱温度获得所需加热功率或者获取设定的所需加热功率，以控制所述交流PTC加热器。
根据本发明实施例的车辆，当交流PTC加热器需要工作时，电池包输出交流电，将交流PTC加热器设置在交流侧，车载充电机将高压直流电转换成交流电，以为交流PTC加热器供电，可以提升PTC加热器制热效果。控制交流PTC加热器的装置用于根据乘员舱温度获得所需加热功率或者获取设定的所需加热功率，在控制交流PTC加热器的装置中设置可控开关，通过控制目标移相角控制可控开关的导通时间，进而控制交流PTC加热器输出所需加热功率。在部分车辆中可在热泵正常制热量不足时，可控制交流PTC加热器加热以作为热能补充，从而满足对热泵系统在低温制热的补热，满足热需求以达到成员舱温度，还能节省成本。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是根据本发明一个实施例的控制交流PTC加热器的装置的框图；
图2是根据本发明一个实施例的控制交流PTC加热器的装置的示意图；
图3是根据本发明一个实施例的交流电信号和时间关系的示意图；
图4是根据本发明一个实施例的驱动可控开关导通信号与时间关系的示意图；
图5是根据本发明一个实施例的交流PTC加热器工作电压与时间的关系的示意图；
图6是根据本发明一个实施例的目标移相角与输出功率以及电流关系的曲线图；
图7是根据本发明一个实施例的控制交流PTC加热器的方法的流程图；
图8是根据本发明另一个实施例的控制交流PTC加热器的方法的流程图；
图9是根据别发明一个实施例的交流设备的框图；
图10是根据本发明一个实施例的车辆的示意图。
附图标记：
车辆1000；
交流设备1；
控制交流PTC加热器的装置100、空调200、电池包300、车载充电机400、交流PTC加热器201；
过零检测模块10、驱动模块20、控制模块30、过温保护模块40；
变压器T1、过零检测单元11、输出单元12、可控开关21、输入单元22、滤波单元23；
第一光电耦合器U1、第二光电耦合器U2、第三光电耦合器U3、第一三极管Q1、第二三极管Q2、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7、第八电阻R8、电阻R9、电容C1、开关S1、熔断器FU1。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，参考附图描述的实施例是示例性的，下面详细描述本发明的实施例。
下面参考图1－图6描述根据本发明实施例的控制交流PTC加热器的装置。
在本发明的一些实施例中，如图1所示，为根据本发明一个实施例的控制交流PTC加热器的装置的框图，其中，控制交流PTC加热器的装置100包括过零检测模块10、驱动模块20和控制模块30。
过零检测模块10用于检测为交流PTC加热器201供电的交流电信号的过零点信号。
其中，交流PTC加热器201的应用较为普遍，如在家用空调PTC、洗碗机、加热器等领域已经广泛使用，技术成熟。采用交流PTC加热器201，可以达到和直流PTC加热器相同的加热效果，并且交流PTC加热器201的功率相同，型号可保持一致，交流PTC加热器201的绝缘耐压要求低，利于产品的生产、制造，降低成本，流过交流PTC加热器201的电压有效值为220V为311V，较直流高压主流400V-800V偏低，且芯片成本也可降低20%-30%。
具体地，交流电信号可以为220V交流电信号，可先根据交流电信号的周期变化输出过零检测信号，再根据过零检测信号获取过零点信号。
驱动模块20包括用于控制交流PTC加热器201的可控开关21。
在一些实施例中，可控开关21可以采用双向可控硅，双向可控硅是一种三端双向交流开关，能代替两只反极性并联的可控硅，而且仅需一个触发电路，是比较理想的交流开关器件。双向可控硅较常见的功率管IGBT器件可节省约20%的成本，并且，采用双向可控硅控制交流PTC加热器201的方案，可控制成本较于采用功率管IGBT控制直流PTC加热器的方案下降约10%。综上所述，控制交流PTC加热器的装置100的成本可至少有20%-25%左右的降幅。
控制模块30与过零检测模块10和驱动模块20连接，用于获取所需加热功率，根据所需加热功率获得驱动可控开关21的目标移相角，响应于过零点信号，根据目标移相角控制可控开关21的导通时间，以使得交流PTC加热器201输出所需加热功率。
其中，将目标移相角用α表示。具体地，控制模块30可获取乘员舱温度，并根据乘员舱温度获取不同温度对应的交流PTC加热器201的所需加热功率，或者还可以从CAN（Controller Area Network，控制器局域网络）总线中获取所需加热功率，并根据所需的加热功率获得驱动可控开关21的目标移相角α，从而使得交流PTC加热器201输出所需加热功率。并根据过零点信号控制延迟目标移相角α输出，进而控制可控开关21的导通时间，例如，可以控制可控开关21按照导通时间延迟导通，从而使得交流PTC加热器201输出所需加热功率。
根据本发明实施例的控制交流PTC加热器的装置100，设置可控开关21，并且通过控制目标移相角α控制可控开关21的导通时间，进而控制交流PTC加热器201的输出所需加热功率。通过采用可控开关21与交流PTC加热器201组合的结构，可实现对交流PTC加热器201工作功率的控制，满足对热泵系统在低温制热的补热，满足热需求，此外，采用交流PTC加热器201，适用范围广，具有技术成熟、生产制造合格率高且硬件成本等优点，还可以提升制热效果。
在本发明一些实施例中，如图2所示，为根据本发明一个实施例的控制交流PTC加热器的装置的示意图，其中，过零检测模块10包括变压器T1、过零检测单元11和输出单元12。
变压器T1的初级线圈与交流供电端连接。其中，交流供电端可与220V交流电源连接，交流供电端可用于输出两路交流电信号，分别包括L相和N相。过零检测单元11的第一端与变压器T1的次级线圈连接，用于根据交流电信号的周期变化输出过零检测信号。其中，过零检测信号即交流电信号过零时的电压信号，由于交流供电端输出交流电信号，则获取到的过零检测信号可以包括两种过零检测信号。
输出单元12的第一端与过零检测单元11的第二端连接，输出单元12的第二端与控制模块30连接，用于接收过零检测信号输出的过零点信号。其中，可以将输出单元12的第二端表示为TZ端。输出单元12接收到过零检测信号后，可根据过零检测信号获取过零点信号。输出单元12获取到过零检测信号后，输出单元12的第二端处的电平信号会发生翻转，以输出过零点信号。
在本发明的一些实施例中，过零检测单元11包括第一光电耦合器U1和第二光电耦合器U2，其中，第一光电耦合器U1的第一输入端通过第一电阻R1与次级线圈的第一端连接，第一光电耦合器U1的第二输入端与次级线圈的第二端连接，第一光电耦合U1器的第一输出端与输出单元12连接，第一光电耦合器U1的第二输出端接地，用于在交流电信号处于正向半周期时导通以输出第一过零检测信号。其中，第一电阻R1可采用阻值为1kΩ的电阻。
具体地，交流PTC加热器201需要工作时，交流供电端输出交流电信号，交流电信号经变压器T1后可驱动第一光电耦合器U1或第二光电耦合器U2。其中，如图3所示，为根据本发明一个实施例的交流电信号和时间关系的示意图，其中，交流电信号用UAC表示，单位为V，交流电信号的波形为正弦波，周期为20ms。第一光电耦合器U1在交流电信号处于正向半周期时导通，也就是说，当交流电信号的L相高于N相时，第一光电耦合器U1中的二极管发光，第一光电耦合器U1导通，变压器原副边变比为1：1，立即驱动第一光电耦合器U1，第一光电耦合器U1导通后输出第一过零检测信号。
第二光电耦合器U2的第一输入端与次级线圈的第二端连接，第二光电耦合器U2的第二输入端通过第一电阻R1与次级线圈的第一端连接，第二光电耦合器U2的第一输出端与输出单元12连接，第二光电耦合器U2的第二输出端接地，用于在交流电信号处于负向半周期时导通以输出第二过零检测信号。
具体地，如图3所示，第二光电耦合器U2在交流电信号处于负向半周期时导通，也就是说，当交流电信号的N相高于L相时，第二光电耦合器U2中的二极管发光，第二光电耦合器U2导通，变压器原副边变比为1：1，立即驱动第二光电耦合器U2，第二光电耦合器U2导通后输出第二过零检测信号。
在本发明的一些实施例中，输出单元12包括第一三极管Q1，第二电阻R2和第三电阻R3。
第一三极管Q1的第一端与第一光电耦合器U1的第一输出端和第二光电耦合器U2的第一输出端连接，第一三极管Q1的第二端接地。第二电阻R2的第一端与预设电源连接，第二电阻R2的第二端与第一三极管Q1的第一端连接，第三电阻R3的第一端与预设电源连接，第三电阻R3的第二端与第一三极管Q1的第三端连接，第三电阻R3的第二端与第一三极管Q1的第三端之间具有节点n，节点n与控制模块30连接。其中，预设电源可以为5V电源，第一三极管Q1可以采用NPN型三极管，第二电阻R2可以采用阻值为101kΩ的电阻，第三点租R3可以采用阻值为201kΩ的电阻。在第一三极管Q1接收到第一过零检测信号或第二过零检测信号时，节点n处电平信号翻转以输出过零点信号。
在实施例中，第一光电耦合器U1和第二光电耦合器U2导通后均会输出过零检测信号，包括第一过零检测信号和第二过零检测信号，第一过零检测信号或第二过零检测信号经第一三极管Q1的基极进入第一三极管Q1，此时会拉低第一三极管Q1基极的电压，使得第一三极管Q1的状态由导通变为关断，第一三极管Q1关断后，第一三极管Q1的基极电压降低、集电极电压降低，节点n处电压会升高，节点n处电平信号翻转，例如此时节点n处的电平由OV变为5V即发生翻转，并由输出单元12的第二端即TZ端输出的过零点信号被输送至控制模块30中。
在本发明的一些实施例中，驱动模块20还包括输入单元22和第三光电耦合器U3。输入单元22的第一端与控制模块30连接，输入单元22的第二端与预设电源连接，输入单元22用于在接收到控制模块30根据目标移相角输出的驱动信号时导通并输出导通触发信号。其中，可以将输入单元22的第一端表示为TZ端，预设电源可以为5V电源。
其中，输入单元22包括第七电阻R7、第八电阻R8和第二三极管Q2，第七电阻R7的第一端即输入单元22的第一端与控制模块30连接，第七电阻R7的第二端与第八电阻R8的第一端、第二三极管Q2的第一端连接，第八电阻R8的第二端与预设电源连接，第二三极管Q2的第二端与预设电源连接，第二三极管Q2的第三端与第三光电耦合器U3的第一输入端连接。其中，第七电阻R7和第八电阻R8均可以采用阻值为10kΩ的电阻。
在实施例中，控制模块30在接收到输出单元12的第二端输出的过零点信号后，可根据过零点信号获取驱动信号并由输入单元22的第一端，输出单元12的第二端输出的过零点信号为高电平时，控制输入单元22的第一端的驱动信号为高电平，该驱动信号经过第七电阻R7输送至第二三极管Q2基极，第二三极管Q2导通并从发射极输出导通触发信号。
第三光电耦合器U3的第一输入端与输入单元22的第三端连接，第三光电耦合器U3的第二输入端通过第四电阻R4接地，第三光电耦合器U3的第一输出端与可控开关21的第一端连接并通过第五电阻R5与交流电信号的L相、可控开关21的第二端连接，第三光电耦合器U3的第二输出端通过第六电阻R6与交流PTC加热器201的第一端、可控开关21的第三端连接，交流PTC加热器201的第二端与交流电信号的N相连接，第三光电耦合器U3用于在接收到导通触发信号时导通，以控制可控开关21闭合。
其中，在实施例中，如图2所示，可控开关21以双向可控硅为例，其中双向可控硅是双向元件，包括第一主电极、第二主电极和门极，第一主电极和第二主电极不限于电压极性，即在正向电压和反向电压条件下均可导通。其中，双向可控硅的门极为可控开关21的第一端，双向可控硅的第一主电极为可控开关21的第二端，双向可控硅的第二主电极为可控开关21 的第三端，当门极有信号加入时，则第一主电极和第二主电极之间则呈导通状态，若在门极处输入门极触发信号，则第一主电极和第二主电极之间会产生极高的阻抗。第四电阻R4可以采用阻值为500Ω的电阻，第五电阻R5可采用阻值为4.7kΩ的电阻。第三光电耦合器U3可以由一个二端交流开关元件和一个发光二极管组成，第三光电耦合器U3接收到导通触发信号后，二极管发光，第三光电耦合器U3导通。第三光电耦合器U3导通后，输入非零的交流电压信号至双向可控硅的门极，进而控制双向可控硅闭合，交流PTC加热器201通电以开启加热，双向可控硅关断后，交流PTC加热器201不通电，停止加热。
在一些实施例中，控制模块30检测到由TZ端获取的过零点信号为高电平时，控制模块30控制输出高电平至输入单元22，第三光电耦合器U3导通。其中，可控开关21在交流电20ms内只要有非零交流电压加入门极即可导通工作，则可以根据可控开关21的性质设置输出驱动信号的周期为10ms，可通过控制延迟目标移相角α输出，进而控制可控开关21的导通时间。其中，如图4所示，为根据本发明一个实施例的驱动可控开关导通信号与时间关系的示意图，其中，可控开关以双向可控硅为例，驱动可控开关导通信号用TZ表示，单位为V，驱动可控开关21每10ms导通一次，进而控制交流PTC加热器201开启加热。
在实施例中，如图5所示，为根据本发明一个实施例的交流PTC加热器工作电压与时间的关系的示意图，交流PTC加热器201工作电压可以用UAC_PTC表示，单位为V。通过控制目标移相角α大小，可控制交流PTC加热器201的输出功率。具体地，可根据MATHcad理论如式（1-1）和式（1-2）所示的算法进行计算，可分别获取交流PTC加热器201的输出功率与目标移相角α的关系，以及交流PTC加热器201的输出电流与目标移相角α的关系。
其中，将交流PTC加热器201的输出功率表示为P（α），输出电流表示为I（α），根据式（1-1）和式（1-2）所示的交流PTC加热器201的输出功率与目标移相角α的关系，以及交流PTC加热器201的输出电流与目标移相角α的关系，可获取如图6所示的交流PTC加热器201的输出功率和输出电流与目标移相角α的关系曲线，并根据该关系曲线对交流PTC加热器201的输出功率进行控制。
具体地，如图6所示，以交流PTC加热器201的电阻为30Ω（低温－20℃环境下对应阻值），对应最大输出功率为2kW为例，具体输出功率可根据需要进行调整。其中，实线为交流PTC加热器201的输出功率与目标移相角α的关系曲线，虚线为交流PTC加热器201的输出电流与目标移相角α的关系曲线，可通过控制目标移相角α控制交流PTC加热器201的输出功率，交流PTC加热器201做大所需的加热功率即为目标移相角α=0时所输出的功率。
进一步地，可根据交流PTC加热器201的输出功率和输出电流与目标移相角α的关系曲线，可获取对应的交流PTC加热器201的输出功率和输出电流与目标移相角α的关系表格，如表1所示，为根据本发明一个实施例的交流PTC加热器的输出功率和输出电流与目标移相角的关系表，其中，可在控制至周期内将目标移相角α均分为1000份，从而实现通过查表实现对交流PTC加热器201的输出功率的控制。
表1
| α（n=0，n=1,……n=1000） | 0 | （n/1000）*10ms | 10ms |
| P(α)(kW) | 2 | …… | 0 |
在本发明的一些实施例中，如图2所示，驱动模块20还包括滤波单元23，滤波单元23的第一端与交流电信号的L相连接，滤波单元23的第二端与交流PTC加热器201的第一端连接。其中，滤波单元23可以由一个电阻R9和一个电容C1组成，通过设置滤波单元23可以平滑电压信号波形，以减小对电路中二极管的冲击，平滑流经二极管的电流，保障电路稳定运行。
在本发明的一些实施例中，如图2所示，控制交流PTC加热器的装置100还包括过温保护模块40，过温保护模块40的第一端与交流电信号的L相连接，过温保护模块40的第二端与可控开关21的第二端连接，用于在交流PTC加热器201的加热温度大于温度阈值时断开。
其中，过温保护模块40可以包括开关S1和熔断器FU1，其中，开关S1可处于常闭合状态，由交流电为PTC加热器201供电。且开关S1闭合后，交流电经变压器T1驱动第一光电耦合器U1或第二光电耦合器U2，以实现由控制交流PTC加热器的装置100控制交流PTC加热器201的输出所需加热功率。其中熔断器FU1可以采用保险丝等元件，可根据需要预设温度阈值，当确定交流PTC加热器201的加热温度大于温度阈值时开关S1断开，或者当电路中电流过大时，熔断器FU1熔断以对电路进行保护。
在本发明的一些实施例中，如图7所示，为根据本发明一个实施例的控制交流PTC加热器的方法的流程图，其中，交流PTC加热器201由可控开关21控制，该方法包括步骤S1-S3，具体如下。
S1，获取所需加热功率。
其中，可获取乘员舱温度，根据乘员舱温度获取不同温度对应的交流PTC加热器201的所需加热功率，或者还可以从CAN总线中获取所需加热功率。
S2，根据所需加热功率获得驱动可控开关的目标移相角。
其中，可根据如图6所示的交流PTC加热器201的输出功率和输出电流与目标移相角α的关系曲线或者查找表1，以获取所需加热功率对应的驱动可控开关21的目标移相角α。
S3，响应于为交流PTC加热器供电的交流电信号的过零点信号，延迟目标移相角控制可控开关的导通时间，以使得交流PTC加热器输出所需加热功率。
具体地，可根据过零点信号控制延迟目标移相角α输出，进而控制可控开关21的导通时间，例如控制可控开关21延迟10ms导通，从而使得交流PTC加热器201输出所需加热功率。
根据本发明实施例的控制交流PTC加热器的方法，采用可控开关21控制交流PTC加热器201，根据交流PTC加热器201所需加热功率获取目标移相角α，并通过控制目标移相角α控制可控开关21的导通时间，进而控制交流PTC加热器201的输出所需加热功率，可实现对交流PTC加热器201工作功率的控制，控制方法较为简单，还可以提升制热效果。
在本发明的一些实施例中，如图8所示，为根据本发明另一个实施例的控制交流PTC加热器的方法的流程图，其中，控制交流PTC加热器的方法还包括步骤S4和步骤S5，具体如下。
S4，根据所需加热功率确定预设周期内需要可控开关导通的目标周波数量。
其中，预设周期包括多个周波例如正弦波。例如，设置预设周期为40ms，预设周期内包括4个周波，即每个周波周期为10ms。
可控开关例如双向可控硅导通的周波数量不同则交流PTC加热器的加热功率不同，在实施例中，根据所需加热功率确定预设周期内需要可控开关导通的周波数量即目标周波数量，以使得交流PTC加热器能够产生所需加热功率。
S5，以预设周期控制可控开关，在每个预设周期内，控制可控开关导通，检测为交流PTC加热器供电的交流电信号的过零点信号，根据过零点信号确定可控开关导通的连续周波数量，当连续周波数量达到目标周波数量，控制可控开关关断。
具体地，以预设周期为40ms，预设周期包括4个周波为例，若根据所需加热功率确定预设周期内需要可控开关导通的目标周波数量为3，则在每个预设周期内，先控制可控开关导通，并根据过零点信号确定周波数量，即检测到过零点信号则认为完成一个周波，当可控开关导通的连续周波数量达到目标周波数量即3个周波时，则交流PTC加热器产生了所需加热功率，则控制可控开关关断，进而再经过一个周波后，进入下一个预设周期，并循环以上可控开关驱动过程，依次循环，交流PTC加热器满足所需加热功率需求，实现对交流PTC加热器工作功率的控制。
简言之，本发明实施例的控制交流PTC加热器的方法，既可以根据移相角控制可控开关以实现对交流PTC加热器工作功率的控制，又可以根据预设周期内可控开关的导通周波数量来控制交流PTC加热器的工作功率，达到满足所需加热功率的需求，满足对热泵系统在低温制热的补热，满足热需求。
在本发明的一些实施例中，还提出一种交流设备1，如图9所示，为根据本发明一个实施例的交流设备的框图，交流设备1包括交流PTC加热器201和上面任一项实施例的控制交流PTC加热器的装置100，控制交流PTC加热器的装置100与交流PTC加热器201连接。
根据本发明实施例的交流设备1，设置控制交流PTC加热器的装置100控制交流PTC加热器201。控制交流PTC加热器的装置100可获取乘员舱温度，并根据乘员舱温度获取不同温度对应的交流PTC加热器201的所需加热功率，还可以从CAN总线中获取所需加热功率，根据所需的加热功率获得驱动可控开关21的目标移相角α，并延迟目标移相角α控制可控开关21的导通时间，从而使得交流PTC加热器201输出所需加热功率。该交流设备1控制方法简单，且可用于多种类型的车辆，应用范围广。
在本发明的一些实施例中，还提出一种车辆1000，如图10所示，为根据本发明一个实施例的车辆的示意图，车辆1000包括上面任一项实施例的控制交流PTC加热器的装置100、空调200、电池包300和车载充电机400，其中，空调200包括交流PTC加热器201。
车载充电机400的直流侧与电池包300连接，车载充电机400的交流侧与交流PTC加热器201连接。控制交流PTC加热器的装置100与交流PTC加热器201和车载充电机400的交流侧连接，用于根据乘员舱温度获得所需加热功率或者获取设定的所需加热功率，以控制交流PTC加热器201。
在一些实施例中，车载充电机400可以是双向充电装置，实现车辆1000的充放电功能，充电时将电池包300输出的交流电转换成高压直流电，放电时可将电池包300的高压直流电转换成交流电。车载充电机400自身转换率可高达96%。
具体地，当交流PTC加热器201需要工作时，控制交流PTC加热器的装置100控制可控开关闭合，电池包300输出直流电，车载电源总成中的车载充电机400开启逆变，将电池包300输出的直流电转换成交流电，控制交流PTC加热器的装置100控制交流电的供给。控制交流PTC加热器的装置100还可获取乘员舱温度，并根据乘员舱温度获取不同温度对应的交流PTC加热器201的所需加热功率，或者还可以从CAN总线中获取所需加热功率，并根据所需的加热功率获得驱动可控开关21的目标移相角α，从而使得交流PTC加热器201输出所需加热功率。
在实施例中，控制交流PTC加热器的装置100还可以集成至车载充电机400内部，空调200获取交流PTC加热器201的加热需求后，可通过CAN总线下发至车载充电机400，从而通过车载充电机400实现对交流PTC加热器201的控制。
在一些实施例中，控制交流PTC加热器的装置100包括过零检测模块10、驱动模块20和控制模块30。过零检测模块10用于检测为交流PTC加热器201供电的交流电信号的过零点信号。驱动模块20包括用于控制交流PTC加热器201的可控开关21。其中，可控开关21可以采用双向可控硅。
控制模块30与过零检测模块10和驱动模块20连接，用于获取所需加热功率，根据所需加热功率获得驱动可控开关21的目标移相角，响应于过零点信号，根据目标移相角控制可控开关21的导通时间，以使得交流PTC加热器201输出所需加热功率。
其中，过零检测模块10包括变压器T1、过零检测单元11和输出单元12。变压器T1的初级线圈与交流供电端连接。其中，交流供电端可与220V交流电源连接，交流供电端可用于输出两路交流电信号，分别包括L相和N相。过零检测单元11的第一端与变压器T1的次级线圈连接，用于根据交流电信号的周期变化输出过零检测信号。其中，过零检测信号即交流电信号过零时的电压信号，由于交流供电端输出交流电信号，则获取到的过零检测信号可以包括两种过零检测信号。
进一步地，过零检测单元11包括第一光电耦合器U1和第二光电耦合器U2。驱动模块20还包括输入单元22和第三光电耦合器U3。
具体来说，以图2所示的控制交流PTC加热器的装置100为例，第一光电耦合器U1和第二光电耦合器U2导通后均会输出过零检测信号，包括第一过零检测信号和第二过零检测信号，第一过零检测信号或第二过零检测信号经第一三极管Q1的基极进入第一三极管Q1，此时会拉低第一三极管Q1基极的电压，使得第一三极管Q1的状态由导通变为关断，第一三极管Q1关断后，第一三极管Q1的基极电压降低、集电极电压降低，节点n处电压会升高，节点n处电平信号翻转 ，例如此时节点n处的电平可由OV变为5V即发生翻转，并由输出单元12的第二端即TZ端输出的过零点信号被输送至控制模块30中。控制模块30检测到由TZ端获取的过零点信号为高电平时，控制模块30控制输出高电平至输入单元22，第三光电耦合器U3导通。第三光电耦合器U3导通后，输入非零的交流电压信号至可控开关例如双向可控硅的门极，进而控制双向可控硅闭合，交流PTC加热器201通电以开启加热，双向可控硅关断后，交流PTC加热器201断电，停止加热。
在实施例中，控制交流PTC加热器的装置100既可以根据移相角控制可控开关的导通时间来控制交流PTC加热器的工作功率，也可以根据可控开关导通的周波数量来控制交流PTC加热器的工作功率，例如，根据所需加热功率确定预设周期内需要可控开关导通的目标周波数量，其中，预设周期包括多个周波；以预设周期控制可控开关，在每个预设周期内，控制可控开关导通，检测为交流PTC加热器供电的交流电信号的过零点信号，根据过零点信号确定可控开关导通的连续周波数据，当连续周波数据达到目标周波数量，控制可控开关关断。
此外，控制交流PTC加热器的装置还包括过温保护模块和滤波模块，以进行过温保护以及对传输电信号进行滤波。
根据本发明实施例的车辆1000，当交流PTC加热器201需要工作时，电池包300输出交流电，将交流PTC加热器201设置在交流侧，车载充电机400将高压直流电转换成交流电，以为交流PTC加热器201供电，可以提升PTC加热器201制热效果。控制交流PTC加热器的装置100用于根据乘员舱温度获得所需加热功率或者获取设定的所需加热功率，在控制交流PTC加热器的装置100中设置可控开关21，通过控制目标移相角控制可控开关21的导通时间，进而控制交流PTC加热器201输出所需加热功率。在部分车辆1000中可在热泵正常制热量不足时，可控制交流PTC加热器201加热以作为热能补充，从而满足对热泵系统在低温制热的补热，满足热需求以达到成员舱温度，还能节省成本。
根据本发明实施例的车辆1000的其他构成以及操作对于本领域普通技术人员而言都是已知的，这里不再详细描述。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。
Claims (7)
1.一种车辆，其特征在于，包括：
空调，所述空调包括交流PTC加热器、电池包和车载充电机，所述车载充电机的直流侧与所述电池包连接，所述车载充电机的交流侧与所述交流PTC加热器连接；
控制交流PTC加热器的装置，所述控制交流PTC加热器的装置与所述交流PTC加热器和所述车载充电机的交流侧连接，所述控制交流PTC加热器的装置包括过零检测模块、驱动模块和控制模块；
其中，所述过零检测模块包括：
变压器，所述变压器的初级线圈与交流供电端连接；
过零检测单元，所述过零检测单元包括第一光电耦合器和第二光电耦合器，所述第一光电耦合器的第一输入端通过第一电阻与次级线圈的第一端连接，所述第一光电耦合器的第二输入端与所述次级线圈的第二端连接，所述第一光电耦合器的第一输出端与输出单元连接，所述第一光电耦合器的第二输出端接地，用于在所述交流电信号处于正向半周期时导通以输出第一过零检测信号，所述第二光电耦合器的第一输入端与所述次级线圈的第二端连接，所述第二光电耦合器的第二输入端通过所述第一电阻与所述次级线圈的第一端连接，所述第二光电耦合器的第一输出端与所述输出单元连接，所述第二光电耦合器的第二输出端接地，用于在所述交流电信号处于负向半周期时导通以输出第二过零检测信号；
输出单元，所述输出单元的第一端与所述过零检测单元的第二端连接，所述输出单元的第二端与所述控制模块连接，用于在接收到所述第一过零检测信号或所述第二过零检测信号时，所述输出单元的第二端输出的电平信号翻转以输出过零点信号；
所述驱动模块包括用于控制所述交流PTC加热器的可控开关；
所述控制模块与所述过零检测模块和所述驱动模块连接，用于根据乘员舱温度获得所需加热功率或者获取设定的所需加热功率，根据所述所需加热功率获得预设周期内需要可控开关导通的目标周波数量，根据所述所需加热功率和所述目标周期数量获得驱动所述可控开关的目标移相角，其中，所述预设周期包括多个周波，以所述预设周期控制所述可控开关，在每个所述预设周期内，根据所述过零点信号确定所述可控开关导通的连续周波数量，在所述连续周波数量未达到所述目标周波数量的每个周波响应于所述过零点信号，根据所述目标移相角控制所述可控开关的导通时间，当所述连续周波数量达到所述目标周波数量，控制所述可控开关关断，以使得所述交流PTC加热器输出所述所需加热功率。
2.根据权利要求1所述的车辆，其特征在于，所述输出单元包括：
第一三极管，所述第一三极管的第一端与所述第一光电耦合器的第一输出端和所述第二光电耦合器的第一输出端连接，所述第一三极管的第二端接地；
第二电阻和第三电阻，所述第二电阻的第一端与预设电源连接，所述第二电阻的第二端与所述第一三极管的第一端连接，所述第三电阻的第一端与所述预设电源连接，所述第三电阻的第二端与所述第一三极管的第三端连接，所述第三电阻的第二端与所述第一三极管的第三端之间具有节点，所述节点与所述控制模块连接；
在所述第一三极管接收到所述第一过零检测信号或所述第二过零检测信号时，所述节点处电平信号翻转以输出所述过零点信号。
3.根据权利要求1所述的车辆，其特征在于，所述驱动模块还包括：
输入单元，所述输入单元的第一端与所述控制模块连接，所述输入单元的第二端与预设电源连接，所述输入单元用于在接收到所述控制模块根据所述目标移相角输出的驱动信号时导通并输出导通触发信号；
第三光电耦合器，所述第三光电耦合器的第一输入端与所述输入单元的第三端连接，所述第三光电耦合器的第二输入端通过第四电阻接地，所述第三光电耦合器的第一输出端与所述可控开关的第一端连接并通过第五电阻与所述交流电信号的L相、所述可控开关的第二端连接，所述第三光电耦合器的第二输出端通过第六电阻与所述交流PTC加热器的第一端、所述可控开关的第三端连接，所述交流PTC加热器的第二端与所述交流电信号的N相连接，所述第三光电耦合器用于在接收到所述导通触发信号时导通，以控制所述可控开关闭合。
4.根据权利要求3所述的车辆，其特征在于，所述输入单元包括：
第七电阻、第八电阻和第二三极管，所述第七电阻的第一端与所述控制模块连接，所述第七电阻的第二端与第八电阻的第一端、所述第二三极管的第一端连接，所述第八电阻的第二端与预设电源连接，所述第二三极管的第二端与所述预设电源连接，所述第二三极管的第三端与所述第三光电耦合器的第一输入端连接。
5.根据权利要求1所述的车辆，其特征在于，所述驱动模块还包括滤波单元，所述滤波单元的第一端与所述交流电信号的L相连接，所述滤波单元的第二端与所述交流PTC加热器的第一端连接。
6.根据权利要求1所述的车辆，其特征在于，所述控制交流PTC加热器的装置还包括：
过温保护模块，所述过温保护模块的第一端与所述交流电信号的L相连接，所述过温保护模块的第二端与所述可控开关的第二端连接，用于在所述交流PTC加热器的加热温度大于温度阈值时断开。
7.一种控制交流PTC加热器的方法，其特征在于，用于权利要求1-6任一项所述的车辆，所述方法包括：
根据乘员舱温度获得所需加热功率或者获取设定的所需加热功率；
根据所述所需加热功率确定预设周期内需要可控开关导通的目标周波数量，根据所述所需加热功率和所述目标周期数量获得驱动所述可控开关的目标移相角，其中，所述预设周期包括多个周波；
以所述预设周期控制所述可控开关；
在每个所述预设周期内，根据所述过零点信号确定所述可控开关导通的连续周波数量，在所述连续周波数量未达到所述目标周波数量的每个周波响应于所述过零点信号，根据所述目标移相角控制所述可控开关的导通时间，当所述连续周波数量达到所述目标周波数量，控制所述可控开关关断，以使得所述交流PTC加热器输出所述所需加热功率。
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2021
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