CN111799530A - 加热器功率闭环控制***及功率闭环控制方法 - Google Patents

加热器功率闭环控制***及功率闭环控制方法 Download PDF

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CN111799530A CN202010700097.2A CN202010700097A CN111799530A CN 111799530 A CN111799530 A CN 111799530A CN 202010700097 A CN202010700097 A CN 202010700097A CN 111799530 A CN111799530 A CN 111799530A
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杨松
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Abstract

本发明提供了一种加热器功率闭环控制***及功率闭环控制方法，该功率闭环控制方法结合控制信号的占空比与输出的实际功率的关系，一方面实时采集工作中的加热器的实际功率并计算出该实际功率与目标功率的差值绝对值，另一方面将该绝对值与设定值相比较，根据比较结果对当前控制信号的占空比进行相应调整，以使下一个信号周期所输出的实际功率和目标功率逐渐逼近，最终实现对功率输出的闭环控制和无级调节，该控制方法成本低，控制精度高，响应速度快，能够满足整车对温度的要求。

Description

加热器功率闭环控制***及功率闭环控制方法
技术领域
本发明涉及新能源汽车控制领域，尤其涉及一种加热器功率闭环控制***及功率闭环控制方法。
背景技术
新能源汽车较传统车在整个结构设计上有很大的差别，新能源汽车无发动机，使用电机进行驱动，动力能量来自高压电池包，高压电池在低温时活性差，为了让高压电池处于良好的工作状态必须对高压电池包进行热管理；另，新能源汽车乘用仓冬天采暖也需要热能，为此，加热器便应运而生。新能源汽车对温度精度要求高，需要加热器能快速响应温度需求，所以，加热器的功率输出控制方法对满足整车温度要求显得尤为重要。传统的对加热器的功率输出的控制方法通常是开环控制，该控制方法无法对功率输出进行精细调整。
发明内容
为了解决开环控制方法无法对功率输出进行精细调整的问题，本发明提供了一种加热器功率输出闭环控制***及功率闭环控制方法，可实现闭环控制，成本低，控制精度高，响应速度快。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案，一种加热器功率闭环控制***，包括：
采样模块，用于实时采集加热器中发热体的实际功率；
计算单元，用于根据所述实际功率和设定的目标功率计算出所述实际功率与所述目标功率的差值的绝对值，所述计算单元与所述采样模块连接；
第一判断单元，用于将所述绝对值与第一设定增量进行比较，所述第一判断单元与所述计算单元连接；
第二判断单元，用于将所述绝对值与第二设定增量进行比较，所述第二判断单元与所述计算单元和所述第一判断单元连接；
信号输出单元，用于发出控制信号使所述发热体进行工作，且在所述绝对值大于等于所述第一设定增量时和在所述绝对值小于所述第一设定增量且大于所述第二设定增量时，按照所述实际功率逼近所述目标功率的趋势对当前所述控制信号的占空比进行粗调和微调，并以调整后的所述控制信号作为下一个信号周期的控制信号发出，所述信号输出单元与所述第一判断单元和所述第二判断单元连接。
本发明的功率闭环控制***能够实现对功率输出的闭环控制和无级调节，成本低，控制精度高，响应速度快，能够满足整车对温度的要求。
本发明加热器功率闭环控制***的进一步改进在于：所述信号输出单元内设有用以粗调的第一调整量和用以微调的第二调整量，所述第一调整量为一个信号周期的2％，所述第二调整量为一个信号周期的0.5％。
本发明加热器功率闭环控制***的进一步改进在于：所述第一设定增量大于所述加热器的精度，所述第二设定增量小于所述加热器的精度。
本发明加热器功率闭环控制***的进一步改进在于：所述第一设定增量为所述加热器的额定功率的4％，所述第二设定增量为所述加热器的额定功率的1.4％。
本发明加热器功率闭环控制***的进一步改进在于：所述加热器包括多个所述发热体，所述功率闭环控制***包括与多个所述发热体一一对应的多个所述采样模块、多个所述计算单元、多个所述第一判断单元、多个所述第二判断单元以及多个所述信号输出单元。
本发明还提供了一种加热器功率闭环控制方法，包括如下步骤：
S1、发出控制信号至加热器，以使所述加热器的发热体开始工作；
S2、在所述发热体工作的过程中实时采集所述发热体的实际功率，并根据所述实际功率和设定的目标功率计算出所述实际功率与所述目标功率的差值的绝对值；
S3、将所述绝对值与第一设定增量进行比较：
当所述绝对值大于等于所述第一设定增量时，按照所述实际功率逼近所述目标功率的趋势，粗调当前控制信号的占空比，返回步骤S1；
当所述绝对值小于所述第一设定增量时，将所述绝对值与第二设定增量进行比较：
当所述绝对值小于所述第一设定增量且大于所述第二设定增量时，按照所述实际功率逼近所述目标功率的趋势，微调当前控制信号的占空比，返回步骤S1；
当所述绝对值小于等于所述第二设定增量时，返回步骤S1。
本发明的功率闭环控制方法，通过实时采集工作中的PTC加热器的实际功率并计算出该实际功率与目标功率的差值绝对值，然后将该绝对值与设定值相比较，根据比较结果对当前控制信号的占空比进行相应调整，以使下一个信号周期所输出的实际功率和目标功率逐渐逼近，最终实现对功率输出的闭环控制和无级调节，该控制方法成本低，控制精度高，响应速度快，能够满足整车对温度的要求。
本发明加热器功率闭环控制方法的进一步改进在于，在步骤S3中：
所述粗调当前控制信号的占空比为，将当前控制信号的占空比增大或减小一个信号周期的2％；
所述微调当前控制信号的占空比为，将当前控制信号的占空比增大或减小一个信号周期的0.5％。
本发明加热器功率闭环控制方法的进一步改进在于：所述第一设定增量大于所述加热器的精度，所述第二设定增量小于所述加热器的精度。
本发明加热器功率闭环控制方法的进一步改进在于：所述第一设定增量为加热器的额定功率的4％，所述第二设定增量为加热器的额定功率的1.4％。
本发明加热器功率闭环控制方法的进一步改进在于：所述加热器包括多个所述发热体，在所述步骤S1中，同时发出与多个所述发热体一一对应且彼此之间设置有相位差的多个控制信号至所述加热器。
附图说明
图1为本发明加热器功率闭环控制***的原理图。
图2为本发明加热器功率闭环控制方法的流程图。
图3为本发明加热器功率闭环控制方法中调整占空比时控制信号A的波形示意图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
由于新能源汽车对温度精度要求高，需要加热器能快速响应温度需求，所以，加热器的功率输出控制方法对满足整车温度要求显得尤为重要。传统的对加热器的功率输出的控制方法通常是开环控制，该控制方法无法对功率输出进行精细调整。
针对上述问题，本发明提供了一种加热器功率闭环控制***及功率闭环控制方法，可实现闭环控制，成本低，控制精度高，响应速度快。
下面结合附图及具体实施方式对本发明加热器功率闭环控制***作进一步详细的说明。
参阅图1所示，一种加热器功率闭环控制***，包括：
采样模块，用于实时采集加热器中发热体PTC的实际功率；
计算单元，用于根据该实际功率和设定的目标功率计算出该实际功率与该目标功率的差值的绝对值，该计算单元与该采样模块连接；
第一判断单元，用于将该绝对值与第一设定增量进行比较，该第一判断单元与该计算单元连接；
第二判断单元，用于将该绝对值与第二设定增量进行比较，该第二判断单元与该计算单元和该第一判断单元连接；
信号输出单元，用于发出控制信号使该发热体进行工作，且在该绝对值大于等于该第一设定增量时和在该绝对值小于该第一设定增量且大于该第二设定增量时，按照该实际功率逼近该目标功率的趋势对当前控制信号的占空比进行粗调和微调，并以调整后的该控制信号作为下一个信号周期的控制信号发出，该信号输出单元与该第一判断单元和该第二判断单元连接。
在本实施例中，加热器包括发热体PTC，驱动三极管IGBT，发热体PTC的一端接入高压电源HV+，另一端连接驱动三极管IGBT的集电极，上述计算单元、第一判断单元、第二判断单元和信号输出单元均集成在微控制器上，该微控制器可以是单片机、控制芯片或PCB板等，该微控制器通过信号输出单元输出控制信号A至驱动三极管IGBT的基极，该控制信号A为一定占空比的方波信号，该控制信号A的频率的导数为一个信号周期；采样模块可以是各种形式，如是功率表或多功能表，直接采集发热体PTC输出的实际功率；或者是电压表、电流表和计算模块的组合，通过电压表来采集发热体PTC的工作电压，通过电流表来采集发热体PTC的工作电流，然后通过计算模块根据工作电压和工作电流计算得到发热体PTC的实际功率，计算公式如下：
P＝U*I (1)
注：P为该发热体PTC工作时输出的实际功率，U为该发热体PTC的工作电压，I为该发热体PTC的工作电流。
本实施例的功率闭环控制***一方面实时采集工作中的加热器的实际功率并计算出该实际功率与目标功率的差值绝对值，另一方面通过将该绝对值与设定值相比较，根据比较结果对当前控制信号的占空比进行相应调整，以使下一个信号周期所输出的实际功率和目标功率逐渐逼近，最终实现对功率输出的闭环控制和无级调节，该控制方法成本低，控制精度高，响应速度快，能够满足整车对温度的要求。
较佳地：该信号输出单元内设有用以粗调的第一调整量和用以微调的第二调整量，该第一调整量为一个信号周期的2％，该第二调整量为一个信号周期的0.5％。
通过上述设置，使得该功率闭环控制***的调节速度更快，更能满足整车对温度的要求。
较佳地：为了使该功率闭环控制***的调节精度满足加热器的精度要求，本实施例优选该第一设定增量大于该加热器的精度，该第二设定增量小于该加热器的精度。
较佳地：传统的加热器的较高精度要求通常为额定功率的2％，故，本实施例优选该第一设定增量为该加热器的额定功率的4％，该第二设定增量为该加热器的额定功率的1.4％，以使该功率闭环控制***既能满足加热器的精度要求又能保证对输出功率的调整速度。
较佳地：该加热器包括多个该发热体PTC，该功率闭环控制***包括与多个该发热体PTC一一对应的多个该采样模块、多个该计算单元、多个该第一判断单元、多个该第二判断单元以及多个该信号输出单元。
本实施例的功率闭环控制***针对每路发热体回路可单独进行采样和控制，以便实现对每路发热体回路的输出功率的闭环控制。
本发明基于上述加热器功率闭环***还提供了一种加热器功率闭环控制方法，下面结合附图及具体实施方式对本发明加热器功率闭环控制方法作进一步详细的说明。
首先，定义：加热器的额定功率为P额；加热器输出的实际功率为P；设定的目标功率为P0；控制信号的占空比为D；控制信号的频率为f；一个信号周期为T(即1/f)；第一比例值为d1；第二比例值为d2；第一设定增量为ΔP1；第二设定增量为ΔP2。
参阅图2和图3所示，一种加热器功率闭环控制方法，包括如下步骤：
步骤S1，发出控制信号至加热器，以使该加热器的发热体开始工作；
步骤S2，在该发热体工作的过程中实施采集该发热体的实际功率，并根据该实际功率P和设定的目标功率P0计算出该实际功率P与设定的目标功率P0的差值的绝对值|P-P0|。
步骤S3，将该绝对值|P-P0|与第一设定增量ΔP1进行比较：
当|P-P0|≥ΔP1时，按照该实际功率P逼近所该目标功率P0的趋势，粗调当前控制信号的占空比D，返回步骤S1；
当|P-P0|＜ΔP1时，将该绝对值|P-P0|与第二设定增量ΔP2进行比较：
当ΔP2＜|P-P0|＜ΔP1时，按照该实际功率P逼近所该目标功率P0的趋势，微调当前控制信号的占空比D，返回步骤S1；
当|P-P0|≤ΔP2时，返回步骤S1。
本发明的功率闭环控制方法，通过实时采集工作中的PTC加热器的实际功率P并计算出该实际功率P与目标功率P0的差值绝对值|P-P0|，然后将该绝对值|P-P0|与设定值相比较，根据比较结果对当前控制信号的占空比D进行相应调整，以使下一个信号周期T所输出的实际功率P和目标功率P0逐渐逼近，最终实现对功率输出的闭环控制和无级调节，该控制方法成本低，控制精度高，响应速度快，能够满足整车对温度的要求。
较佳地，在步骤S3中：
该粗调当前控制信号的占空比D为，将当前控制信号的占空比D增大或减小一个信号周期T的2％；
该微调当前控制信号的占空比D为，将当前控制信号的占空比D增大或减小一个信号周期T的0.5％。
具体地，配合图1所示，由于控制信号的占空比D即为一个信号周期T内被控功率器件IGBT开启的时间和整个信号周期T的比值；故：控制信号的占空比D越大，一个信号周期T内被控功率器件IGBT开启的时间越长，则发热体PTC在一个信号周期T内发热的时间越长，消耗的实际功率P就越大；反之亦然。
所以，在步骤S3中，微控制器利用信号调整单元对控制信号的占空比D按照如下方式进行调整：
当|P-P0|≥ΔP1时，
如果P0-P≥ΔP1，则将当前控制信号的占空比D调整为D+2％*T；
如果P-P0≥ΔP1，则将当前控制信号的占空比D调整为D-2％*T；
当ΔP2＜|P-P0|＜ΔP1时，
如果ΔP2＜P0-P＜ΔP1，则将当前控制信号的占空比D调整为D+0.5％*T；
如果ΔP2＜P-P0＜ΔP1，则将当前控制信号的占空比D调整为D-0.5％*T；
当|P-P0|≤ΔP2时，
如果P0-P≤ΔP2，则将当前控制信号的占空比D维持为D不变；
如果P-P0≤ΔP2，则将当前控制信号的占空比D维持为D不变。
本实施方式以2％*T和0.5％*T作为一个信号周期T的闭环功率调节步进，对控制信号的占空比D进行循环调整(如图3的2％调节区域和0.5％调节区域)：当实际功率P小于目标功率P0为调节上限临界值以上(即P0-P≥ΔP1)时，先以2％*T作为一个信号周期T的调节步进对控制信号的占空比D进行循环增加；直至实际功率P小于目标功率P0为调节下限临界值以上(即ΔP2＜P0-P＜ΔP1)时，改为以0.5％作为一个信号周期T的调节步进对控制信号的占空比D进行循环增加，使实际功率P和目标功率P0逐渐逼近；直至实际功率P小于目标功率P0为调节下限临界值以下(P0-P≤ΔP2)时，停止调整控制信号的占空比D；对于实际功率P大于目标功率P0的调节方式同理。本发明点功率闭环控制方法，控制精度高，响应速度快。
较佳地：该第一设定增量ΔP1和该第二设定增量ΔP2可以根据加热器的精度进行确定，使该第一设定增量ΔP1大于该加热器的精度，使该第二设定增量ΔP2小于该加热器的精度，以使该功率闭环控制方法满足该加热器的精度要求，实现真正的闭环控制和无级调速。
较佳地：该第一设定增量ΔP1和该第二设定增量ΔP2可以结合加热器的额定功率P额和精度进行确定，根据额定功率P额和精度的常规关系(通常较高的精度为额定功率P额的2％)，本实施方式优选该第一设定增量为加热器的额定功率P额的4％，即ΔP1＝4％*P额；第二设定增量为加热器的额定功率P额的1.4％，即ΔP2＝1.4％*P额。例如：加热器的额定功率P额为5000W(其精度为100W)，则本控制方法定义第一设定增量ΔP1为4％*5000W＝200W，进一步定义第二设定增量ΔP2为1.4％*5000W＝70W，此时，该加热器的精度刚好介于第一设定增量ΔP1和第二设定增量ΔP2之间，以远离并大于该精度值的第一设定增量ΔP1作为调节上限临界值，以靠近并小于该精度值第二设定增量ΔP2作为调节下限临界值，使该控制方法具有较高的控制精度的同时具有较快的响应速度。
较佳地：该加热器包括多个该发热体，在该步骤S1中，同时发出与多个该发热体一一对应且彼此之间设置有相位差的多个控制信号至该加热器。
在本实施方式中，多个发热体的控制逻辑相同，但分别用以控制多个该发热体的多个控制信号之间设置有相位差，使各控制信号同时发出但起始脉冲不同步，保证了用以驱动各路发热体的功率器件IGBT不会同时开启，以抑制冲击电流。
具体地，如：控制信号的频率为20HZ，则周期为50ms；当为1路控制时，在50ms内只有一路开启；当为2路控制时，50ms内需有两路开启，使在25ms内只有一路开启，下个25ms另外一路开启；当为3路控制时，50ms内需有三路开启，使17ms内只有一路开启，下个17ms内另一路开启，下下个17ms内最后一路开启。虽然随着占空比的不断增大，各路控制信号的占空比会存在叠加的情况，但其对上述控制逻辑没有影响。
以上所述仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明做任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案的范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (10)

1.一种加热器功率闭环控制***，其特征在于，包括：
采样模块，用于实时采集加热器中发热体的实际功率；
计算单元，用于根据所述实际功率和设定的目标功率计算出所述实际功率与所述目标功率的差值的绝对值，所述计算单元与所述采样模块连接；
第一判断单元，用于将所述绝对值与第一设定增量进行比较，所述第一判断单元与所述计算单元连接；
第二判断单元，用于将所述绝对值与第二设定增量进行比较，所述第二判断单元与所述计算单元和所述第一判断单元连接；
信号输出单元，用于发出控制信号使所述发热体进行工作，且在所述绝对值大于等于所述第一设定增量时和在所述绝对值小于所述第一设定增量且大于所述第二设定增量时，按照所述实际功率逼近所述目标功率的趋势对当前所述控制信号的占空比进行粗调和微调，并以调整后的所述控制信号作为下一个信号周期的控制信号发出，所述信号输出单元与所述第一判断单元和所述第二判断单元连接。
2.根据权利要求1所述的加热器功率闭环控制***，其特征在于：所述信号输出单元内设有用以粗调的第一调整量和用以微调的第二调整量，所述第一调整量为一个信号周期的2％，所述第二调整量为一个信号周期的0.5％。
3.根据权利要求1所述的加热器功率闭环控制***，其特征在于：所述第一设定增量大于所述加热器的精度，所述第二设定增量小于所述加热器的精度。
4.根据权利要求1所述的加热器功率闭环控制***，其特征在于：所述第一设定增量为所述加热器的额定功率的4％，所述第二设定增量为所述加热器的额定功率的1.4％。
5.根据权利要求1所述的加热器功率闭环控制***，其特征在于：所述加热器包括多个所述发热体，所述功率闭环控制***包括与多个所述发热体一一对应的多个所述采样模块、多个所述计算单元、多个所述第一判断单元、多个所述第二判断单元以及多个所述信号输出单元。
6.一种加热器功率闭环控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、发出控制信号至加热器，以使所述加热器的发热体开始工作；
S2、在所述发热体工作的过程中实时采集所述发热体的实际功率，并根据所述实际功率和设定的目标功率计算出所述实际功率与所述目标功率的差值的绝对值；
S3、将所述绝对值与第一设定增量进行比较：
当所述绝对值大于等于所述第一设定增量时，按照所述实际功率逼近所述目标功率的趋势，粗调当前控制信号的占空比，返回步骤S1；
当所述绝对值小于所述第一设定增量时，将所述绝对值与第二设定增量进行比较：
当所述绝对值小于所述第一设定增量且大于所述第二设定增量时，按照所述实际功率逼近所述目标功率的趋势，微调当前控制信号的占空比，返回步骤S1；
当所述绝对值小于等于所述第二设定增量时，返回步骤S1。
7.根据权利要求6所述的加热器功率闭环控制方法，其特征在于，在步骤S3中：
所述粗调当前控制信号的占空比为，将当前控制信号的占空比增大或减小一个信号周期的2％；
所述微调当前控制信号的占空比为，将当前控制信号的占空比增大或减小一个信号周期的0.5％。
8.根据权利要求6所述的加热器功率闭环控制方法，其特征在于：所述第一设定增量大于所述加热器的精度，所述第二设定增量小于所述加热器的精度。
9.根据权利要求6所述的加热器功率闭环控制方法，其特征在于：所述第一设定增量为加热器的额定功率的4％，所述第二设定增量为加热器的额定功率的1.4％。
10.根据权利要求1所述的加热器功率闭环控制方法，其特征在于：所述加热器包括多个所述发热体，在所述步骤S1中，同时发出与多个所述发热体一一对应且彼此之间设置有相位差的多个控制信号至所述加热器。
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