一種純電動客車的智能溫控采暖系統

中圖分類號：U469.72 文獻標識碼：A 文章編號：1003-8639（2025）10-0065-04

【Abstract】With the development of pure electric buses，users'demands for the comfort and intelligence of automobilesare increasing daybyday.The temperature insidethe vehicle compartment，as adirect manifestationof the vehicle'scomfort，isofvitalimportanceinitsregulation.Thisarticleaddressestheproblemsofsimplecontrolmethods and the lack of temperature monitoring and regulation functions in theexisting bus heating systems，and proposes an intellgnttemperaturecontrol strategy tobeapplied tothe heating system strategy.Bycollecting thetemperature inside thecarriage，controllng thestartandstopoftheradiatorandthewindsped，aswellasthestartandstopofthehater，the temperature inside thecarriagecanbeaccuratelycontrolled，andenergyconsumptioncan bereduced.This isof positive significance for improving ride comfort and energy conservation.

【Key words 】 temperature sensor; intelligent temperature-controlled heating system;radiator

0 引言

隨著純電動客車的發展，用戶對汽車的舒適性和智能化的期望越來越高。車廂內溫度是乘客直接感知的關鍵舒適性指標，對提升用戶體驗起著重要作用。當環境溫度較低時，采暖系統能提高車廂內溫度，創造一個溫暖舒適的環境，尤其在高寒地區或冬天不可或缺。然而，采暖系統的過度工作會消耗純電動客車的動力電池電量，進而影響車輛的續航里程。因此，提高采暖系統的制熱效率和智能化程度，是采暖系統進一步發展的重要方向。本文基于目前客車采暖系統的現狀，提出一種智能溫度控制策略，通過對現有的控制器軟件優化，即可實現車廂溫度的實時控制。

1采暖系統控制原理及現狀

采暖系統作為客車車廂內部重要的溫度調節系統，隨著客車技術的發展，衍生出了多種形式。目前常見的采暖系統多以滿足車廂采暖需求為基礎而設計，因此在控制方面采用簡單的控制方式。其中，最常用的是采用3擋散熱翹板開關控制，0擋為關閉狀態，1擋為低速暖風或低速自然風，2擋為高速暖風。這種控制完全依靠駕駛員對車廂溫度的主觀感受來開啟或關閉采暖系統，無法做到溫度監測和溫度調節，易出現車廂內局部溫度過熱或由散熱器位置引起的溫度不均衡等問題。以下介紹目前純電動客車常用的幾種采暖系統。

1.1電加熱采暖系統

電采暖系統是由高壓配電盒為PTC（PositiveTemperatureCoefficient，正溫度系數熱敏電阻）提供高壓電源，以散熱器內部PTC為熱源，通過風機將加熱后的空氣吹人車廂內部完成制暖過程。該采暖系統的優點是無需管路，布置簡便，加熱效率快。其控制方式為駕駛員通過3擋散熱開關開啟，驅動模塊采集到開關信號后控制散熱器開啟風機，控制高壓接觸器吸合，為散熱器PTC提供制熱所需的高壓電，具體原理如圖1所示。

圖1電加熱采暖系統控制原理圖

1.2水電采暖系統

水電采暖系統通過電加熱器將冷卻液加熱，利用水泵將加熱后的冷卻液通過管道輸送到水暖散熱器。水暖散熱器借助其換熱結構和風機，使流經散熱器內部散熱片的空氣吸收熱量，并送人車內空間。此采暖系統布置相對復雜，管路需從車外引入車廂內，且一般用保溫棉包裹，以減少冷卻液在運輸途中的熱量損失。水電采暖的控制方式同樣是通過驅動模塊采集3擋采暖開關狀態，進而控制散熱器風機和電加熱器的開啟與關閉，并無特殊的控制策略，其原理如圖2所示。

圖2水電采暖系統控制原理圖

1.3 燃油采暖系統

燃油采暖系統與水電采暖系統的制熱原理相似，區別在于燃油采暖系統采用燃油加熱器給冷卻液加熱，車輛還應配置一定容量的油箱。燃油采暖系統的控制方式，無需控制高壓部件，驅動模塊僅需控制燃油加熱器的啟停、散熱器的開啟和關閉及水泵的開啟和關閉，同時控制燃油泵啟停及燃油電磁閥開關，確保燃油按需供給，避免燃油泄漏或空燒，原理如圖3所示。

圖3燃油采暖系統控制原理圖

從以上幾種采暖系統的控制方式可以看出，它們之間的區別在于換熱方式和熱源的不同，且都僅滿足了制熱的需求，并無車廂內溫度監測和溫度調節功能。

2智能溫控采暖系統

智能溫控采暖系統旨在實現車廂內溫度的實時監測和精準調節，按照人體最佳適宜溫度控制車廂內的溫度。同時，綜合考慮客車的成本及控制器研發成本，該系統不再研發專用的控制器，而是通過對現有系統結構的小幅度改進及控制策略的優化設計，完成車廂溫度實時監測和精準調節功能，可以適用于目前市場上應用最多的電加熱采暖系統、水電采暖系統和燃油采暖系統。

2.1 系統結構

智能溫控采暖系統在現有采暖系統上，增加一個溫度調節開關和一個車廂溫度傳感器。溫度調節開關為3擋自復位開關，駕駛員可通過此開關調節車廂目標溫度。其中，OFF擋為起始狀態，“ + ”擋的作用為增加車廂目標溫度值，“-”擋的作用為降低車廂目標溫度值，調節精度為 1^°C ，即每次開關從OFF按至“ + ”擋或“-”擋，車廂目標溫度增加或降低 1^°C 。車廂溫度傳感器的作用是將車廂內的溫度轉換為電阻信號給驅動模塊，經轉換可得到車廂內的實時溫度值，是實現溫度監測和溫度調節的核心傳感器。圖4為電加熱采暖系統改進結構后的智能溫控-電加熱采暖系統控制原理圖。

圖4改進結構后的智能溫控－電加熱采暖系統控制原理圖

2.2 控制策略

智能溫控采暖系統的主控制器為驅動模塊，部分主機廠家可使用主模塊、從模塊代替，擁有硬線信號采集、報文采集與發送、可控邏輯的高低電平信號輸出、引腳保護和診斷等功能。通過修改軟件，可實現邏輯復雜的信號輸出，完全滿足智能溫控采暖系統的硬件需求和軟件需求。智能溫控采暖系統的控制策略是驅動模塊通過硬線采集3擋散熱開關、溫度調節開關和車廂溫度傳感器的信號，并按照設定的軟件和參數控制，具體流程可參照圖5所示的智能溫控采暖控制流程圖，控制散熱器風機和高壓配電盒的高壓接觸器，實現風機速率的變化、加熱的開啟和關閉，進而實現對加熱效率和車廂實時溫度的控制。車輛儀表可做車廂實時溫度和目標溫度的顯示，并進行故障報警。

2.2.1 溫度監測

人體適宜溫度為 18～25^°C ，車廂目標溫度值的默認值設定為 22^°C 。此時，若通過溫度調節開關調節車廂目標溫度，驅動模塊會記錄調節后的車廂目標溫度，并發送至總線上，但不會驅動散熱器和高壓接觸器吸合。當3擋散熱開關置于2擋后，驅動模塊會直接按調節后的車廂目標溫度值對應的控制策略執行。車輛下電后再次上電，車廂目標溫度會恢復為默認值 22% 。

2.2.3 自然風模式

當3擋采暖開關處于1擋時，采暖系統為自然風模式。驅動模塊驅動散熱器風機低速運轉，可在非制熱模式下加速車廂內空氣流動。在制熱模式關閉后開啟自然風模式，可將殘余熱量吹入車內空間，也可利用此模式快速冷卻散熱器內的PTC加熱體，使其恢復正常狀態，避免駕駛員離開后發生事故。

2.2.4 采暖模式

車廂溫度傳感器可選用NTC（NegativeTemperatureCoefficient，負溫度系數熱敏電阻）熱敏電阻溫度傳感器，NTC熱敏電阻的電阻值隨著溫度的升高而下降，具有體型小、波動小、響應快、精度高等優點，適用于高靈敏度和高精度的溫度檢測和控制。車輛上電完成后，驅動模塊采集車廂溫度傳感器的電阻值，根據傳感器的R-T特性曲線，可得到車廂實際溫度值T，再根據總線通信協議將車廂實際溫度值 T 轉換為CAN信號發送至總線上，儀表采集CAN信號，并顯示在儀表主界面上，使駕駛員能夠直觀了解車廂溫度狀況，以便更好地按需求控制采暖系統。

當3擋采暖開關處于OFF擋時，采暖系統處于關閉狀態，但溫度監測功能在持續運行。研究顯示，當3擋采暖開關處于2擋時，采暖系統為制熱模式，智能溫控采暖系統開啟全面工作狀態。若此前駕駛員未通過溫度調節開關調節車廂目標溫度，則驅動模塊自動設定車廂目標溫度為 22% 。使用溫度調節開關調節車廂目標溫度，每按一次“ + ”擋，車廂目標溫度值增加 1^°C ；每按一次“-”擋，車廂目標溫度值減少 1^°C 。車廂目標溫度的可調節范圍為16～30^°C ，研究顯示，當環境溫度在 18～25^°C 時，人體感覺最舒適，冬季環境溫度保持在 20～22% 為宜；當環境溫度超過 30% 時，人體會明顯感覺到熱；當環境溫度低于 16^°C 時，人體會明顯感覺到冷。

2.2.2 OFF模式

在使用溫度調節開關調節目標溫度的過程中，儀表上顯示車廂實際溫度值的位置會轉而顯示車廂相目標溫度值，并不停閃爍，直到車廂目標溫度值調節完畢，即車廂目標溫度值3s內不再變化，則恢復持續顯示車廂實際溫度值。

制熱模式開啟后，驅動模塊對車廂實際溫度與目標溫度進行比較判斷，當實際溫度 Tlt; 目標溫度 T_x 時，說明車廂需要制暖提高溫度，驅動模塊立即驅動高壓接觸器控制信號，采暖高壓接觸器會吸合，高壓配電盒的高壓直流電源可以輸送到散熱器PTC加熱體。PTC加熱體通常為管狀電熱元件，也叫電加熱管，原理是基于電流的熱效應，當電流流過這些電阻絲時，會產生熱量，成為熱源。此時車廂需要快速制熱，因此驅動模塊會同時驅動散熱器風機高速運轉，當空氣流過PTC加熱體時，空氣會被加熱，從散熱器散發到車內空間時就是熱空氣了。散熱器風機的高速運行會大大加速車廂內部空氣的流動速度，將熱空氣快速充斥整個車廂，實現快速制熱效果。

快速制熱一段時間后，車廂溫度快速上升，達到設定的目標溫度，已不需要繼續提升車廂溫度，應轉為保持當前溫度。車廂內熱量會產生一定損失，通過車身冷負荷評估采暖系統的放熱量，以保持溫度平衡。冬天穩定狀態下的車身冷負荷 計算公式為：

Q_e=Q_B+Q_G+nQ_p+nQ_v

式中： Q_e ——車身冷負荷； —從車體傳出的熱量，即從車體鈑金部件熱傳導傳出的熱量，設為負值； ——從玻璃傳出的熱量，設為負值; ———人體的散熱量，設為正值； —由于新風的進入，人均需補償的熱量，設為負值； n —車內乘員數。該公式計算的熱量指單位時間內的熱量。

由于車身冷負荷造成的熱量損失，若要保持車廂內溫度，則需采暖系統繼續提供一定的散熱量，而不能直接停止采暖系統運行。當 T_x≤Tx+1 時，車廂實際溫度需保持在目標溫度附近，驅動模塊保持高壓接觸器控制信號的輸出，保持加熱，驅動風機低速運行，降低換熱效率。

在采暖系統低速運行過程中，若采暖系統的放熱量超過車身冷負荷時，車相內溫度仍有可能繼續上升，為防止溫度失控，設定一個保護策略。當車廂實際溫度超過目標溫度 1^°C 時，驅動模塊停止驅動高壓接觸器控制信號，停止驅動散熱器風機，停止制暖。

制暖停止后，車廂實際溫度必然會出現下降。當實際溫度低于設定溫度時，不會立即啟動采暖系統制暖，這是為了防止采暖系統的頻繁啟停，影響散熱器的壽命。當實際溫度低于目標溫度 2^°C 時，驅動模塊立即驅動采暖系統高速運行。

智能溫控采暖系統照以上控制策略執行，車廂內溫度將會保持在 20～23^°C 之間，始終保持在人體最適宜溫度的范圍內。

需要關閉采暖系統時，將3擋采暖開關置于OFF擋，驅動模塊會控制采暖系統立即停正運行，溫度監測功能保持運行。

2.2.5 故障模式

在智能溫控采暖系統中，溫度監測和溫度控制都依賴于車廂溫度傳感器對溫度的準確檢測。但在實際使用過程中，可能會出現傳感器損壞或檢測不準確的情況。在控制策略中設定一種溫度傳感器故障時的處理方式，驅動模塊的檢測腳檢測到溫度傳感器短路、斷路、阻值超出正常范圍時，判定傳感器故障，發送車廂溫度傳感器故障報文到CAN總線，儀表顯示文字提示“車廂溫度傳感器故障”。傳感器故障時，智能溫控采暖系統無法正常控制制暖效率和溫度，為滿足車輛緊急運營的需求，設定在傳感器故障時，打開3擋采暖開關開啟制熱模式時，采暖系統始終以高速運行。同時關聯儀表高溫報警（當車廂溫度超過 35^°C 時，儀表觸發聲光報警），并設置硬件級過熱保護（散熱器內置溫控開關，當溫度超過 40% 時強制切斷加熱器電源），避免車廂過熱引發安全問題。當車廂內溫度明顯使人燥熱時，由駕駛員控制采暖開關關閉制熱模式，在溫度下降后有制熱需求時，則再次打開采暖模式。

3智能溫控采暖系統的應用

智能溫控采暖系統的控制策略同樣適用于水電采暖系統和燃油加熱系統，與電加熱采暖不同的是，水電采暖系統和燃油加熱系統增加了水泵和加熱器，散熱器更換為水暖式散熱器。

3.1 應用于水電采暖系統

智能溫控采暖系統的控制策略應用于水電采暖系統時，須根據水電采暖系統的特點做部分調整。在打開3擋散熱開關的1擋和2擋時，均需驅動水泵運行，水泵是冷卻液在管道運輸的動力源，需在采暖系統開啟時全程工作。打開3擋散熱開關的2擋（采暖模式）時，驅動高壓接觸器控制信號，此時高壓電源提供給電加熱器，由電加熱器對冷卻液進行加熱。

3.2 應用于燃油加熱系統

燃油采暖系統不涉及高壓器件的控制。打開3擋散熱開關的1擋和2擋時，均需驅動水泵運行。打開3擋散熱開關的2擋（采暖模式）時，驅動燃油加熱器加熱信號，同時驅動燃油泵和燃油電磁閥開啟，燃油加熱器開始加熱。當實際溫度超過目標溫度 1^°C 時，驅動模塊停止驅動燃油加熱器，停止制暖。

4結束語

智能溫控采暖系統的首要目的是提高采暖系統的智能化，實現車廂內部的溫度檢測和溫度精確控制，提高客車的乘坐舒適性。同時，此系統在制暖過程中的降速運行和停止運行，不僅能實現對溫度的合理控制，也能降低不必要的能耗，對純電動客車的續航里程也有一定的延長作用。

參考文獻

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（編輯 凌波）