ptc加熱器是混合動(dòng)力車(chē)和電動(dòng)車(chē)的新型加熱方式嗎？

混合動(dòng)力車(chē)和電動(dòng)車(chē)由于發(fā)動(dòng)機(jī)要頻繁在高效率區(qū)運(yùn)行，由于在純電力驅(qū)動(dòng)情況下發(fā)動(dòng)機(jī)不能作為熱源使用時(shí)，車(chē)輛就會(huì)發(fā)生沒(méi)有熱源的問(wèn)題。特別是對(duì)于駕駛室的溫度調(diào)節(jié)，需要額外的熱源來(lái)保證舒適性與安全性。為了使電力驅(qū)動(dòng)的續(xù)駛里程最大化和提高燃油效率，需要在動(dòng)力蓄電池耗電最少的情況下，快速、高效和安全地生成熱量。Webasto公司基于1種獲專(zhuān)利的新熱層技術(shù)開(kāi)發(fā)了新型高電壓加熱器。介紹了為達(dá)到該項(xiàng)目目標(biāo)的設(shè)計(jì)理念和研發(fā)結(jié)果。

關(guān)鍵詞：動(dòng)力電池　PTC加熱器　廢熱利用

0　前言

汽車(chē)行業(yè)中向電力驅(qū)動(dòng)和電氣動(dòng)力總成發(fā)展的趨勢(shì)催生了種類(lèi)繁多的車(chē)輛概念。從輕度混合動(dòng)力到全混合動(dòng)力、增程器和純電動(dòng)車(chē)，電氣化程度在逐漸提高，同時(shí)內(nèi)燃機(jī)的應(yīng)用在下降。隨著發(fā)動(dòng)機(jī)的不斷優(yōu)化、先進(jìn)的控制策略推出，以及越來(lái)越多的電動(dòng)駕駛，由發(fā)動(dòng)機(jī)或其他裝置產(chǎn)生的廢熱導(dǎo)致可用于駕駛室或動(dòng)力蓄電池溫度調(diào)節(jié)的熱量不足，各種電氣化車(chē)輛對(duì)熱量需求的依賴度如表1所示。

表1　各種電氣化車(chē)輛對(duì)熱量需求的依賴度

1　車(chē)輛加熱的功能和目的

1.1　主要的功能和目的

駕駛室加熱是確保車(chē)輛安全及舒適行駛的1個(gè)重要功能。除了駕駛室舒適性和車(chē)內(nèi)的溫度以外，空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)(HVAC)還必須確保包括滿足法規(guī)要求在內(nèi)的某些功能，如根據(jù)歐洲法規(guī)672/2010和美國(guó)聯(lián)邦機(jī)動(dòng)車(chē)輛安全標(biāo)準(zhǔn)FMVSS103的規(guī)定，必須在20min后除去擋風(fēng)玻璃上80%以上的冰。除霜和去濕是法規(guī)要求的另外2項(xiàng)功能。駕駛室的良好調(diào)溫是舒適性和安全性的基礎(chǔ)，這也是保證駕駛不受影響的重要因素。

1.2　性能指標(biāo)

對(duì)加熱器的主要要求隨汽車(chē)的用途而定，概括如下因素： (1) 效率最高；(2) 成本較低或比較合理；(3) 反應(yīng)時(shí)間快速，可控性好；(4) 封裝尺寸盡可能最小化和質(zhì)量輕；(5) 可靠性好；(6) 可持續(xù)性和環(huán)保性好。

1.3　加熱概念

總的來(lái)說(shuō)，熱概念可以分為主要熱源和次要熱源。主要熱源是能產(chǎn)生駕駛室調(diào)溫所需的2kW以上熱量的熱源。次要熱源產(chǎn)生的熱量在2kW以下，通常將其熱量導(dǎo)向特定的部位，如座椅加熱器。

1.3.1　空氣加熱器與水加熱系統(tǒng)

加熱系統(tǒng)可分為2種主要的類(lèi)別，它取決于燃料類(lèi)加熱器還是電加熱器實(shí)現(xiàn)的加熱： (1) 直接加熱空氣的空氣加熱器，它能使駕駛室快速升溫；(2) 使用冷卻液作為媒介熱量載體的水加熱器，它能更好地分配熱量并集成在HVAC中。

過(guò)去，混合動(dòng)力車(chē)和電動(dòng)車(chē)中引入了燃用燃料的加熱器，其較低的電力消耗可使電能用于車(chē)輛行駛，而不是用于加熱。因?yàn)樵诙臼褂秒娂訜崞鲿?huì)使電力驅(qū)動(dòng)的續(xù)航里程縮短約50%，因此人們通常選擇燃料加熱方法。

然而，對(duì)無(wú)排放車(chē)輛系統(tǒng)的需求使得人們必須尋找其他加熱方案，其中電加熱器概念就是1種可行的解決方案。

1.3.2　電加熱器概念

在開(kāi)發(fā)之前，對(duì)現(xiàn)有和潛在的幾種技術(shù)(如線繞電阻或正溫度系數(shù)(PTC)加熱)進(jìn)行了分析。對(duì)4項(xiàng)主要的開(kāi)發(fā)目標(biāo)進(jìn)行了評(píng)估，并針對(duì)這些目標(biāo)對(duì)幾種潛在的技術(shù)進(jìn)行了比較：

(1) 在效率方面，新的加熱器必須是高效的，它應(yīng)能在較寬的冷卻液溫度范圍內(nèi)和所有的電壓下提供所需的熱量輸出；

(2) 在質(zhì)量和尺寸方面，新型加熱器必須做到尺寸盡可能小，質(zhì)量盡可能輕；

(3) 在使用性和成本方面，必須避免使用稀土材料和Pb，同時(shí)，新產(chǎn)品的成本必須有競(jìng)爭(zhēng)力；

(4) 在安全性方面，在所有的條件下都必須防止任何觸電危險(xiǎn)或者燙傷事故。

在現(xiàn)有的汽車(chē)用電加熱器概念中，最流行的是采用由溫度系數(shù)為正值的鈦酸鋇(BaTiO3)制成的電阻器的PTC加熱器。為此，對(duì)其工作原理的若干細(xì)節(jié)進(jìn)行了說(shuō)明，并將它與按高電壓加熱器HVH開(kāi)發(fā)的層狀加熱器進(jìn)行了對(duì)比。

圖1所示為PTC元件的電阻隨溫度的變化曲線，并將它與HVH的電阻溫度曲線作了比較。

圖1　基于BaTiO3的PTC元件和HVH熱層技術(shù)的電阻隨溫度變化的關(guān)系

圖中表明，PTC元件具有非常明顯的非線性特性，在較低的溫度下電阻減小，之后溫度升高時(shí)電阻陡增。這一特性會(huì)導(dǎo)致在施加電壓時(shí)發(fā)生電流的自我限制。雖然PTC元件的自限制特性在某些方面能使系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，特別是故障模式的系統(tǒng)設(shè)計(jì)較為容易，但它還是有某些固有的缺陷，其中主要的缺陷包括：

 (1) 當(dāng)PTC溫度超過(guò)120℃時(shí)，需要摻雜Pb。為了確保在封裝尺寸較小的情況下能快速傳熱，在應(yīng)用汽車(chē)?yán)鋮s液加熱器時(shí)，PTC元件需要在必須摻雜Pb的溫度范圍內(nèi)工作；

(2) 稀土金屬La的應(yīng)用對(duì)于PTC來(lái)說(shuō)是十分常見(jiàn)的；

(3) 通電時(shí)會(huì)產(chǎn)生較高起動(dòng)電流的非線性電阻/溫度曲線，再加上PTC元件較高的熱阻，使得PTC加熱器的響應(yīng)時(shí)間相對(duì)較慢；

(4) 由于PTC溫度較低，會(huì)導(dǎo)致傳遞到冷卻液的熱量較少，因而隨著冷卻液溫度升高，熱性能會(huì)降低；(5) 當(dāng)PTC溫度變小時(shí)，熱性能會(huì)隨著電壓降低而降低，從而限制了傳熱。(6) 由于PTC元件的溫度與施加的電壓直接相關(guān)，在部分負(fù)荷時(shí)很難進(jìn)行控制。

2　新型高電壓加熱器原理

初步評(píng)估和預(yù)開(kāi)發(fā)的結(jié)果表明，1種新的電加熱器概念必須滿足為電加熱器設(shè)定的所有目標(biāo)。

2.1　熱層原理

根據(jù)對(duì)幾種加熱器技術(shù)進(jìn)行分析所得的結(jié)果，層狀加熱器概念被選定為最富前景的加熱器概念，它既能實(shí)現(xiàn)較高的效率，又能集成為1種尺寸小、質(zhì)量輕的加熱單元。

熱層的一般結(jié)構(gòu)如圖2所示。采用熱噴涂方法將電隔離層、熱層和傳感器元件涂覆在鋁質(zhì)熱交換器上，這些覆層的總厚度大約為0.7mm。由于這些覆層是均勻地噴涂在熱交換器上且粘合牢固，因而可以在整個(gè)熱交換器的表面實(shí)現(xiàn)非常均質(zhì)的熱量分布，從而能均勻地傳熱。

圖2　熱層技術(shù)的結(jié)構(gòu)

熱層原理在非汽車(chē)應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)是1種成熟的技術(shù)。主要在消費(fèi)類(lèi)電器行業(yè)應(yīng)用，它已經(jīng)被應(yīng)用于洗碗機(jī)和洗衣機(jī)中。

這項(xiàng)獲專(zhuān)利的適用于汽車(chē)的技術(shù)方案其主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)是采用了熱噴涂工藝，它能使幾個(gè)覆層牢固地粘接在基礎(chǔ)材料上。它能實(shí)現(xiàn)非常薄的覆層以高粘性和最小的熱阻相互粘合連接，如圖3所示。

圖3　熱層技術(shù)與現(xiàn)有技術(shù)(如線繞電阻或PTC加熱器)的溫度定性比較

與PTC加熱器采用的緊配合相比，熱層技術(shù)的熱量傳遞速度更快，由于熱阻較低，熱元件本身可以在較低的溫度下工作。圖3中顯示了線繞電阻加熱技術(shù)的特性，其溫度上升到了800～900℃。與線繞電阻加熱技術(shù)相比，PTC的熱阻與之相似，但可達(dá)到的最高溫度較低。這兩種技術(shù)及其特性與熱層技術(shù)正好相反，熱層技術(shù)的熱阻明顯更低，因而允許更低的最高溫度。

與此同時(shí)，熱層概念能使外表面與熱交換器之間實(shí)現(xiàn)高度的絕熱(圖4)。這是實(shí)現(xiàn)較高傳熱效率的重要因素之一。

圖4　在最高冷卻液溫度和最大功率下工作時(shí)外罩和熱交換器的熱量分布

2.2　熱層的電氣特性和系統(tǒng)配置

HVH中所用的熱層所起的作用就像1個(gè)普通電阻器，它產(chǎn)生的熱量與施加的電壓之間呈平方關(guān)系。因此，隨著電壓的增加，如果不安裝限制功率的機(jī)構(gòu)，電功率將會(huì)增大。這與PTC加熱器正好相反，后者具有隨著電壓增加的固有限制特性。

2.2.1　安全目標(biāo)

根據(jù)按ISO 26262標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行的故障和風(fēng)險(xiǎn)詳細(xì)分析，確定了HVH的主要安全目標(biāo)為無(wú)電擊和無(wú)過(guò)熱現(xiàn)象。因此，在整個(gè)設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)階段應(yīng)對(duì)此十分注意，以確保在HVH的所有工作條件下都能滿足這些安全目標(biāo)。通過(guò)一些容易利用的措施，諸如采取高電壓側(cè)和低電壓側(cè)的電絕緣、基礎(chǔ)絕緣和電位補(bǔ)償?shù)却胧﹣?lái)預(yù)防電擊。

由于在工作溫度范圍內(nèi)加熱層的電阻近乎恒定，如果不采取某種控制手段的話，HVH的電功率勢(shì)能和生成的熱量將會(huì)隨電壓的升高而快速、成比例地增加。一方面，由于在整個(gè)工作范圍內(nèi)產(chǎn)生的熱量不受施加的電壓或冷卻液溫度的限制，這是HVH的主要優(yōu)點(diǎn)之一。另一方面，HVH工作不受控制將會(huì)產(chǎn)生高溫，且可能會(huì)超過(guò)HVH的溫度限值。因此，HVH的主要挑戰(zhàn)之一是要開(kāi)發(fā)一種能在所有情況下防止不受控制熱量生成的系統(tǒng)配置。下列章節(jié)將介紹幾種主要的電子保護(hù)機(jī)制。

2.2.2　預(yù)防不受控制的熱量產(chǎn)生

主要的保護(hù)機(jī)制可分為以下幾類(lèi)：

(1) 確保冷卻液溫度的穩(wěn)定控制；

(2) 可靠地檢測(cè)HVH所有相關(guān)零件的電流、電壓和溫度過(guò)載；

(3) 在檢測(cè)到過(guò)載的情況下，快速、安全地轉(zhuǎn)換到安全狀態(tài)。

用1個(gè)脈沖寬度調(diào)制(PWM)控制的電源開(kāi)關(guān)控制通過(guò)熱層所需的功率。以高切換頻率用1個(gè)DC-Link電容器使電壓保持平穩(wěn)。出于備用原因，設(shè)置了1個(gè)附加的電源開(kāi)關(guān)。它能使高電壓回路斷路，即使其中的1個(gè)電源開(kāi)關(guān)短路，它也能將HVH帶入安全的狀態(tài)。

HVH采用冷卻液輸出的溫度信號(hào)作為控制冷卻液溫度的主要輸入。為了防止在可能出現(xiàn)的故障模式中發(fā)生過(guò)熱，額外安裝了幾個(gè)溫度、電壓和電流傳感器。

如果這些傳感器中的任何1個(gè)超過(guò)了規(guī)定的閾值，硬件邏輯線路將立即檢測(cè)到這一信息并關(guān)閉與微控制器無(wú)關(guān)的電源開(kāi)關(guān)。通過(guò)這些措施，一旦檢測(cè)到潛在的過(guò)熱，HVH始終能回到安全的狀態(tài)。

由于直接涂覆的傳熱層非常薄(0.7mm)，熱交換器表面與冷卻液之間的溫度差值相當(dāng)小(圖4)，這就允許將過(guò)熱傳感器標(biāo)定為稍稍大于系統(tǒng)的最大冷卻液溫度(120℃)(表2)。當(dāng)溫度低于過(guò)熱或過(guò)熱狀態(tài)下會(huì)發(fā)生損壞的溫度水平時(shí)，該標(biāo)定溫度是安全的。在冷卻系統(tǒng)經(jīng)受冷卻液或冷卻液流損失時(shí)，該技術(shù)的這一特性還能提供非?？斓捻憫?yīng)時(shí)間。

2.2.3　HVH的性能

在整個(gè)開(kāi)發(fā)期間，對(duì)這種新型熱層技術(shù)的性能進(jìn)行了驗(yàn)證，并確證了它相對(duì)于傳統(tǒng)加熱系統(tǒng)(如PTC加熱器)所具有的優(yōu)點(diǎn)。它與現(xiàn)有加熱器系統(tǒng)相比，主要性能改善可概括如下：

 (1) 與PTC相比無(wú)起動(dòng)電流；

(2) 提高電壓或冷卻液溫度時(shí)無(wú)功率限制；

(3) 從工作開(kāi)始電壓和電流就很穩(wěn)定，電壓和電流的脈動(dòng)非常小；

(4) 電氣和熱響應(yīng)時(shí)間非常短；

(5) 在整個(gè)工作范圍內(nèi)功率/電流呈線性控制。

圖5是在1輛電動(dòng)車(chē)上測(cè)得的通電時(shí)和通電后HVH與PTC加熱器的電力特性比較。上述HVH的優(yōu)點(diǎn)得到了確認(rèn)。與PTC加熱器相比，HVH無(wú)起動(dòng)電流，響應(yīng)時(shí)間非?？?，且沒(méi)有功率限制。

由于優(yōu)化了熱交換器的形狀，使其暴露在外面的表面最少，并使外罩與熱交換器之間隔熱，因而HVH達(dá)到了近99%的轉(zhuǎn)換效率。這一效率由1家德國(guó)的獨(dú)立實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了驗(yàn)證(圖6)。在該試驗(yàn)中，HVH自身暴露于-10℃的在零空氣流速下氣溫中。

圖5　在車(chē)輛應(yīng)用中測(cè)得的HVH與PTC加熱器的電力接通特性(起動(dòng)條件： 冷卻液入口溫度-20℃，與車(chē)輛HVAC的設(shè)置相同)

圖6　由獨(dú)立德國(guó)實(shí)驗(yàn)室測(cè)得的HVH轉(zhuǎn)換效率(空氣溫度-10℃，冷卻液溫度75℃，冷卻液流量10L/min，空氣流量240kg/h)

高轉(zhuǎn)換效率和快速響應(yīng)時(shí)間的正面效果在車(chē)輛上測(cè)定時(shí)得到了驗(yàn)證。如圖7所示，與安裝在車(chē)輛上的PTC加熱器相比，HVH達(dá)到60℃參比溫度的時(shí)間幾乎要減少一半(270s與500s)，并且消耗的電能減少40%(0.28kW·h與0.48kW·h)。

這一差異是由于HVH的通電響應(yīng)快(即實(shí)際上能立刻達(dá)到目標(biāo)功率水平)，以及貼近冷卻液的加熱層較薄的緣故。相比之下，PTC加熱器則由于電阻會(huì)發(fā)生變化，以及PTC與冷卻液之間的熱質(zhì)量較大，而出現(xiàn)通電響應(yīng)時(shí)間延遲。該試驗(yàn)中冷卻液流量設(shè)定為270L/h。

圖7　在實(shí)際車(chē)輛上應(yīng)用時(shí)，HVH與PTC加熱器冷卻液升溫特性的比較

2.3　技術(shù)數(shù)據(jù)匯總

新開(kāi)發(fā)加熱器的主要特性如表2所示。加熱器的長(zhǎng)、寬、高尺寸為284mm、200mm、54mm，體積為1700mL、質(zhì)量為2kg，基于熱層技術(shù)的HVH是最小的加熱器，它能在-40～90℃的整個(gè)冷卻液溫度范圍內(nèi)產(chǎn)生5kW的熱量，并能夠使最高溫度升到高達(dá)120℃。PWM控制的單元允許在250～450V的電壓范圍內(nèi)對(duì)熱量輸出以50W的步長(zhǎng)從200W調(diào)節(jié)到5kW。

表2　HVH的主要規(guī)格匯總

項(xiàng)目參數(shù)加熱性能/kW5.0±5%(冷卻液溫度75℃,500L/h)可控性/W200～5000(50W步長(zhǎng)/400Hz)直流供電電壓范圍/V250～450(5kW)最大壓力損失/Pa40(500L/h,23℃)加熱溫度范圍/℃-40～90冷卻液介質(zhì)和周?chē)鷾囟?℃-40～120質(zhì)量/kg2長(zhǎng)/mm284寬/mm200高/mm54保護(hù)等級(jí)IP6K9KIP6K7總線系統(tǒng)LIN2.1/CAN30s內(nèi)被動(dòng)放電60V(ISO6469-3.2.)絕緣電阻/MΩ50絕緣強(qiáng)度/V3010使用壽命/a15累計(jì)加熱時(shí)間/h7500

3　結(jié)語(yǔ)

總結(jié)來(lái)說(shuō)，開(kāi)發(fā)了1種適合汽車(chē)應(yīng)用的新型高電壓加熱器，采用了直接熱噴涂的薄膜電阻加熱層技術(shù)。這一技術(shù)能使冷卻液實(shí)現(xiàn)非?？焖俸蜏?zhǔn)確控制的加熱。在緊湊而輕量的設(shè)計(jì)中還包括了備用的機(jī)械安全系統(tǒng)、硬件，以及安全系統(tǒng)。

新型熱層技術(shù)具有相當(dāng)扁平的結(jié)構(gòu)，并能直接涂覆在熱交換器上，它能為汽車(chē)取暖領(lǐng)域帶來(lái)各種有前景的應(yīng)用機(jī)會(huì)，且能不局限于目前應(yīng)用中采用的形狀或幾何結(jié)構(gòu)。該項(xiàng)新技術(shù)將會(huì)首次在量產(chǎn)乘用車(chē)上應(yīng)用。該項(xiàng)術(shù)可以應(yīng)用于諸多場(chǎng)合，它的外形尺寸與熱量需求、所需的供熱位置或供熱目的無(wú)關(guān)。目前正在對(duì)其中幾種可能性對(duì)進(jìn)行評(píng)估。

通過(guò)這些評(píng)估，主要想推出幾種可供選擇的技術(shù)方案，如改變工作電壓范圍和熱量輸出水平。除此之外，將熱層技術(shù)應(yīng)用于空氣加熱器的方案無(wú)疑也是另一種選擇。