李仁明

（湖北省齊星汽車車身股份有限公司技術(shù)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(jià)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(duì)它的了解越來越深，運(yùn)用也越來越廣。下面先簡要介紹PTC的特點(diǎn)。

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(huì)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(dāng)電壓超過UD時(shí)，電流隨電壓增大而增加，會(huì)很快導(dǎo)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(hù)元件等一起裝配后給駕駛室采暖用。它的最大特點(diǎn)在于其安全性：當(dāng)遇風(fēng)機(jī)故障堵轉(zhuǎn)時(shí)，即使未安裝溫度保護(hù)元件，PTC加熱器也因得不到充分散熱溫度升高，功率會(huì)自動(dòng)急劇下降，此時(shí)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(huì)產(chǎn)生電阻加熱器表面“發(fā)紅”的現(xiàn)象。由于有這個(gè)特點(diǎn)，加上它的寬電壓范圍，它比較適合在電動(dòng)汽車上使用。

2 電動(dòng)汽車與燃油汽車暖風(fēng)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(huì)資源，現(xiàn)在市場上的很多電動(dòng)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(jī)、電控）就變成了電動(dòng)汽車。傳統(tǒng)汽車暖風(fēng)系統(tǒng)是將冷卻發(fā)動(dòng)機(jī)缸體后的熱水通過管道引入駕駛室內(nèi)的暖風(fēng)機(jī)散熱器內(nèi)部，熱水流過散熱器時(shí)將散熱片附近的空氣加熱，再利用鼓風(fēng)電機(jī)將加熱后的空氣吹出，通過風(fēng)道送到駕駛室各相應(yīng)部位來給駕駛室內(nèi)人員取暖、玻璃除霜或除霧。因純電動(dòng)汽車上沒有了發(fā)動(dòng)機(jī)，改由電機(jī)驅(qū)動(dòng)，也就沒有了冷卻發(fā)動(dòng)機(jī)的熱水來給駕駛室采暖。為降低開發(fā)成本，這些電動(dòng)汽車暖風(fēng)控制系統(tǒng)將原暖風(fēng)機(jī)中的水暖散熱器用PTC加熱器來代替，而原車型中的機(jī)械式暖風(fēng)空調(diào)控制面板、風(fēng)道、空調(diào)制冷芯體及暖風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)等均不變，從而組成電動(dòng)汽車的冷暖空調(diào)系統(tǒng)。

圖3為某公司的電動(dòng)汽車PTC暖風(fēng)機(jī)處于暖風(fēng)狀態(tài)的結(jié)構(gòu)簡圖。此時(shí)冷暖轉(zhuǎn)換風(fēng)門旋到了最上方，鼓風(fēng)電機(jī)吹出的風(fēng)全部吹過PTC加熱器，因此為暖風(fēng)狀態(tài)。若操作暖風(fēng)空調(diào)控制面板將冷暖轉(zhuǎn)換風(fēng)門旋到最下方，見圖4，此時(shí)冷暖轉(zhuǎn)換風(fēng)門將PTC加熱器的進(jìn)風(fēng)口完全堵死，熱風(fēng)吹不出，暖風(fēng)機(jī)吹出的為冷風(fēng) （或空調(diào)狀態(tài)）。可以看到，吹冷風(fēng)時(shí)冷暖轉(zhuǎn)換風(fēng)門離PTC加熱器表面距離較近 （不足10mm）。這種結(jié)構(gòu)的暖風(fēng)機(jī)在國內(nèi)輕型載貨汽車和電動(dòng)物流車中有一定的使用量。

圖3 電動(dòng)汽車PTC暖風(fēng)機(jī)采暖狀態(tài)結(jié)構(gòu)簡圖

圖4 電動(dòng)汽車PTC暖風(fēng)機(jī)制冷狀態(tài)結(jié)構(gòu)簡圖

3 改進(jìn)前電動(dòng)汽車PTC暖風(fēng)控制原理及發(fā)現(xiàn)的問題

圖5為該公司的原電動(dòng)汽車PTC暖風(fēng)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(guān) （雙金屬片，保護(hù)溫度為95℃，裝在PTC加熱器內(nèi)部），這樣溫控開關(guān)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(fēng)速開關(guān)接通后 （Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ任一擋），鼓風(fēng)電機(jī)開始工作；接通暖風(fēng)加熱開關(guān)后，K3、K4繼電器觸點(diǎn)吸合，PTC加熱器接通直流高壓電開始工作；鼓風(fēng)電機(jī)將PTC加熱器產(chǎn)生的熱量吹出。當(dāng)PTC加熱器內(nèi)的溫度過高時(shí)，PTC溫控開關(guān)斷開，K3、K4繼電器觸點(diǎn)相繼斷開，直流高壓電斷開、PTC加熱器停止工作；在暖風(fēng)加熱開關(guān)或風(fēng)速開關(guān)之一斷開后，PTC加熱器也會(huì)停止工作，電氣原理正常。但在實(shí)際使用中，發(fā)現(xiàn)有塑料冷暖轉(zhuǎn)換風(fēng)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(fēng)控制原理圖

圖6 塑料風(fēng)門熔化照片

4 改進(jìn)前電動(dòng)汽車PTC暖風(fēng)缺陷分析及存在的隱患

經(jīng)分析、試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：因冷風(fēng)狀態(tài)時(shí)冷暖轉(zhuǎn)換風(fēng)門離PTC加熱器表面距離較近，在正常采暖狀態(tài)時(shí)，PTC加熱器正常工作，鼓風(fēng)電機(jī)持續(xù)散熱，暖風(fēng)機(jī)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(fēng)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(fēng)空調(diào)面板由采暖位置旋至制冷位置，此時(shí)冷暖轉(zhuǎn)換風(fēng)門旋到了最下位置，而忘了關(guān)掉暖風(fēng)加熱開關(guān)或風(fēng)速開關(guān)等），此時(shí)鼓風(fēng)電機(jī)雖然仍在工作，但鼓風(fēng)電機(jī)吹出的風(fēng)未穿過還在工作的PTC加熱器而直接從冷暖轉(zhuǎn)換風(fēng)門上部吹走，此時(shí)PTC加熱器表面并沒有風(fēng)或吹過的散熱風(fēng)量較小，因此PTC加熱器溫度較高 （試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)此時(shí)PTC加熱器溫度可達(dá)135℃以上）；或在使用暖風(fēng)時(shí)，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(fēng)又不能吹走，超過了塑料冷暖轉(zhuǎn)換風(fēng)門的承受溫度，工作一段時(shí)間后會(huì)導(dǎo)致塑料冷暖轉(zhuǎn)換風(fēng)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(yīng)商提供的PTC雙金屬片溫控開關(guān)使用壽命僅為6000次左右，一旦超過使用壽命，溫控開關(guān)觸點(diǎn)發(fā)生粘連，在上述無風(fēng)狀態(tài)時(shí)，PTC加熱器的表面溫度會(huì)達(dá)到250℃左右的居里溫度，成為電動(dòng)汽車的一種火災(zāi)隱患。

5 改進(jìn)后的電動(dòng)汽車PTC暖風(fēng)控制原理及特點(diǎn)

因該暖風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)已定型，增大冷暖轉(zhuǎn)換風(fēng)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(fù)分析改進(jìn)、試驗(yàn)驗(yàn)證，研發(fā)了一種PTC加熱器保護(hù)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(hù)控制器 （裝在駕駛室內(nèi)部）監(jiān)控暖風(fēng)加熱開關(guān)和風(fēng)速開關(guān)。當(dāng)斷開暖風(fēng)加熱開關(guān)，PTC加熱器保護(hù)控制器第7腳監(jiān)測到暖風(fēng)加熱開關(guān)電壓由12V變?yōu)?V；或斷開風(fēng)速開關(guān)，保護(hù)控制器第3腳監(jiān)測到風(fēng)速開關(guān)電壓由0變?yōu)?2V后，PTC加熱器保護(hù)控制器內(nèi)的單片機(jī)發(fā)出指令，使與鼓風(fēng)電機(jī)+級(jí)相連的保護(hù)控制器第9腳接通電源+，與鼓風(fēng)電機(jī)-級(jí)相連的保護(hù)控制器第10腳接通電源-，使鼓風(fēng)電機(jī)接通電源快速持續(xù)散熱1min降溫 （經(jīng)試驗(yàn)，鼓風(fēng)電機(jī)在此最大風(fēng)速時(shí)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(duì)塑料冷暖轉(zhuǎn)換風(fēng)門起到保護(hù)作用。

圖7 增加PTC保護(hù)控制器后暖風(fēng)控制原理圖

2）PTC加熱器保護(hù)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(guān)因原雙金屬片溫控開關(guān)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(hù)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(hù)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(dāng)監(jiān)測到裝在PTC加熱器內(nèi)部的溫度超過設(shè)定值95℃或駕駛室內(nèi)環(huán)境溫度超過設(shè)定值35℃之一時(shí)，PTC加熱器保護(hù)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(diǎn)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(duì)塑料冷暖轉(zhuǎn)換風(fēng)門起到保護(hù)作用。

3）PTC加熱器保護(hù)控制器監(jiān)控鼓風(fēng)電機(jī)電壓。PTC加熱器保護(hù)控制器通過第9、10腳監(jiān)測鼓風(fēng)電機(jī)電壓，在PTC加熱器仍然工作、鼓風(fēng)電機(jī)異常斷電時(shí)，強(qiáng)制使鼓風(fēng)電機(jī)快速持續(xù)散熱，PTC加熱器保護(hù)控制器內(nèi)的蜂鳴器長時(shí)間報(bào)警，同時(shí)儀表板上報(bào)警指示燈點(diǎn)亮，以提醒駕駛員注意。

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

5）通過修改PTC加熱器保護(hù)控制器單片機(jī)的軟件程序，可對(duì)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(fēng)電機(jī)快速持續(xù)散熱時(shí)間1min等進(jìn)行修改設(shè)定，使其更符合各車型的實(shí)際情況，以適應(yīng)不同的車型。

經(jīng)過在暖風(fēng)機(jī)廠內(nèi)的專業(yè)試驗(yàn)室試驗(yàn)驗(yàn)證，各項(xiàng)性能都達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。經(jīng)小批試裝驗(yàn)證后，目前已在多型電動(dòng)汽車上批量裝車，用戶反應(yīng)良好！該公司立即對(duì)之前已生產(chǎn)產(chǎn)品做了相應(yīng)的處理。該產(chǎn)品只適合于機(jī)械式拉絲暖風(fēng)空調(diào)控制面板控制的PTC加熱器電動(dòng)汽車暖風(fēng)機(jī)，全自動(dòng)暖風(fēng)機(jī)只需對(duì)程序、電路做相應(yīng)更改，不需要改產(chǎn)品。該型水暖暖風(fēng)機(jī)總成在燃油汽車上使用多年，一直很正常，但在電動(dòng)汽車上使用卻出現(xiàn)問題，原因?yàn)樵谌加推嚭碗妱?dòng)汽車上的暖風(fēng)工作溫度不一樣。因此，同一產(chǎn)品在不同車型上借用前應(yīng)充分分析、考慮清楚，希望該案例能對(duì)大家有所啟示。