電動汽車PTC加熱器控制改進

李仁明

（湖北省齊星汽車車身股份有限公司技術中心，湖北 隨州 441300）

PTC是“正溫度系數(shù) （Positive Temperature Coefficient）”的英文縮寫。荷蘭人Haayman1952年發(fā)現(xiàn)在氧化氣氛中燒結(jié)的價控型BaTiO3電阻隨溫度變化呈正溫度系數(shù) （PTC）［1］現(xiàn)象以來，人們對它的了解越來越深，運用也越來越廣。下面先簡要介紹PTC的特點。

1 PTC的特性

圖1 PTCR元件的溫度-電阻特性曲線

PTCR元件電阻、溫度特性曲線見圖1，從圖1可看出在Tmin～Tmax間電阻隨溫度升高會增大。其電壓、電流特性曲線見圖2，可看出：PTCR元件電壓在0～Uk間電壓與電流基本符合歐姆定律，電流與電壓成正比；電壓在Uk～Umax間電流隨電壓的增大而減小，但功率基本不變；當電壓超過UD時，電流隨電壓增大而增加，會很快導致PTCR元件熱擊穿［2］。車用PTC加熱器就是將若干單片PTCR熱敏陶瓷元件組合后與波紋散熱鋁條經(jīng)高溫膠粘結(jié)、和溫度保護元件等一起裝配后給駕駛室采暖用。它的最大特點在于其安全性：當遇風機故障堵轉(zhuǎn)時，即使未安裝溫度保護元件，PTC加熱器也因得不到充分散熱溫度升高，功率會自動急劇下降，此時加熱器的表面溫度維持限定在居里溫度 （Tc） 左右 （一般為250℃左右）［2］，從而不會產(chǎn)生電阻加熱器表面“發(fā)紅”的現(xiàn)象。由于有這個特點，加上它的寬電壓范圍，它比較適合在電動汽車上使用。

2 電動汽車與燃油汽車暖風的結(jié)構(gòu)區(qū)別

為了減少開發(fā)成本，提高開發(fā)速度，充分利用社會資源，現(xiàn)在市場上的很多電動物流車是在市場上原已淘汰的燃油車型上改型而來的，如利用原車型的車架、車身、懸架等，加上“三電” （電池、電機、電控）就變成了電動汽車。傳統(tǒng)汽車暖風系統(tǒng)是將冷卻發(fā)動機缸體后的熱水通過管道引入駕駛室內(nèi)的暖風機散熱器內(nèi)部，熱水流過散熱器時將散熱片附近的空氣加熱，再利用鼓風電機將加熱后的空氣吹出，通過風道送到駕駛室各相應部位來給駕駛室內(nèi)人員取暖、玻璃除霜或除霧。因純電動汽車上沒有了發(fā)動機，改由電機驅(qū)動，也就沒有了冷卻發(fā)動機的熱水來給駕駛室采暖。為降低開發(fā)成本，這些電動汽車暖風控制系統(tǒng)將原暖風機中的水暖散熱器用PTC加熱器來代替，而原車型中的機械式暖風空調(diào)控制面板、風道、空調(diào)制冷芯體及暖風機結(jié)構(gòu)等均不變，從而組成電動汽車的冷暖空調(diào)系統(tǒng)。

圖3為某公司的電動汽車PTC暖風機處于暖風狀態(tài)的結(jié)構(gòu)簡圖。此時冷暖轉(zhuǎn)換風門旋到了最上方，鼓風電機吹出的風全部吹過PTC加熱器，因此為暖風狀態(tài)。若操作暖風空調(diào)控制面板將冷暖轉(zhuǎn)換風門旋到最下方，見圖4，此時冷暖轉(zhuǎn)換風門將PTC加熱器的進風口完全堵死，熱風吹不出，暖風機吹出的為冷風 （或空調(diào)狀態(tài)）?？梢钥吹?，吹冷風時冷暖轉(zhuǎn)換風門離PTC加熱器表面距離較近 （不足10mm）。這種結(jié)構(gòu)的暖風機在國內(nèi)輕型載貨汽車和電動物流車中有一定的使用量。

圖3 電動汽車PTC暖風機采暖狀態(tài)結(jié)構(gòu)簡圖

圖4 電動汽車PTC暖風機制冷狀態(tài)結(jié)構(gòu)簡圖

3 改進前電動汽車PTC暖風控制原理及發(fā)現(xiàn)的問題

圖5為該公司的原電動汽車PTC暖風控制原理圖。由圖5可知，在PTC控制繼電器K3線圈電路中串聯(lián)了一只PTC溫控開關 （雙金屬片，保護溫度為95℃，裝在PTC加熱器內(nèi)部），這樣溫控開關和PTC加熱器共同起作用保證使用安全。該電氣原理看起來沒什么問題：在風速開關接通后 （Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ任一擋），鼓風電機開始工作；接通暖風加熱開關后，K3、K4繼電器觸點吸合，PTC加熱器接通直流高壓電開始工作；鼓風電機將PTC加熱器產(chǎn)生的熱量吹出。當PTC加熱器內(nèi)的溫度過高時，PTC溫控開關斷開，K3、K4繼電器觸點相繼斷開，直流高壓電斷開、PTC加熱器停止工作；在暖風加熱開關或風速開關之一斷開后，PTC加熱器也會停止工作，電氣原理正常。但在實際使用中，發(fā)現(xiàn)有塑料冷暖轉(zhuǎn)換風門熔化變形的情況發(fā)生，見圖6，但該現(xiàn)象在以前的燃油汽車上從未發(fā)生過！

圖5 更改前PTC暖風控制原理圖

圖6 塑料風門熔化照片

4 改進前電動汽車PTC暖風缺陷分析及存在的隱患

經(jīng)分析、試驗發(fā)現(xiàn)：因冷風狀態(tài)時冷暖轉(zhuǎn)換風門離PTC加熱器表面距離較近，在正常采暖狀態(tài)時，PTC加熱器正常工作，鼓風電機持續(xù)散熱，暖風機工作正常；但在PTC加熱器電路處于加熱接通狀態(tài)而冷暖轉(zhuǎn)換風門旋至制冷或靠近制冷 （圖4）位置 （例如用戶嫌駕駛室暖氣過熱而將暖風空調(diào)面板由采暖位置旋至制冷位置，此時冷暖轉(zhuǎn)換風門旋到了最下位置，而忘了關掉暖風加熱開關或風速開關等），此時鼓風電機雖然仍在工作，但鼓風電機吹出的風未穿過還在工作的PTC加熱器而直接從冷暖轉(zhuǎn)換風門上部吹走，此時PTC加熱器表面并沒有風或吹過的散熱風量較小，因此PTC加熱器溫度較高 （試驗發(fā)現(xiàn)此時PTC加熱器溫度可達135℃以上）；或在使用暖風時，駕駛員突然下車拔鑰匙斷電，雖然PTC加熱器已停止工作但其產(chǎn)生余熱使其表面溫度仍然較高，而熱風又不能吹走，超過了塑料冷暖轉(zhuǎn)換風門的承受溫度，工作一段時間后會導致塑料冷暖轉(zhuǎn)換風門逐漸熔化變軟、再變形的情況發(fā)生，如圖6所示。且因供應商提供的PTC雙金屬片溫控開關使用壽命僅為6000次左右，一旦超過使用壽命，溫控開關觸點發(fā)生粘連，在上述無風狀態(tài)時，PTC加熱器的表面溫度會達到250℃左右的居里溫度，成為電動汽車的一種火災隱患。

5 改進后的電動汽車PTC暖風控制原理及特點

因該暖風機結(jié)構(gòu)已定型，增大冷暖轉(zhuǎn)換風門與PTC加熱器表面距離不便，更改付出的成本較大且周期也較長。為了解決該問題，經(jīng)反復分析改進、試驗驗證，研發(fā)了一種PTC加熱器保護控制器，增加到PTC加熱器控制電路中，具體電路圖見圖7。其控制原理如下。

1）PTC加熱器保護控制器 （裝在駕駛室內(nèi)部）監(jiān)控暖風加熱開關和風速開關。當斷開暖風加熱開關，PTC加熱器保護控制器第7腳監(jiān)測到暖風加熱開關電壓由12V變?yōu)?V；或斷開風速開關，保護控制器第3腳監(jiān)測到風速開關電壓由0變?yōu)?2V后，PTC加熱器保護控制器內(nèi)的單片機發(fā)出指令，使與鼓風電機+級相連的保護控制器第9腳接通電源+，與鼓風電機-級相連的保護控制器第10腳接通電源-，使鼓風電機接通電源快速持續(xù)散熱1min降溫 （經(jīng)試驗，鼓風電機在此最大風速時持續(xù)散熱1min完全能將PTC加熱器表面溫度降到55℃以下），防止PTC加熱器表面溫度過高，對塑料冷暖轉(zhuǎn)換風門起到保護作用。

圖7 增加PTC保護控制器后暖風控制原理圖

2）PTC加熱器保護控制器監(jiān)控PTC加熱器溫度和駕駛室內(nèi)環(huán)境溫度。PTC溫控開關因原雙金屬片溫控開關壽命有限，將其更換為熱敏電阻，仍然裝在PTC加熱器內(nèi)部。保護控制器通過第1、4腳監(jiān)測該溫度傳感器的阻值來監(jiān)測PTC加熱器的溫度，通過PTC加熱器保護控制器內(nèi)部的溫度傳感器監(jiān)測駕駛室內(nèi)環(huán)境溫度，當監(jiān)測到裝在PTC加熱器內(nèi)部的溫度超過設定值95℃或駕駛室內(nèi)環(huán)境溫度超過設定值35℃之一時，PTC加熱器保護控制器立即切斷PTC控制繼電器K3線圈電路，使PTC控制繼電器K3、PTC主繼電器K4觸點斷開，PTC加熱器斷電，停止工作。防止PTC加熱器表面溫度過高，對塑料冷暖轉(zhuǎn)換風門起到保護作用。

3）PTC加熱器保護控制器監(jiān)控鼓風電機電壓。PTC加熱器保護控制器通過第9、10腳監(jiān)測鼓風電機電壓，在PTC加熱器仍然工作、鼓風電機異常斷電時，強制使鼓風電機快速持續(xù)散熱，PTC加熱器保護控制器內(nèi)的蜂鳴器長時間報警，同時儀表板上報警指示燈點亮，以提醒駕駛員注意。

4）PTC加熱器保護控制器通過第12腳監(jiān)測空調(diào)制冷開關電壓，在空調(diào)處于工作狀態(tài) （空調(diào)制冷開關接通，第12腳監(jiān)測到的電壓由0V變?yōu)?2V）時，使PTC加熱器不能工作。

5）通過修改PTC加熱器保護控制器單片機的軟件程序，可對環(huán)境溫度限值35℃、PTC加熱器內(nèi)部的溫度傳感器溫度限值95℃、鼓風電機快速持續(xù)散熱時間1min等進行修改設定，使其更符合各車型的實際情況，以適應不同的車型。

經(jīng)過在暖風機廠內(nèi)的專業(yè)試驗室試驗驗證，各項性能都達到了設計要求。經(jīng)小批試裝驗證后，目前已在多型電動汽車上批量裝車，用戶反應良好！該公司立即對之前已生產(chǎn)產(chǎn)品做了相應的處理。該產(chǎn)品只適合于機械式拉絲暖風空調(diào)控制面板控制的PTC加熱器電動汽車暖風機，全自動暖風機只需對程序、電路做相應更改，不需要改產(chǎn)品。該型水暖暖風機總成在燃油汽車上使用多年，一直很正常，但在電動汽車上使用卻出現(xiàn)問題，原因為在燃油汽車和電動汽車上的暖風工作溫度不一樣。因此，同一產(chǎn)品在不同車型上借用前應充分分析、考慮清楚，希望該案例能對大家有所啟示。