一種純電動汽車暖風(fēng)系統(tǒng)的研發(fā)

王瑩，丁鵬，高健

（無錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 無錫 214121）

一種純電動汽車暖風(fēng)系統(tǒng)的研發(fā)

王瑩，丁鵬，高健

（無錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 無錫 214121）

保證車內(nèi)的制暖性能是電動汽車（EV）設(shè)計的重要課題之一。傳統(tǒng)燃料機(jī)車能夠利用發(fā)動機(jī)產(chǎn)生的熱量滿足車內(nèi)制暖功能，然而電動汽車沒有發(fā)動機(jī)，需要重新構(gòu)筑熱源。它的優(yōu)劣對純電動汽車動力性、續(xù)航里程等有著至關(guān)重要的影響。文章介紹一種基于PTC材料的汽車暖風(fēng)空調(diào)的研發(fā)。首先設(shè)計了該空調(diào)的總體構(gòu)造，闡述了這種暖風(fēng)系統(tǒng)的工作原理，分析了該系統(tǒng)一些重要的控制方法與算法，在此基礎(chǔ)之上描述了該暖風(fēng)空調(diào)的硬件及軟件的試驗方法，最后驗證了該空調(diào)的可行性與實用性。

汽車；暖風(fēng)；空調(diào)；PTC

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.11.007

CLC NO.: U463.61 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2016)11-15-03

前言

傳統(tǒng)汽車暖風(fēng)空調(diào)大多使用發(fā)動機(jī)余熱加熱或者是燃油加熱器加熱，與傳統(tǒng)汽車相比，純電動汽車既沒有發(fā)動機(jī)余熱也缺少燃油加熱，純電動汽車使用電加熱器滿足汽車對暖風(fēng)系統(tǒng)的要求。由于純電動汽車電池容量的限制，故暖風(fēng)系統(tǒng)消耗的電量對汽車的動力性、經(jīng)濟(jì)性以及續(xù)航里程有著至關(guān)重要的影響，因此純電動汽車暖風(fēng)空調(diào)設(shè)計的優(yōu)劣對純電動汽車有著非常重要的意思。本文就是介紹一種純電動汽車暖風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計及其試驗方法。

1、純電動汽車暖風(fēng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1總體結(jié)構(gòu)

純電動汽車主要由上述結(jié)構(gòu)組成，用于加熱防凍液的PTC加熱器，防凍液進(jìn)入加熱器中，受熱溫度上升，隨后流入蒸發(fā)器。用于防凍液循環(huán)的電動泵及其控制控制。

圖1　暖風(fēng)系統(tǒng)組成

在蒸發(fā)器中，鼓風(fēng)機(jī)將防凍液的熱量帶走，變?yōu)榕L(fēng)，防凍液溫度下降。受電動水泵的抽動，防凍液在流路內(nèi)快速循環(huán)，溫度逐步上升。除此之外還有監(jiān)控水溫的水溫傳感器。它利用風(fēng)機(jī)鼓動空氣流經(jīng)蒸發(fā)器強(qiáng)迫對流，以此為主要熱交換方式。

1.2PTC加熱

PTC(正向溫度系數(shù))熱敏電阻器乃以氧化半導(dǎo)體陶瓷及鈦酸鋇為主要組件。溫度交換以合成未加工貨料而定，倘高于此溫度，電阻便會迅速地提升。如此的特性，使PTC熱敏電阻器應(yīng)用于汽車暖風(fēng)空調(diào)中。PTC熱敏電阻溫度與阻值的關(guān)系圖如圖2所示。

圖2　PTC阻值與溫度關(guān)系，橫坐標(biāo)為溫度，縱坐標(biāo)阻值

R-T曲線圖描述了PTC的主要特征。R-T電阻溫度特性是指在規(guī)定電壓下，PTC熱敏電阻的零功率電阻值與電阻體溫度之間的關(guān)系。由圖2可知在開始電阻隨溫升而下降(NTC負(fù)溫度系數(shù)性質(zhì))，以后電阻隨溫升而上升(PTC性質(zhì))，越過電阻最大點，隨溫升電阻下降，又呈NTC性質(zhì)。在PTC階段是由于鐵電相變的緣故。它的最大特點在于其安全性，即遇風(fēng)機(jī)故障堵轉(zhuǎn)時，PTC加熱器因得不到充分散熱，功率會自動急劇下降，此時加熱器的表面溫度維持限定在居里溫度左右（一般為240℃），從而不致產(chǎn)生電熱管類加熱器表面的“發(fā)紅”現(xiàn)象，排除了發(fā)生事故的隱患。PTC加熱器具有恒溫發(fā)熱、無明火、熱轉(zhuǎn)換率高、受電源電壓影響極小、自然壽命長等傳統(tǒng)發(fā)熱元件無法比擬的優(yōu)勢。

2、暖風(fēng)空調(diào)控制原理

本加熱器具有高壓檢測電路，在電壓低于200V時不加熱，這樣可以防止電動汽車電池系統(tǒng)預(yù)充過程中加熱器就開始加熱而損壞電池系統(tǒng)預(yù)充電路，并且系統(tǒng)上電后有逐漸加大PWM 輸出直至目標(biāo)控制量的10s 軟啟動過程，進(jìn)一步保護(hù)了電路安全。對于用戶使用其它高壓電源的情況如橋式整流加濾波的電源，為避免大電容充電過程導(dǎo)致瞬時過流，使用必要的預(yù)充電路。

加熱器開始工作后，將通過采樣獲取高壓電壓值，進(jìn)而調(diào)整控制PWM 信號輸出的最大值，從而保證在任何有效高壓電壓范圍內(nèi)其輸出峰值功率都穩(wěn)定在4kW。工作過程中，控制系統(tǒng)將通過溫度傳感器采樣水溫信號，使水溫維持在設(shè)定值，即使水溫檢測失敗，如傳感器損壞使加熱器持續(xù)大功率輸出，當(dāng)水溫達(dá)到保護(hù)溫度如75℃，單片機(jī)輸出PWM信號將被保護(hù)電路屏蔽，加熱器停止加熱從而系統(tǒng)保證絕對安全。

其主工作流程可用下圖表示：

控制器上電后，系統(tǒng)初始化，首先檢測是否有標(biāo)定命令，若沒有則進(jìn)入溫度和電壓檢測。當(dāng)檢測電壓大于200V，延時10S 后，進(jìn)入正常工作狀態(tài)。正常工作模式下，實時檢測電壓和溫度信號，每隔0.1s 根據(jù)溫度狀態(tài)進(jìn)行一次PID 控制，每隔10s，進(jìn)行一次故障檢測，當(dāng)某故障發(fā)生多次時，進(jìn)入故障模式。故障模式下1min 后才從故障模式恢復(fù)。

3、模糊控制算法

汽車空調(diào)控制器通過控制加熱絲的溫度和風(fēng)門電機(jī)的轉(zhuǎn)速來控制車內(nèi)溫度，加熱絲電流大制熱量越大，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速越高，車內(nèi)溫度響應(yīng)越快，因此在汽車空調(diào)主要把加熱絲電流量與風(fēng)門電機(jī)作為控制對象。但純電動汽車電池容量小，提供給空調(diào)系統(tǒng)的動力極為有限，因此必須通過提高汽車空調(diào)系統(tǒng)的效率來減輕汽車的動力負(fù)擔(dān)。與一般汽車空調(diào)控制方法不同，本文在控制汽車溫度同時，充分考慮了汽車的動力性。根據(jù)車內(nèi)實測溫度與設(shè)定溫度的溫差和整車電流（負(fù)載），應(yīng)用模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制算法實時調(diào)節(jié)壓縮機(jī)的輸出功率，以達(dá)到節(jié)能和優(yōu)化整車動力的目的[1]。在控制器設(shè)計中，取溫度誤差范圍值為[-3，3]，相應(yīng)的模糊論域取值為[-3，3]，量化為7個等級，其余為邊界值，如記溫差為E，即得出：[-3，-2，-1，0，1，2，3]，模糊子集為{PB（正大），PS（正?。琙（零），NS（負(fù)?。?，NB（負(fù)大）},利用matlab進(jìn)行仿真，可得圖。

圖4　matlab仿真分析圖

4、結(jié)論

電動汽車PTC水暖加熱器，以電為能源，以PTC加熱元件為發(fā)熱體，通過加熱防凍液，經(jīng)由蒸發(fā)器向車內(nèi)提供暖風(fēng)，暖風(fēng)柔和舒適，溫度穩(wěn)定適中，使用安全，節(jié)能高效。

[1]丁鵬,葛如海. 基于模糊控制算法的純電動汽車空調(diào)控制器的研發(fā)[J].計算機(jī)測量與控制2015.23（12）:4079-4083.

Researchand development of a kind of heater system of pure electric vehicle

Wang Ying, Ding Peng, Gao Jian
( Wuxi Institute of Technology, Jiangsu Wuxi 214121 )

One of the important problems in the electric vehicle (EV) is how to guarantee cars’ warm performance. Conventional vehicle can use the heat generated by the engine to meet the car warm function, VE have no engine; however, need to build the new heat source. Its advantages and disadvantages have a vital influence range of EV power performance and range. This paper introduces a research and development of car heater air conditioning based on PTC material. First designed the overall structure of the air conditioning, this paper expounds the working principle of this kind of warm air system, the system are analyzed some important control method and algorithm, on the basis describes the warm wind of air conditioning of the hardware and software of the test method, finally verified the feasibility and practicality of air conditioning.

Vehicle; Heater; Conditioning; PTC

U463.61

A

1671-7988(2016)11-15-03

王瑩（1988- ），女，助教，就職于無錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院，研究方向為車輛計算機(jī)測試與控制技術(shù)。