一种电动汽车用PTC电源管理系统的制作方法

本实用新型涉及新能源电动汽车用电控技术领域，尤其涉及一种电动汽车用PTC电源管理系统。

背景技术：

当前电动汽车的续航里程已从原先的一百多公里增加到现在三百公里左右，按照现在的技术进展，预计到2020年左右，续航里程可达500公里左右。因此技术的每一次提升一直在优化续航里程并减少能量损耗，纵观整个车辆除了动力系统消耗能源驱动车辆行驶外，尽可能减少舒适性空调系统的能量消耗成为当前迫切需要解决的技术难题。

PTC属于电动汽车中特别重要的部件，是属于空调系统中的加热部分，也是能量损耗比较大的一个部件，其功率有几千瓦到十千瓦不等，对应到一辆整车来说，还是比较大的，因此如果不加入合理的电源管理并对其上下电进行有效控制分配，将对电动汽车电池性能产生很大的影响，进而影响到整个车辆行驶续航里程，根据目前实际的经验，PTC系统所消耗的能量将会使续航里程减少约12%左右，不同的车辆稍有差异。这将使得车辆的行驶续航里程产生比较大的影响。

传统的机械式控制方案中由于无法采用电子模式控制，故而逐渐被各大车厂所淘汰，从目前了解来看几乎每个主机厂和一些零部件供应商都在开发类似产品，产品的难点在于需要和车辆控制器进行通讯和整个系统电源管理。整车厂一般对零部件尤其这种新型控制系统的电源比较陌生，而现时的整车控制器一般都是主机厂自己开发控制，由于零部件供应商不熟悉整个控制系统的控制策略和具体方案，很难做到产品体积轻量化，功能齐全和高效化，电源管理这块效率不高，且成本也很高，已无法满足新能源电动汽车市场需求，因此需要一种新型自动控制高效电源系统控制的新型PTC电源管理系统来实现这一迫切需求。

技术实现要素：

本实用新型针对现有技术存在的问题，提出了一种电动汽车用PTC电源管理系统。

本实用新型是通过以下技术方案得以实现的：

电动汽车用PTC电源管理系统，包括系统电源输入端、输入电源单元、上下电模式单元、输出电源单元、主控单元；所述输入电源单元包括为所述主控单元提供输入的分压采集电路、为所述上下电模式单元供电的时序供电电路、分别与所述主控单元和电动汽车控制器连接的主开关电路；系统电源输入端分别连接所述分压采集电路和所述时序供电电路，所述时序供电电路连接所述主开关电路，所述主开关电路还输出两路信号，一路模式输入信号输入至所述上下电模式单元，一路上拉信号输入至所述输出电源单元；所述上下电模式单元输出电源给所述主控单元；所述输出电源单元输出电源给PTC驱动电源。

作为优选，所述分压采集电路包括第一电阻、第二电阻、第一电容；系统电源输入端经所述第一电阻分别与所述第二电阻、所述第一电容连接后接地。

作为优选，所述时序供电电路包括第二电容、第三电容、第一电感、第四电容、第五电容；系统电源输入端经相互并联的所述第二电容和所述第三电容后连接所述第一电感，所述第一电感连接相互并联的所述第四电容和第五电容后接地。

作为优选，所述输入电源单元还包括由第十四电容、双向稳压管和第一二极管构成的信号处理电路；系统电源输入端分别经所述第十四电容、所述双向稳压管接地，系统电源输入端经所述第一二极管与所述时序供电电路连接。

作为优选，所述主开关电路包括第三电阻、第四电阻、第六电容、第一齐纳二极管、第一MOS管；所述第六电容和所述第一齐纳二极管并联后与所述第四电阻串联，所述第三电阻并联在所述第四电阻和所述第六电容之间，所述第三电阻和所述第四电阻共同输出端分别连接所述主控单元和电动汽车控制器；所述第一MOS管的漏极连接所述第一齐纳二极管的阴极，所述第一齐纳二极管的阳极连接所述第四电阻，所述第一MOS管的栅极连接所述第一齐纳二极管的阳极，所述第一MOS管的源极用于分别输出模式输入信号和上拉信号。

作为优选，所述第一MOS管的源极在输出模式输入信号和上拉信号之前经滤波电路滤波。

作为优选，所述上下电模式单元包括第一稳压电路、第一开关电路、接口供电电路以及降压供电电路；所述主开关电路输出模式输入信号依次给所述第一稳压电路、所述第一开关电路、所述接口供电电路；所述主开关电路还输出模式输入信号给所述降压供电电路；时序供电电路输出时序供电信号至所述第一开关电路。

作为优选，所述输出电源单元包括第二稳压电路、负载动态调节电路、反激式电路；所述上拉信号经所述第二稳压电路分别连接所述负载动态调节电路和所述反激式电路，所述反激式电路输出电源给PTC驱动电源。

作为优选，所述负载动态调节电路包括PWM芯片、第五电阻、第六电阻、第七电阻、第八电阻、第九电阻、第十电阻、第十一电阻、第十二电阻、第十三电阻、第十四电阻、第八电容、第九电容、第十电容、第十一电容、第十二电容、第十三电容、第二MOS管、第二二极管；所述PWM芯片的运行端分别经所述第五电阻连接所述第二稳压电路，经所述第六电阻接地；所述PWM芯片的阈值电流端依次经所述第七电阻、第八电容接地；所述PWM芯片的反馈端分别经所述第八电阻接地，经所述第十电阻连接所述第二二极管的阴极，所述第二二极管的阳极连接所述反激式电路；所述PWM芯片的频率端经所述第九电阻接地；所述PWM芯片的模式端/同步端经所述第十电容接地；所述PWM芯片的输入电源端也经所述第十电容接地；所述PWM芯片的感应端分别连接所述第十二电容和所述第十二电阻；所述电压输入端分别经所述第十一电容接地，经所述第十一电阻与所述第二稳压电路连接；所述PWM芯片的门极端连接所述第二MOS管的栅极，所述第二MOS管的源极依次连接所述第十四电阻、所述第十三电容接地，所述第二MOS管的源极还连接所述反激式电路；所述第二MOS管的漏极分别连接所述第十二电阻和所述第十三电阻；所述第十二电容和所述第十三电阻分别接地。

作为优选，所述输出电源单元还包括过滤电路，所述过滤电路连接于所述负载动态调节电路和所述反激式电路之间本实用新型具有以下有益效果：

本实用新型一种电动汽车用PTC电源管理系统，利用高效电源芯片和PWM输出并通过合理的电路接口匹配设计，进行输入-输出-负载动态调制，科学管理能源。根据对电流、电压等采集诊断环路反馈给主控单元和电源芯片，根据系统算法分析实时动态调整PWM调整输出电压响应，形成自动控制，并根据空调系统控制上下电时间，进入不同模式 ,能高效实现调节，减少能量损耗，带来高寿命高效率，且设计简单，可靠性高，实现低成本高效率，很好地解决了管理控制、成本和信赖性等这一系列问题。

附图说明

图1为本实用新型电动汽车用PTC电源管理系统的原理框图；

图2为本实用新型电动汽车用PTC电源管理系统的输入电源单元的电路图；

图3为本实用新型电动汽车用PTC电源管理系统的上下电模式单元的电路图；

图4为本实用新型电动汽车用PTC电源管理系统的输出电源单元的电路图；

图5为本实用新型电动汽车用PTC电源管理系统中电源信号供给框图。

具体实施方式

以下是本实用新型的具体实施例并结合附图，对本实用新型的技术方案作进一步的描述，但本实用新型并不限于这些实施例。

如图1，本实用新型一种电动汽车用PTC电源管理系统包括输入电源单元、上下电模式单元、输出电源单元、主控单元。系统电源输入端，一般为外部小电池9-16V供给，输入至该电源管理系统。所述输入电源单元分别连接所述上下电模式单元、输出电源单元和所述主控单元。

所述主控单元包括MCU及其外围电路。所述MCU一般采用MC9S12G64型号芯片。

具体参照如图2-5，所述输入电源单元包括分压采集电路、时序供电电路、主开关电路。系统电源输入端KL30一路经所述时序供电电路与所述主开关电路连接，具体来说，该路经所述时序供电电路输出KL_30 FILT给所述上下电模式单元，为其提供时序供电输入，经所述主开关电路一方面输出PSU信号分别给主控单元和电动汽车控制器，另一方面输出模式输入信号KL30_SWITCH给所述上下电模式单元、输出上拉信号KL30_PULLLUP给所述输出电源单元；另一路与所述分压采集电路连接，为主控单元提供输入，对外部小电池的动态输入进行监控，并根据具体瞬态负载来调整和保护。所述上下电模式单元输出5V_SWITCH供给与所述主控单元连接的接口和采集电源，输出5V_CORE供给主控单元以及电动汽车内的can电源。所述输出电源单元输出电源给PTC驱动电源。其中，PSU信号输出端分别连接主控单元和经KL15开关电路连接电动汽车控制器，用于工作后，前述KL15断电后，其保持低电平起到维持回路工作状态；掉电保护及唤醒功能等。

如图2，所述分压采集电路包括第一电阻R63、第二电阻R64、第一电容C53。系统电源输入端KL30经所述第一电阻R63分别与所述第二电阻R64、所述第一电容C53连接后接地。通过采样电阻采集反馈后进入主控系统监控的输入源，当输入源过高或过低被检测后，进入相应的负载控制输出。

所述时序供电电路包括第二电容C43、第三电容C44、第一电感L1、第四电容C41、第五电容C42。系统电源输入端KL30经相互并联的所述第二电容C43和所述第三电容C44后连接所述第一电感L1 ，所述第一电感L1连接相互并联的所述第四电容C41和第五电容C42后接地。系统电源输入端KL30电源经该时序供电电路滤波处理后输出KL_30 FILT给所述上下电模式单元。

所述主开关电路包括第三电阻R57、第四电阻R58、第六电容C49、第一齐纳二极管Z1、第一MOS管Q1。所述第六电容C49和所述第一齐纳二极管Z1并联后与所述第四电阻R58串联。所述第三电阻R57并联在所述第四电阻R58和所述第六电容C49之间。所述第三电阻R57和所述第四电阻R58共同输出端为PSU端，分别连接所述主控单元和电动汽车控制器。所述第一MOS管Q1的漏极连接所述第一齐纳二极管Z1的阴极，所述第一齐纳二极管Z1 的阳极连接所述第四电阻R58，所述第一MOS管Q1的栅极连接所述第一齐纳二极管Z1的阳极。所述第一MOS管Q1的源极用于分别输出模式输入信号KL30_SWITCH和上拉信号KL30_PULLLUP。

为了获得较纯净的电源输入，在所述时序供电电路之前设置信号处理电路。所述信号处理电路包括第十四电容C50、双向稳压管D7和第一二极管D5。系统电源输入端分别经所述第十四电容C50、所述双向稳压管D7接地，系统电源输入端KL30经所述第一二极管D5与所述时序供电电路连接。利用该信号处理电路对外部来自小电池的供电进行前级瞬态吸收、整流，处理后提供给后级电路使用。

为了输出稳定模式输入信号KL30_SWITCH和上拉信号KL30_PULLLUP，所述第一MOS管Q1的源极在输出模式输入信号和上拉信号之前经滤波电路滤波。如，将电容一端与第一MOS管的源极连接，另一端接地。另，在所述模式输入信号KL30_SWITCH和上拉信号KL30_PULLLUP之间连接有单向稳压管D6，其阳极端连接模式输入信号KL30_SWITCH，其阴极端连接上拉信号KL30_PULLLUP，以保护电源稳定输出。

当来自小电池电压的KL30输入正常时，一般为9-16V之间，通常在13V左右，在经过信号处理电路进行防浪涌及滤波吸收处理。处理后的信号一路通过分压采集电路输送给主控单元和电动汽车控制器，一路经时序供电电路输出电源KL30_FILT为后面模式供电提供时序供电输入作为输入，之后经主开关电路。主开关电路一方面输出PSU信号，经过时序供电电路输出的电源通过电动汽车控制器使能信号触发，使得PSU端为低电平。使得该电源管理系统处于低功耗模式，负载等输出不被激活；当第一MOS管导通后形成两路供电输出；主开关电路另一方面输出的两路供电电路，分别为KL30_SWITCH、KL30_PULLLUP，它们作为初级输出给上下电模式单元和输出电源单元。

如图3，所述上下电模式单元包括第一稳压电路、第一开关电路、接口供电电路以及降压供电电路。所述主开关电路输出模式输入信号依次给所述第一稳压电路、所述第一开关电路、所述接口供电电路。所述主开关电路还输出模式输入信号给所述降压供电电路。时序供电电路输出时序供电信号至所述第一开关电路。

具体地，所述第一稳压电路包括第三二极管D8、第十四电阻R69、第十五电阻R68。KL30_SWITCH连接所述第三二极管D8的阴极，所述第三二极管D8的阳极连接所述第十四电阻R69接地以及还经所述第十五电阻R68连接所述第一开关电路。

所述第一开关电路包括第一三极管Q5、第十六电阻R65、第三MOS管Q6、第十七电阻R66、第十八电阻R67、第二齐纳二极管Z2、第四MOS管Q4。所述第一三极管Q5的基极连接所述第十五电阻R68，所述第一三极管Q5的集电极分别连接所述第十六电阻R65、所述第三MOS管Q6的栅极、以及接口供电电路，所述第一三极管Q5的发射极连接所述第三MOS管Q6的漏极。所述第三MOS管Q6的源极分别连接所述第十七电阻R66、所述第十八电阻R67；所述第十八电阻R67一端连接所述第三MOS管Q6的源极，另一端连接所述第二齐纳二极管Z2的阳极，另一端还连接所述第四MOS管的栅极。所述第四MOS管的漏极连接接口供电电路。KL_30 FILT分别连接所述第四MOS管的源极、所述第二齐纳二极管Z2的阴极、第十六电阻R6、第十七电阻R66。

所述接口供电电路包括第四二极管D10、第十九电阻R70、第二十电阻R72、第五MOS管Q7、第十五电容C56、第二十一电阻R71。所述第一三极管Q5的集电极连接所述第四二极管D10的阴极，所述第四二极管D10的阳极经所述第十九电阻R70连接所述第五MOS管Q7的栅极，所述第五MOS管Q7的源极经所述第二十电阻R72连接所述第五MOS管Q7的栅极，所述第五MOS管Q7的源极连接所述降压供电电路。所述第五MOS管Q7的漏极连接5V_SWITCH, 5V_SWITCH还分别经所述第十五电容C56和所述第二十一电阻R71接地。

所述降压供电电路包括降压芯片IC2、第十六电容C60、第十七电容C61、第二十二电阻R73。KL30_SWITCH经单向稳压管D11连接所述降压芯片IC2的输入端IN，所述降压芯片IC2的延迟端DELAY经所述第十六电容C60接地，降压芯片IC2的输出端输出5V_CORE。降压芯片的RO端经所述第十七电容C61接地。所述降压芯片的RO端与所述输出端之间连接所述第二十二电阻R73。

当输入的KL30_switch进入所述第三二极管D8稳压后，给提供给第一三极管Q5作为开关输入控制且当有效时，输出低电平，此时第四二极管D10也为低电平，第三MOS管Q6的栅极也为低电平，导致第十八电阻R67输入为高，且第三MOS管Q6的源极为高，且当KL30_switch高有效时，降压芯片IC2输入为高电平，使得降压芯片IC2输出有效并形成5V_core电源，该电源作为输入给所述第五MOS管Q7，此时且当且当KL30_switch高有效时，第一三极管Q5基极为高有效，使得Q5集电极为低，而此时5V_core有效，使得第四二极管D10导通，使第五MOS管Q7的栅极为高，第五MOS管Q7导通后，输出电源5V_switch。 其中5V_core给主控及can通讯等供电。5V_switch输出给I/0等端口供电。5V_core和5V_switch电源均分别通过采集反馈电路给主控单元形成闭环控制（参照附图5）。

如图4，所述输出电源单元包括第二稳压电路、负载动态调节电路、反激式电路。所述上拉信号KL30_PULLLUP经所述第二稳压电路分别连接所述负载动态调节电路和所述反激式电路，所述反激式电路输出电源给PTC驱动电源。

所述第二稳压电路包括第二电感L2003、第十八电容C2046。KL30_PULLLUP经所述第二电感L2003分别连接所述第五电阻R2017、第十一电阻R2025、第十八电容C2046,所述第十八电容C2046接地。

所述负载动态调节电路包括PWM芯片U2003、第五电阻R2017、第六电阻R2018、第七电阻R2019、第八电阻R2020、第九电阻R2025、第十电阻R2021、第十一电阻R2026、第十二电阻R2027、第十三电阻R2029、第十四电阻R2030、第八电容C2038、第九电容C2070、第十电容C2039、第十一电容C2040、第十二电容C2042、第十三电容C2044、第二MOS管Q2004、第二二极管D2007。所述PWM芯片U2003的运行端RUN分别经所述第五电阻R2017连接所述第二稳压电路，经所述第六电阻R2018接地。所述PWM芯片U2003的阈值电流端ITH依次经所述第七电阻R2019、第八电容C2038接地。所述PWM芯片U2003的反馈FB分别经所述第八电阻R2020接地，经所述第十电阻R2021连接所述第二二极管D2007的阴极，所述第二二极管D2007的阳极连接所述反激式电路。所述PWM芯片U2003的频率端FREQ经所述第九电阻R2025接地。所述PWM芯片U2003的模式端/同步端MODE/SYNC经所述第十电容C2039接地。所述PWM芯片U2003的输入电源端INTVCC也经所述第十电容C2039接地。所述PWM芯片U2003的感应端SENSE分别连接所述第十二电容C2042和所述第十二电阻R2027。所述电压输入端VIN分别经所述第十一电容C2040接地，经所述第十一电阻R2026与所述第二稳压电路连接。所述PWM芯片U2003的门极端GATE连接所述第二MOS管Q2004的栅极，所述第二MOS管Q2004的源极依次连接所述第十四电阻R2030、所述第十三电容C2044接地，所述第二MOS管Q2004的源极还连接所述反激式电路。所述第二MOS管Q2004的漏极分别连接所述第十二电阻R2027和所述第十三电阻R2029。所述第十二电容C2042和所述第十三电阻R2029分别接地。

所述反激式电路包括反激式变压转换器及其外围电路U2001。所述第二MOS管Q2004的源极连接反激式电路。在所述负载动态调节电路和所述反激式电路之间还连接由过滤电路。在所述反激式电路输出H_U1和H_U2z之间也设置有过滤电路。PWM芯片U2003输出产生PWM信号，通过外围电路形成电流环和电压环，电流环路用于采集开关第二MOS管输出负载电流作为反馈调节输入，第十二电阻R2027和与第八电阻R2020，第九电阻R2025及第七电阻R2019等形成电压调节环路，使得负载输出满足外部反激式变压转换器动态调节负载输出。通过第二电感L2003吸收后稳定电压通过U2001环路并在其内变压器初级线圈形成输入与、第二MOS管Q2004组成flyback电路并形成三路输出，一路输出并经第二二极管D2007整流后反馈输入给PWM芯片U2003作为输入电压环系统输入，当输入变化时，该输出变化输出相应负载反馈。另一路输出从变压器次级输出经整流滤波后形成H_U1，H_U1输出给PTC驱动电源供电，最后一路输出也经整流滤波后形成H_U2，H_U2驱动供电后又处理后分成一路通过LDO形成buck电路得到5v VCC_ISOLATE隔离电路给驱动逻辑等单路供电，此电路与其它信号隔离。

当KL30小电池输入正常9-16v电压时，电气盒处理后输出形成KL15，一路预留，另一路经过相关电平电路处理后给出使能给主开关电路，此时MCU芯片使能未有输入，且当电动汽车控制器VCU发出enable信号时，KL15电压有效，因此整车点火后的PTC电源系统处于低功耗模式，负载等输出不能被激活，且当ready后电动汽车控制器发出enable给主控单元后，MCU发出使能激活主开关电路，使得KL30 switch 和KL30 PULLUP正常工作。当整车工作后，此时ready信号早已被激活，此时若KL15信号断开，MCU发出使能维持信号保证开关控制电路正常工作。当电动汽车控制器未发出使能信号，主控单元未发出使能激活功能，主控单元管理电源进入睡眠模式，直到使能信号被激活。另，且当电动汽车控制器发出can消息激活主控单元，PTC电源管理系统也被激活。

当小电池KL30输入电源出现异常时，可能偏高或偏低，采集回路将此信号反馈给MCU，MCU根据具体负载情况做相应的策略处理，并上报can总线。当H_U1的负载出现异常时导致H_U1出现电压波动或异常，电源芯片通过电流采集反馈到电流环调节PWM占空比保证变压器负载或满载特性输出曲线不出现尖峰，使得输出电源电压平稳不出现波动。

本实用新型通过电子开关电源管理，通过不同的电源拓扑结构和电路实现不同电压等级电源输出满足负载动态响应需求和不同工作模式切换，同时进行一系列系统处理，实现电子控制开关电源管理。

具体通过外部小电池9-16v输入，经过输入电源电路处理分成两路，一路作为5v系统供电，一路经过flyback电路处理作为H_U电源输入和隔离5v电源输入及环路PWM驱动并采集电流反馈。另一路作为KL15输入并经信号处理采集用于电源上下电模式管理。5v电源管理又分成数字和模拟5v分别给主控、can和信号处理电路使用。对输出电压等必要信号进行反馈采集诊断，通过算法策略实时动态可控制自动调节和响应，达到自动控制管理系统。

本领域的技术人员应理解，上述描述及附图中所示的本实用新型的实施例只作为举例而并不限制本实用新型。本实用新型的目的已经完整有效地实现。本实用新型的功能及结构原理已在实施例中展示和说明，在没有背离所述原理下，本实用新型的实施方式可以有任何变形或修改。