基于綜合應(yīng)力的直流PTC電加熱可靠性試驗研究

賀春輝，盧浩賢，何林

（1.珠海格力電器股份有限公司，珠海 519070； 2.空調(diào)設(shè)備及系統(tǒng)運行節(jié)能國家重點實驗室，珠海 519070）

引言

可靠性試驗是通過施加典型環(huán)境應(yīng)力和工作載荷的方式，用于剔除產(chǎn)品早期缺陷，增長或測試產(chǎn)品可靠性水平、檢驗產(chǎn)品可靠性指標、評估產(chǎn)品壽命指標的一種有效手段。而可靠性增長摸底試驗作為可靠性研制試驗的一種，是為了暴露產(chǎn)品薄弱環(huán)節(jié)，有計劃、有目標地對產(chǎn)品施加模擬實際使用的綜合環(huán)境應(yīng)力及工作應(yīng)力，用較短的時間和費用暴露產(chǎn)品的潛在缺陷，并及時采取糾正措施，使產(chǎn)品的可靠性水平得到增長[1,2]。

目前國內(nèi)外部分企業(yè)、學(xué)者對常規(guī)空調(diào)用PTC電加熱可靠性及應(yīng)用已做了大量研究，技術(shù)較為成熟，如：何暉[3]對常規(guī)PTC電加熱在家用空調(diào)中應(yīng)用進行了相關(guān)試驗驗證，陳穎[4]對PTC在風(fēng)管機中的應(yīng)用安裝位置、選型等方面進行了研究；也有部分學(xué)者對電動PTC電加熱進行相關(guān)研究：如Hasan Esen等[5]提出使用PTC加熱器對混合動力汽車的客艙空氣進行加熱，但未給出具體實施方案；王景松[6]介紹了一種電動汽車上用PTC加熱器雙重保護裝置及方法，對電動汽車PTC電路設(shè)計進行了研究；而對于大功率直流高電壓供電的PTC電加熱在新能源大巴空調(diào)上應(yīng)用其可靠性研究還較少，有必要進行可靠性研制試驗研究分析，使得大功率直流PTC電加熱在新能源大巴空調(diào)上使用可靠性水平得以增長。

1 直流PTC電加熱可靠性試驗設(shè)計思路

通過對市場上新能源大巴客車空調(diào)用大功率直流PTC電加熱故障數(shù)據(jù)統(tǒng)計和失效機理的分析，試驗應(yīng)力的選擇和綜合試驗剖面的建立，進行可靠性試驗驗證、并對比數(shù)據(jù)分析，為大功率、直流PTC電加熱在新能源大巴客車空調(diào)系統(tǒng)上的應(yīng)用提供方法。總的設(shè)計流程如圖1所示。

圖1 可靠性試驗設(shè)計思路

1.1大功率直流PTC電加熱故障模式及影響因素分析

對于新能源大巴客車空調(diào)PTC電加熱，采用新能源大巴客車電池組供電（電壓范圍DC 480 V～750 V），PTC電加熱廠家通常將限溫器通斷信號接入主板進行控制，在PTC表面安裝1個限溫器，當(dāng)限溫器檢測到溫度達到保護值時限溫器自動跳開，即給控制主板斷電信號，再由主板控制對應(yīng)電加熱的繼電器切斷主電路（電路原理圖如圖2），參考國標GB 4706.32-2012《家用和類似用途電器的安全 熱泵、空調(diào)器和除濕機的特殊要求》［7］第22.102帶有輔助加熱器的器具判定：具有加熱空氣的輔助電加熱器的器具應(yīng)至少帶有兩個熱脫扣器；預(yù)定首先動作的熱脫扣器應(yīng)是一個自復(fù)位的熱脫扣器，其他熱脫扣器應(yīng)是非自復(fù)位的熱脫扣器；限溫器到保護值是間接斷開強電，一定程度上存在安全隱患。

圖2 電路原理圖

通過收集市場上直流PTC電加熱歷史故障數(shù)據(jù)分析得知其故障主要體現(xiàn)在以下兩方面：一是PTC限溫器保護溫度值余量不足問題，導(dǎo)致頻繁保護動作等影響正常使用；二是大功率直流PTC電加熱在高電壓等惡劣環(huán)境應(yīng)力條件下使用易出現(xiàn)失效，需從這兩方面設(shè)計可靠性試驗方案進行驗證，尋找設(shè)計缺陷并加以改善。

1.2可靠性試驗應(yīng)力的確定及施加方式的選取、綜合應(yīng)力實驗室臺搭建

1.2.1 直流PTC電加熱器的溫度特性

陶瓷PTC是基于BaTiO3陶瓷晶體在高溫下相變而成的一種熱敏元器件，其通常是以鋁管為外殼，陶瓷PTC片作為功率發(fā)熱體，在一端或兩端均有引出棒，以鋁波紋片為散熱器, 通過硅膠粘合加工固定為一體的元器件。對于PTC效應(yīng)國外較成熟的理論模型解釋有Daniels等人提出的鋇補缺位模型和Heywang提出的表面勢壘模型，具體特性為在常溫時電阻非常小，而通電后隨溫度升高電阻階躍不斷增加，在一個很小的溫度范圍內(nèi)迅速增大到原來的103～105倍，迅速升至居里溫度點Tc，而后在Tc～Tp范圍內(nèi)穩(wěn)定運行。在干燒表面溫度升高時，因電阻增大，其對溫度的敏感性會自動調(diào)節(jié)功率而最終將溫度降到平衡點（如圖3）。

圖3 陶瓷PTC的特性曲線

常規(guī)PTC電加熱在空調(diào)器送風(fēng)機出現(xiàn)故障或空調(diào)回風(fēng)過濾器臟堵情況下，此時由于PTC干燒表面溫度最高不會太高，不容易達到周圍可燃物體的燃燒溫度點可長時間運行，可靠性和安全性較高。

1.2.2大功率直流PTC電加熱功率驗證與應(yīng)力選取

按照國標GB/T 37123-2018《汽車用電驅(qū)動空調(diào)器》［8］輔助電加熱的工況溫度進行試驗，試驗選取2組5 kW直流PTC電加熱進行試驗，電加熱正常安裝在大巴空調(diào)上，內(nèi)風(fēng)機各風(fēng)擋正常開啟PTC電加熱穩(wěn)定運行時測試其功率（功率數(shù)據(jù)如圖4）。

圖4 不同電壓、風(fēng)擋下功率曲線

試驗結(jié)果分析：從數(shù)據(jù)曲線可看出：相同風(fēng)擋下，直流電壓越高PTC功率越高；相同電壓下PTC功率隨風(fēng)檔增大而增大，大致成線性關(guān)系；故測試時優(yōu)先選取功率大、發(fā)熱大的高電壓進行試驗；模擬實際安裝使用過程直流PTC電加熱存在的各種綜合應(yīng)力環(huán)境條件。

1.2.3直流PTC電加熱可靠性綜合應(yīng)力實驗臺建立

結(jié)合本文1.2.2測試摸底驗證情況，可模擬直流PTC電加熱實際使用的不同環(huán)境溫濕度、不同電壓、不同溫濕度、不同風(fēng)擋等條件下進行試驗設(shè)計，搭建符合要求的綜合應(yīng)力實驗臺（如圖5所示），同時能夠模擬實際新能源大巴客車空調(diào)安裝和運行過程中監(jiān)測到的機組振動和應(yīng)變情況，便于可靠性及壽命試驗的分析。

圖5 直流PTC電加熱綜合應(yīng)力實驗臺原理以及實物圖

1.3可靠性研制摸底試驗剖面模型的建立及試驗過程分析

1.3.1試驗時間、試驗樣品的確定

根據(jù)我國工程經(jīng)驗，對于可靠性增長摸底試驗的試驗時間取100~200 h 較為合適，統(tǒng)計結(jié)果表明200 h時間較為合理，本次試驗選取試驗總時間180 h左右，選取兩個廠家的不同批次試驗樣品分別安裝在整機上。

1.3.2直流PTC電壓試驗剖面的建立及限溫器保護溫度值選型驗證

根據(jù)大巴客車空調(diào)直流PTC電加熱實際使用環(huán)境條件、可開啟環(huán)境工作條件、以及維護條件制定試驗剖面（如圖6）：分別選取D、P兩個廠家的陶瓷片直流PTC電加熱，內(nèi)20 ℃、外側(cè)則為機組可開啟電加熱最高溫度，電壓以本文1.2.2驗證分析可選擇的機組宣稱的最高電壓（DC750V），振動則模擬實際使用過程車輛路普進行隨機振動等綜合應(yīng)力條件，同時模擬實際使用過程過濾網(wǎng)出現(xiàn)臟堵1/4、臟堵3/4回風(fēng)口進行試驗；內(nèi)風(fēng)機風(fēng)擋按照PTC可開啟的最低/中/最高風(fēng)檔（機組共7檔，選擇2檔（可開啟檔位）、4檔、7檔），在限溫器受熱表面位置布熱電偶以檢測其溫度。

圖6 試驗剖面示意圖

PTC相關(guān)參數(shù)如表1。

表1 D、P廠家PTC規(guī)格

測試結(jié)果如表2。

表2 D、P廠家限溫器位置溫度數(shù)據(jù)

1.3.3試驗數(shù)據(jù)分析

測試情況從表2可以看出:

1） D廠家PTC在內(nèi)風(fēng)機2檔以及中風(fēng)擋限溫器（或熔斷器）位置檢測的溫度均已超過保護值110 ℃，可見D廠家限溫器選型不合理，余量不足。

2） P廠家電加熱表面溫度以及限溫器位置與D廠家比較接近，正常運行以及過濾網(wǎng)微堵情況下（堵1/4回風(fēng)口）下未達到保護值150 ℃，而模擬過濾網(wǎng)異常臟堵時，直到堵3/4回風(fēng)口在最低風(fēng)檔2檔時限溫器溫度低于保護值下偏差（保護值-10 ℃），長時間運行200 h未出現(xiàn)異常，可見P廠家限溫器基本能滿足要求。

1.4直流PTC電壓試驗剖面的建立及整機干燒壽命試驗驗證

1.4.1 整機干燒試驗方案設(shè)計

依據(jù)行標，PTC電加熱在1 000 h干燒衰減率小于10 %，在運行1 000 h 以后，發(fā)熱器額定輸入功率衰減率不應(yīng)大于10 %[9]。重新選取D、P廠家8 kW直流PTC電加熱各一套，分別模擬實際使用狀態(tài)安裝在大巴空調(diào)上（如圖7），短接所有限溫器保護器，環(huán)境溫度內(nèi)20 ℃，高電壓DC750V，模擬繼電器以及限溫器粘連電加熱得電進行干燒試驗，PTC電加熱干燒試驗運行。

圖7 電加熱整機安裝圖以及熱成像圖

1.4.2 整機干燒試驗結(jié)果數(shù)據(jù)分析

1）D廠家PTC電加熱上電運行約2 h后，熔斷體表面溫度上升至252 ℃左右，現(xiàn)場聞到有燒焦異味，拆電加熱發(fā)現(xiàn)電加熱已擊穿損壞、且底部附件海綿已融化、電加熱黑色密封膠存在融化、滴落現(xiàn)象（如圖8所示）；從解剖的故障件看，發(fā)現(xiàn)D廠家本身組裝存在瑕疵導(dǎo)致PTC出現(xiàn)擊穿,分析為PTC在此高壓、高溫綜合應(yīng)力條件下長期熱量囤積、長時間干燒后導(dǎo)致?lián)舸?不符合設(shè)計要求。

圖8 D廠家故障件

2） 而P廠家PTC電加熱經(jīng)過長時間干燒后溫度基本平穩(wěn)，結(jié)構(gòu)完好，PTC表面最高243℃，距離著火點溫度比較遠，在安全范圍內(nèi)；海綿表面最高溫度113.3 ℃，PTC和海綿完好、無熔化現(xiàn)象。干燒后PTC電加熱衰減率在10 %以內(nèi)，符合要求。

2 大功率直流PTC電加熱可靠性糾正措施

為進一步提高大功率直流PTC電加熱使用可靠性，筆者認為除去電加熱本身質(zhì)量外，可以從以下兩方面加以改進：

1） 電路及其硬件方面：為避免因接觸器粘貼可能帶來的干燒問題，可在電加熱電源進出端分別安裝繼電器進行控制，同時可采用雙個限溫器方案，起到雙重保護。

2）軟件控制方面：避免電加熱干燒從軟件方面可增加防干燒控制邏輯，同時空調(diào)顯示屏上顯示故障代碼或報警，及時提醒司機及時斷電檢查、維修，避免長期熱量囤積以及PTC擊穿風(fēng)險。

3 結(jié)語

本文基于可靠性試驗理論分析，通過對兩個廠家的新能源大巴客車空調(diào)用大功率直流PTC電加熱限溫器余量、整機干燒壽命試驗對比測試研究，及時發(fā)現(xiàn)了設(shè)計缺陷，并采取糾正措施提出了相應(yīng)改進測試方法，實驗研究得出如下建議為大功率直流PTC電加熱器在新能源車大巴空調(diào)上的應(yīng)用提供參考：

1）大功率直流PTC電加熱，功率電流隨著電壓和風(fēng)擋升高而升高，大致成線性關(guān)系。

2）高電壓下大功率直流PTC電加熱發(fā)熱大、干燒易出現(xiàn)PTC擊穿質(zhì)量問題，可從電路、硬件和軟件設(shè)計全面進行優(yōu)化，增加多道安全保護防線，以提高其使用可靠性；適當(dāng)?shù)目梢栽黾酉嚓P(guān)控制邏輯，即使出現(xiàn)干燒現(xiàn)象也能啟動內(nèi)風(fēng)機加以循環(huán)換熱，避免PTC干燒時熱量囤積而出現(xiàn)零部件可靠性質(zhì)量問題。

3）PTC電加熱限溫器選型設(shè)計應(yīng)注意保護余量要求，應(yīng)模擬產(chǎn)品實際長時間使用過程可能出現(xiàn)工作條件，適當(dāng)減少低檔下PTC開啟情況，可進一步降低PTC表面溫度高的風(fēng)險，以確保限溫器保護值余量。