新能源汽車PTC加熱器壽命試驗(yàn)方法分析

摘 ?要：新能源汽車所使用的PTC加熱器在現(xiàn)階段的使用上有較好的發(fā)展前景，各項(xiàng)指標(biāo)和技術(shù)也發(fā)展得比較完善，和傳統(tǒng)的汽車空調(diào)相比較而言工作時率更加的穩(wěn)定，但是不可以根據(jù)溫度來進(jìn)行主動地調(diào)節(jié)功率，在關(guān)鍵壽命指標(biāo)上還需要進(jìn)行一定的研究和試驗(yàn)，需要相關(guān)的研究人員設(shè)計出一套適用于計算PTC加熱器使用壽命的試驗(yàn)手段。

關(guān)鍵詞：PTC加熱器;新能源汽車;試驗(yàn)方法

引言：

在近幾年由于新能源汽車技術(shù)的蓬勃發(fā)展，使得相關(guān)的汽車研發(fā)團(tuán)隊(duì)對于PTC的關(guān)注度更高，目前PTC所主要開發(fā)的領(lǐng)域是對于PTC加熱系統(tǒng)的研究，相關(guān)的研究人員往往更青睞于研究PTC加熱系統(tǒng)的性能以及制熱原理，卻一直很少有人對于其壽命進(jìn)行相關(guān)研究，導(dǎo)致其壽命損耗特征參數(shù)不健全，使用全壽命周期不穩(wěn)定，以浙江省溫州科博達(dá)汽車部件有限公司研究為例，制定出一套壽命評估試驗(yàn)方法。

一、PTC加熱器的介紹和機(jī)理

（一）PTC加熱器的介紹

想要對于PTC加熱器進(jìn)行壽命研究，就要首先了解這一裝置的原理和產(chǎn)品屬性。PTC加熱器使用的是PTC熱敏系統(tǒng)電阻元件作為發(fā)熱源的一種加熱裝置。一般利用的是多片并聯(lián)和外圍部件結(jié)合而成，相比于傳統(tǒng)的發(fā)熱器，本身就具有發(fā)熱快、恒溫、使用周期長的優(yōu)勢，依照材料學(xué)的研究方式，可以分成陶瓷類和有機(jī)高分子類，一般常運(yùn)用在新能源汽車的是陶瓷類。新能源汽車的PTC加熱器一般的組裝部分包括處理器、功率模塊、電流檢測傳感器等，由控制系統(tǒng)將溫度信息傳遞到處理器，再通過目標(biāo)溫度和處理器溫差對比來調(diào)節(jié)功率，從而達(dá)到設(shè)置的溫度。

（二）PTC加熱器的機(jī)理

PTC加熱器最主要的部件就是熱敏電阻，主要的作用是在于過電壓、過負(fù)載和過熱保護(hù)裝置，擁有承受大電流沖擊和耐高壓的特質(zhì)，在出現(xiàn)PTC過熱導(dǎo)致燒毀的相關(guān)資料來看有以下幾個方面：IGBT容易導(dǎo)致高溫失效導(dǎo)致過熱損壞;在運(yùn)行過程中溫度過高，熔斷體超出了原有的溫度，PTC受到電流，導(dǎo)致出現(xiàn)電火，引起了瓷片的燃燒導(dǎo)致故障出現(xiàn);還有一種現(xiàn)象是回路自行斷開，導(dǎo)致了內(nèi)部燒毀，使得控制器出現(xiàn)故障。總的而言，PTC加熱器的故障原因一般是過點(diǎn)載、過高溫的環(huán)境導(dǎo)致了內(nèi)部出現(xiàn)短路和元部件出現(xiàn)高溫?zé)龤?，所以，在?shí)際的研究當(dāng)中應(yīng)該將主要的試驗(yàn)點(diǎn)關(guān)注在電壓力和功率載荷當(dāng)中，同時要注意環(huán)境壓力的因素進(jìn)行人為的施壓來進(jìn)行試驗(yàn)[1]。

二、關(guān)于PTC電加熱壽命因素的研究

（一）發(fā)熱的功率和自動調(diào)節(jié)

傳統(tǒng)的汽車在安裝空調(diào)系統(tǒng)時，往往是會安裝在進(jìn)風(fēng)口換熱器的下部，還有些因?yàn)楣に嚨脑驎TC系統(tǒng)直接安裝在空調(diào)底座，甚至是直接包裹在換熱器當(dāng)中。其對于工藝的要求，不論如何都要保障設(shè)備的散熱面和進(jìn)風(fēng)量可以達(dá)到一致的角度，也就是只有要讓PTC電加熱器的進(jìn)風(fēng)量達(dá)到最大，才可以獲得PTC電加熱器的最大的功率，從而使得加熱的效果最佳。又因?yàn)镻TC加熱器自帶的可自動調(diào)節(jié)屬性，可以得到發(fā)熱的量會根據(jù)環(huán)境而發(fā)生一定的改變，當(dāng)外部的環(huán)境溫度升高時發(fā)熱的功率就會變得低，外部的溫度降低時就會使得發(fā)熱的功率變得更高。這樣的效果可以實(shí)現(xiàn)車溫的自動調(diào)節(jié)，還可以讓出風(fēng)的溫度保持合適的狀態(tài)，更加有利于恒溫的要求，從而實(shí)現(xiàn)對于溫度可以實(shí)現(xiàn)控制，另外，還更加有效地節(jié)約能源，傳統(tǒng)的金屬電加熱的熱量是固定的，發(fā)熱量并不會隨著外部因素的影響而出現(xiàn)改變，就會導(dǎo)致資源的浪費(fèi)和加熱器溫度過高的現(xiàn)象出現(xiàn)，其對于恒溫效果的波動也比較大，不利于汽車的溫度形成精準(zhǔn)的調(diào)控。

（二）安全性和穩(wěn)定性

在具體的實(shí)驗(yàn)當(dāng)中要了解其安全性和穩(wěn)定性，這兩個因素不僅僅是針對加熱系統(tǒng)，更是對于車主的人身安全和風(fēng)險系數(shù)有著一定的影響，PTC對于溫度有著自限的能力，溫度升高以后會下降電阻，即使在干燒的狀態(tài)當(dāng)中也不會使得周邊的物體燃燒，而金屬加熱器會導(dǎo)致周邊的橡膠管和塑料燃燒，導(dǎo)致火災(zāi)的發(fā)生。

（三）制熱速度和壽命的聯(lián)系

PTC加熱器的啟動當(dāng)中會有比額定功率更大的沖擊功率，能夠滿足快速制熱的需求，在恒溫的狀態(tài)當(dāng)中，會因?yàn)镻TC的發(fā)熱功率的下降而提高，其優(yōu)勢在于在外部的環(huán)境溫度低的情況下也可以快速地制熱的效果，而金屬電加熱器就只是機(jī)械地固定輸出額定的加熱量，制熱的啟動的速度也就會慢很多。相關(guān)的壽命也不會受到外部因素的過多的影響，由于不受到外部條件的限制，相較于傳統(tǒng)的加熱器可以更加的提升使用壽命，也就是損耗率越小使用壽命越長，損耗率越高其使用的壽命就會越短。

三、PTC加熱器采用的壽命試驗(yàn)及試驗(yàn)方法

（一）PTC的壽命試驗(yàn)方法

具體的試驗(yàn)方法有相關(guān)的試驗(yàn)規(guī)定，為了可以達(dá)到恒溫加熱從而實(shí)現(xiàn)溫度控制功能，相關(guān)的要求要達(dá)到（23±3）℃的條件下進(jìn)行，高電壓的要求是在±5V DC，低壓側(cè)電壓的要求是在（13.5±0.1）V DC，冷卻液的流出量要達(dá)到650L/h，功率的輸出要達(dá)到100%持續(xù)的時間要達(dá)到18個小時，持續(xù)周期達(dá)到4000h的循環(huán)試驗(yàn)。在一般的PTC加熱器的研究實(shí)驗(yàn)以外，相關(guān)的廠商都會進(jìn)行相應(yīng)的元器件的試驗(yàn)，一般會依據(jù)相應(yīng)的法律法規(guī)進(jìn)行相關(guān)的測試，通常本公司的執(zhí)行檢驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)參照依據(jù)為《電子電氣零部件通用測試要求》[2]，此項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)當(dāng)中規(guī)定了3類壽命測試的標(biāo)準(zhǔn)。在具體的操作試驗(yàn)當(dāng)中有明確的壽命檢測標(biāo)準(zhǔn)，也就是溫度循環(huán)壽命試驗(yàn)、高溫壽命試驗(yàn)、以及恒定濕熱壽命試驗(yàn)，這三種標(biāo)準(zhǔn)分別測試不同典型環(huán)境下的壽命情況。其對于新能源汽車而言，普遍利用的是PTC加熱器，加之有相關(guān)的輔助手段就可以滿足新能源汽車的空調(diào)使用，如果是采用傳統(tǒng)的金屬電加熱器，會因?yàn)槠渲械慕Y(jié)構(gòu)發(fā)生變化導(dǎo)致汽車內(nèi)部的空氣流暢，而無法滿足新能源汽車的空調(diào)加熱的效果，甚至?xí)霈F(xiàn)一定的故障，更有可能會導(dǎo)致汽車的安全系數(shù)變低，導(dǎo)致事故的發(fā)生。

（二）應(yīng)力與剖面

對于PTC加熱器而言要受到環(huán)境因素的影響，其主要的因素是溫度和濕度，使用的主要的載荷是電應(yīng)力和功率荷載，通過相關(guān)的實(shí)驗(yàn)可以得出，溫度的應(yīng)力和載荷的應(yīng)力是發(fā)生故障的主要因素，所以電阻是PTC加熱器的主要實(shí)驗(yàn)的對象，也是壽命的特征參數(shù)，實(shí)驗(yàn)過程當(dāng)中應(yīng)該要著重于監(jiān)控電阻的變化情況。實(shí)驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)是新能源汽車在15年間運(yùn)行300000km，也可以換算成15年當(dāng)中運(yùn)行17084h，每天平均在3.12h，其間如果沒有產(chǎn)生故障就可以得出加熱器的產(chǎn)品為3.52年[3]。

（三）實(shí)驗(yàn)控制

在進(jìn)行控制實(shí)驗(yàn)當(dāng)中要安裝溫度的采集器，把控處理器和功率管的溫度情況，保存實(shí)驗(yàn)的通訊數(shù)據(jù)和高低壓的參數(shù)，利用傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，使用綜合系統(tǒng)數(shù)據(jù)保存將實(shí)驗(yàn)的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行時間排序儲存。使用的實(shí)驗(yàn)硬件可以分為高低功電壓模塊和濾波模塊，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以分為通訊模塊和數(shù)據(jù)采集模塊。

（四）具體操作

具體的實(shí)驗(yàn)方式是將PTC空調(diào)總成放置于環(huán)境箱當(dāng)中，利用導(dǎo)風(fēng)管進(jìn)行排風(fēng)和進(jìn)風(fēng)模擬實(shí)際的使用環(huán)境，將高壓和LC低通濾波連接到PTC空調(diào)總成，并聯(lián)到低壓，上位機(jī)和LIN盒與PLC進(jìn)行并聯(lián)，一起串聯(lián)到PTC空調(diào)總成當(dāng)中，最后連接到數(shù)據(jù)采集機(jī)組上進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集和讀取。

（五）實(shí)驗(yàn)結(jié)果

將得到的PTC產(chǎn)品試驗(yàn)進(jìn)行匯總和擬合整理可以得到數(shù)據(jù)擬合結(jié)果和PTC指標(biāo)閾值，PTC的產(chǎn)品運(yùn)行的時間是14666h，結(jié)合汽車的運(yùn)行時間在1天有效運(yùn)行3.12h，所以得出結(jié)論在14666h中壽命是12.79年。要特別強(qiáng)調(diào)的是此數(shù)據(jù)是本公司自主實(shí)驗(yàn)得出的結(jié)果，與其他的產(chǎn)品性能可能會存在一定的差距和出入，在實(shí)際的使用當(dāng)中要以具體的實(shí)驗(yàn)結(jié)果為主。

結(jié)語：綜上所述，對于PTC加熱器的壽命研究要了解其相關(guān)的因素之間的聯(lián)系，了解制熱速度和產(chǎn)品壽命之間的聯(lián)系以及安全性和穩(wěn)定性，同時通過試驗(yàn)可以了解到PTC加熱器的壽命試驗(yàn)方法、應(yīng)力和剖面、試驗(yàn)控制和檢測時機(jī)和檢測的項(xiàng)目，最終得出實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。

參考文獻(xiàn)：

[1]趙書美，魏冬.電動汽車電池加熱器控制方法的優(yōu)化研究[J].光源與照明，2021（03）：84-85.

[2]王曉輝.一種電動汽車空調(diào)系統(tǒng)PTC加熱器控制器設(shè)計[J].電子產(chǎn)品世界，2021，28（03）：39-41.

[3]趙繼嶺，王金航.基于電動汽車電池加熱器的控制方法優(yōu)化[J].汽車實(shí)用技術(shù)，2021，46（03）：10-14.

作者簡介：

孫利獻(xiàn)（1978.10），男，漢族，浙江溫州，本科，主任工程師，車輛熱管理系統(tǒng)匹配及開發(fā)。