新能源汽車PTC加熱器壽命試驗方法研究

魏艷娟，吳寶松，李雅彬，郭成，劉兆雨

（廣州廣電計量檢測股份有限公司，廣州 510656）

引言

近幾年來，新能源汽車的快速發(fā)展，PTC加熱器作為一種用于新能源汽車輔助加熱用的電熱元件，具有節(jié)能、恒溫、安全和熱效率高等特點，被空調制熱系統(tǒng)廣泛使用。目前，新能源汽車領域對于PTC的研究主要集中在對PTC加熱系統(tǒng)的研發(fā)，普遍認為PTC加熱器是一種長壽命的器件，長期以來，一直缺乏對于其壽命的研究，也缺乏對其壽命退化特征參數(shù)的研究。本文在對產(chǎn)品調研分析的基礎上，給出一套壽命評估試驗方法。

1 PTC加熱器產(chǎn)品介紹

PTC加熱器是采用PTC熱敏電阻元件為發(fā)熱源的一種加熱器。通常由多片并聯(lián)與外圍部件組合而成，其具有加熱速率快、恒溫、壽命長的特點。PTC加熱器按材質可分為陶瓷類和有機高分子類，新能源汽車空調用通常采用陶瓷PTC加熱器[1]。

電動空調加熱器PTC一般包括處理器、功率模塊IGBT等、電流檢測傳感器和隔離預驅等。控制系統(tǒng)通過溫度傳感器將溫度信息傳至處理器，通過目標溫度和處理器溫差對比來不斷調節(jié)加熱器功率，使車內達到設定溫度。

2 PTC加熱器主要失效模式及機理

PTC加熱器的關鍵部件為熱敏電阻，其主要是用于過電流、過電壓、過負載及過熱保護，具有較低的室溫電導率、高耐壓和承受大電流沖擊的特性。結合目前國內各汽車主機廠生產(chǎn)新能源汽車陸續(xù)出現(xiàn)PTC燒毀事件的發(fā)生。分析發(fā)現(xiàn)其失效形式主要有以下幾種[2-4]：

1）PTC過熱：IGBT是PTC中一個重要且薄弱的元件（易高溫失效），空調加熱過程中IGBT過熱損壞，導致PTC損壞。

2）熔斷體開路：使用過程中設備溫度過高，熔斷體超出保持溫度。

3）瓷片燒毀：PTC器件受電流沖擊導致燒熔，火光劇烈可導致瓷片燒毀。

4）PTC不工作：其主要原因是回路斷開，內部短路燒毀，控制器破壞等原因造成。

對于PTC加熱器的失效原因總結來說主要為通電載荷、高溫工作環(huán)境導致內部短路、器件溫度過高燒毀。因此在PTC加熱器壽命試驗研究過程中應著重考慮電應力、功率載荷以及環(huán)境應力的施加來驗證。

3 PTC加熱器常見壽命試驗方法

在PTC壽命方面，新能源汽車領域對于PTC的研究主要集中在對于PTC加熱系統(tǒng)的研發(fā)，普遍認為PTC加熱器是一種長壽命的器件，長期以來，對于其壽命研究較少，也缺乏對其性能退化特征參數(shù)表征的研究。

北京新能源汽車，BJEV 02.3002.1水暖式電加熱器技術條件中，也對此類型長周期壽命試驗做了規(guī)定。為驗證產(chǎn)品具備對加熱介質持續(xù)恒溫加熱，能夠持續(xù)實現(xiàn)溫度控制功能及出水口溫度監(jiān)測功能，標準要求在環(huán)境溫度（23±3）℃條件下，高壓側電壓為“整車理論額定電壓±5 V DC”，低壓側電壓 （13.5±0.1）V DC，冷卻液流量 650 L/h，按照功率輸出 100 %持續(xù)時間 18 h，0 %持續(xù)時間 2 h 周期進行 4 000 h循環(huán)試驗。

除了專門針對PTC總成的長周期壽命試驗，為了更好的保證產(chǎn)品可靠性，車廠通常對電子零部件壽命都有相關耐久試驗的要求。比如上海汽車標準SMTC 3800001《電子電氣零部件通用測試要求》中對電子零部件規(guī)定了3類壽命試驗。

雷諾汽車標準36-00-802[5]給出了三種壽命試驗類型：溫度循環(huán)壽命試驗、恒定濕熱壽命試驗和高溫壽命試驗，分別考察3種不同典型環(huán)境下壽命情況。

4 PTC加熱器壽命試驗

4.1試驗應力與剖面

PTC加熱器使用環(huán)境良好，環(huán)境因素主要為溫度、濕度。其使用載荷主要為電應力、功率載荷。結合PTC主要失效模式及原因，溫度應力及載荷應力是PTC故障的一個重要影響因素。根據(jù)PTC產(chǎn)品規(guī)范（36-05-032）[6]，確認產(chǎn)品載荷變化情況，得出PTC加熱器在工作過程中主要以不同等級載荷來工作，試驗載荷剖面如圖1所示（數(shù)據(jù)見表2），設計試驗應力見表1。

表1 試驗條件

表2 時間步進與占空比

圖1 載荷剖面

根據(jù)PTC加熱器具有電阻值會隨著熱敏電阻本體溫度的變化呈現(xiàn)階躍性變化的特性，電阻是PTC產(chǎn)品的壽命特征參數(shù)，試驗過程中應著重監(jiān)控。

根據(jù)新能源汽車標準15年壽命即運行300 000 km或17 084 h，通過換算可得平均每天運行基于試驗周期限制，試驗運行167個循環(huán)即4 008 h，若無故障產(chǎn)生相當于產(chǎn)品壽命3.52年。

4.2試驗控制

試驗過程中需安裝溫度采集，重點關注處理器、功率管IGBT的溫度數(shù)據(jù)，保存實驗通訊報文，高低壓輸出數(shù)據(jù)等，依靠多傳感器數(shù)據(jù)采集以及綜合數(shù)據(jù)保存系統(tǒng)將實驗數(shù)據(jù)按時間存儲。

試驗過程設備連接原理圖如圖2所示，其中硬件系統(tǒng)主要包含高低壓供電模塊、濾波模塊、LinBus通訊模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、環(huán)境加載單元等[7,8]。

圖2 設備原理圖

4.3檢測時機與項目

每個樣品每48 h檢測1次,檢測項目見表3所示。

表3 檢測項目表

4.4試驗結果分析

將PTC產(chǎn)品試驗過程中的監(jiān)控數(shù)據(jù)進行整理和數(shù)據(jù)擬合，如圖3所示。

基于數(shù)據(jù)擬合結果和PTC指標閥值，計算產(chǎn)品可運行工作時間為14 560 h，結合新能源汽車1天運行時間約3.12 h，則運行14 560 h相當于壽命112 000 h即約12.78年。

5 結語

本文給出了新能源汽車PTC加熱器的產(chǎn)品介紹、主要失效模式及機理，為PTC加熱器進行故障分析和設計改進提供信息依據(jù)。此外本文在產(chǎn)品使用環(huán)境調研和產(chǎn)品故障分析的基礎上，設計了一套用于評估PTC加熱器壽命的試驗方法，并對試驗數(shù)據(jù)進行了擬合分析得出產(chǎn)品的壽命情況，本研究為新能源汽車PTC加熱器壽命水平的考核驗證，提供快捷有效的方法。