新能源汽車PTC加熱器壽命試驗方法分析

摘 ?要：新能源汽車所使用的PTC加熱器在現階段的使用上有較好的發展前景，各項指標和技術也發展得比較完善，和傳統的汽車空調相比較而言工作時率更加的穩定，但是不可以根據溫度來進行主動地調節功率，在關鍵壽命指標上還需要進行一定的研究和試驗，需要相關的研究人員設計出一套適用于計算PTC加熱器使用壽命的試驗手段。

關鍵詞：PTC加熱器;新能源汽車;試驗方法

引言：

在近幾年由于新能源汽車技術的蓬勃發展，使得相關的汽車研發團隊對于PTC的關注度更高，目前PTC所主要開發的領域是對于PTC加熱系統的研究，相關的研究人員往往更青睞于研究PTC加熱系統的性能以及制熱原理，卻一直很少有人對于其壽命進行相關研究，導致其壽命損耗特征參數不健全，使用全壽命周期不穩定，以浙江省溫州科博達汽車部件有限公司研究為例，制定出一套壽命評估試驗方法。

一、PTC加熱器的介紹和機理

（一）PTC加熱器的介紹

想要對于PTC加熱器進行壽命研究，就要首先了解這一裝置的原理和產品屬性。PTC加熱器使用的是PTC熱敏系統電阻元件作為發熱源的一種加熱裝置。一般利用的是多片并聯和外圍部件結合而成，相比于傳統的發熱器，本身就具有發熱快、恒溫、使用周期長的優勢，依照材料學的研究方式，可以分成陶瓷類和有機高分子類，一般常運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，由控制系統將溫度信息傳遞到處理器，再通過目標溫度和處理器溫差對比來調節功率，從而達到設置的溫度。

（二）PTC加熱器的機理

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、過負載和過熱保護裝置，擁有承受大電流沖擊和耐高壓的特質，在出現PTC過熱導致燒毀的相關資料來看有以下幾個方面：IGBT容易導致高溫失效導致過熱損壞;在運行過程中溫度過高，熔斷體超出了原有的溫度，PTC受到電流，導致出現電火，引起了瓷片的燃燒導致故障出現;還有一種現象是回路自行斷開，導致了內部燒毀，使得控制器出現故障。總的而言，PTC加熱器的故障原因一般是過點載、過高溫的環境導致了內部出現短路和元部件出現高溫燒毀，所以，在實際的研究當中應該將主要的試驗點關注在電壓力和功率載荷當中，同時要注意環境壓力的因素進行人為的施壓來進行試驗[1]。

二、關于PTC電加熱壽命因素的研究

（一）發熱的功率和自動調節

傳統的汽車在安裝空調系統時，往往是會安裝在進風口換熱器的下部，還有些因為工藝的原因會將PTC系統直接安裝在空調底座，甚至是直接包裹在換熱器當中。其對于工藝的要求，不論如何都要保障設備的散熱面和進風量可以達到一致的角度，也就是只有要讓PTC電加熱器的進風量達到最大，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。又因為PTC加熱器自帶的可自動調節屬性，可以得到發熱的量會根據環境而發生一定的改變，當外部的環境溫度升高時發熱的功率就會變得低，外部的溫度降低時就會使得發熱的功率變得更高。這樣的效果可以實現車溫的自動調節，還可以讓出風的溫度保持合適的狀態，更加有利于恒溫的要求，從而實現對于溫度可以實現控制，另外，還更加有效地節約能源，傳統的金屬電加熱的熱量是固定的，發熱量并不會隨著外部因素的影響而出現改變，就會導致資源的浪費和加熱器溫度過高的現象出現，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的調控。

（二）安全性和穩定性

在具體的實驗當中要了解其安全性和穩定性，這兩個因素不僅僅是針對加熱系統，更是對于車主的人身安全和風險系數有著一定的影響，PTC對于溫度有著自限的能力，溫度升高以后會下降電阻，即使在干燒的狀態當中也不會使得周邊的物體燃燒，而金屬加熱器會導致周邊的橡膠管和塑料燃燒，導致火災的發生。

（三）制熱速度和壽命的聯系

PTC加熱器的啟動當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，在恒溫的狀態當中，會因為PTC的發熱功率的下降而提高，其優勢在于在外部的環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及試驗方法

（一）PTC的壽命試驗方法

具體的試驗方法有相關的試驗規定，為了可以達到恒溫加熱從而實現溫度控制功能，相關的要求要達到（23±3）℃的條件下進行，高電壓的要求是在±5V DC，低壓側電壓的要求是在（13.5±0.1）V DC，冷卻液的流出量要達到650L/h，功率的輸出要達到100%持續的時間要達到18個小時，持續周期達到4000h的循環試驗。在一般的PTC加熱器的研究實驗以外，相關的廠商都會進行相應的元器件的試驗，一般會依據相應的法律法規進行相關的測試，通常本公司的執行檢驗的標準參照依據為《電子電氣零部件通用測試要求》[2]，此項標準當中規定了3類壽命測試的標準。在具體的操作試驗當中有明確的壽命檢測標準，也就是溫度循環壽命試驗、高溫壽命試驗、以及恒定濕熱壽命試驗，這三種標準分別測試不同典型環境下的壽命情況。其對于新能源汽車而言，普遍利用的是PTC加熱器，加之有相關的輔助手段就可以滿足新能源汽車的空調使用，如果是采用傳統的金屬電加熱器，會因為其中的結構發生變化導致汽車內部的空氣流暢，而無法滿足新能源汽車的空調加熱的效果，甚至會出現一定的故障，更有可能會導致汽車的安全系數變低，導致事故的發生。

（二）應力與剖面

對于PTC加熱器而言要受到環境因素的影響，其主要的因素是溫度和濕度，使用的主要的載荷是電應力和功率荷載，通過相關的實驗可以得出，溫度的應力和載荷的應力是發生故障的主要因素，所以電阻是PTC加熱器的主要實驗的對象，也是壽命的特征參數，實驗過程當中應該要著重于監控電阻的變化情況。實驗的標準是新能源汽車在15年間運行300000km，也可以換算成15年當中運行17084h，每天平均在3.12h，其間如果沒有產生故障就可以得出加熱器的產品為3.52年[3]。

（三）實驗控制

在進行控制實驗當中要安裝溫度的采集器，把控處理器和功率管的溫度情況，保存實驗的通訊數據和高低壓的參數，利用傳感器進行數據采集，使用綜合系統數據保存將實驗的各項參數進行時間排序儲存。使用的實驗硬件可以分為高低功電壓模塊和濾波模塊，數據采集系統可以分為通訊模塊和數據采集模塊。

（四）具體操作

具體的實驗方式是將PTC空調總成放置于環境箱當中，利用導風管進行排風和進風模擬實際的使用環境，將高壓和LC低通濾波連接到PTC空調總成，并聯到低壓，上位機和LIN盒與PLC進行并聯，一起串聯到PTC空調總成當中，最后連接到數據采集機組上進行數據的采集和讀取。

（五）實驗結果

將得到的PTC產品試驗進行匯總和擬合整理可以得到數據擬合結果和PTC指標閾值，PTC的產品運行的時間是14666h，結合汽車的運行時間在1天有效運行3.12h，所以得出結論在14666h中壽命是12.79年。要特別強調的是此數據是本公司自主實驗得出的結果，與其他的產品性能可能會存在一定的差距和出入，在實際的使用當中要以具體的實驗結果為主。

結語：綜上所述，對于PTC加熱器的壽命研究要了解其相關的因素之間的聯系，了解制熱速度和產品壽命之間的聯系以及安全性和穩定性，同時通過試驗可以了解到PTC加熱器的壽命試驗方法、應力和剖面、試驗控制和檢測時機和檢測的項目，最終得出實驗的結果。

參考文獻：

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

[2]王曉輝.一種電動汽車空調系統PTC加熱器控制器設計[J].電子產品世界，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化[J].汽車實用技術，2021，46（03）：10-14.

作者簡介：

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