智能电加热服的研究进展

李 萍 蒋晓文

(西安工程大学，陕西西安，710048)

随着科技的发展和人类生活水平的提高，功能服装的需求也与日俱增。电加热服作为一种功能服装，可为冷环境下工作或生活的人提供热量，20世纪中叶就引起国内外学者的关注和研究[1]。近年来，电加热服的发热材料研究已较成熟，国内外学者对电加热服集成化、服用性的研究更加深入，相关发明专利层出不穷[2]。随着可持续移动电源、可水洗等技术问题的突破，电加热服已在军事活动、冷环境作业、临床治疗等领域得到应用[3]。

1 电加热服的研究进展

1.1 发热元件的研究现状

电加热服是将电热取暖的原理运用到服装上，因此发热元件是电加热服的重要组成部分。发热元件从组织结构上主要有三类，分别为电热丝发热片、电热织物和电热膜。发热元件的特性对于电加热服的服用性有非常重要的影响。电热元件必须具有导电的物理特性，高度柔软且能够做成复杂形状,能满足人体特定部位的加热要求，且用电安全。

1.1.1 国外研究现状

近年来，国外关于发热元件的研究主要有电加热织物性能测试和新型电热元件制备两方面。

在电加热织物的性能对发热效果的影响方面，不同电热元件影响其发热效果的因素不同。其中影响涂层电热织物的主要原因是涂层材料的物理和化学性能。此外，有学者测试4种使用不同氧化剂的PET织物的发热效果[4]，结果显示：用AQSA钠盐作氧化剂的聚吡咯涂层织物发热效果最好，织物热功率密度为430 W/m2。此研究说明涂层电热织物的制备工艺也会影响其发热效果。电热织物在穿着过程中会产生形变，因此有学者研究了拉伸对电热织物加热温度的影响[5]。此外还有学者用不锈钢丝编织了平针和双罗纹织物，测试了其发热效率，结果显示在短时间内不锈钢丝双罗纹织物比平针织物发热温度高[6]。

在新型电热元件研制方面，碳纳米管涂覆和石墨烯有机高分子材料电热元件是研究热点。国外一些学者通过浸涂法将单壁碳纳米管涂覆在棉织物表面制备了加热织物，并对其负载电压及加热速率等方面进行了研究[7]。还有一些研究团队致力于有机高分子电热膜的研究，其中LUO J等[8]用一种叠层的方式合成了高性能的碳纳米管电热膜。该薄膜可以承受较大形变，电热灵敏，10 V电压时稳态温度可以达到140 ℃。石墨烯电热膜具有低电阻和高热传导率的特点，在高温退火后显示了优异的电热性能[9]。据报道，将石墨烯沉积在聚乙烯对苯二甲酸基底上形成的电热膜，当电压从5 V升到30 V，其稳定温度从32 ℃升到139 ℃，热反应速率小于20 ℃/s，在100次弯曲试验后，电热性能无明显变化[10]。

1.1.2 国内研究现状

近年来，国内关于电加热服电热元件的相关研究多集中在制备工艺和发热性能测试上。目前发热片的制备方法多样，天津工业大学以及东华大学相继都有人采用针织工艺将镀银纱线织成柔性电热织物，研究结果表明：在低电压测试下电热织物有明显的发热效果[11-14]；在5 V负载电压下，平纹梭织、针织平针、满针罗纹3种试样平衡温度都能达到60 ℃以上；与镀银纱线加热织物相比聚吡咯涂层加热织物耐水洗性较差[15]。杜敏芝、刘欣等多所高校的学者制备了石墨烯复合导电织物，并探讨了导电材料用量与织物导电性的关系，优化了用料配比[16-19]。以下根据所使用的发热材料，列举出所采用的具体电热元件制备方法及基本研究成果。

(1)发热材料为紫铜丝黏合衬发热片。采用热压黏合方法，将黏合衬基底、黏合面料和导电材料进行三层黏合；环境温度-20 ℃时发热温度40 ℃；功率消耗小于6 W。该研究发表于2018年。

(2)发热材料为不锈钢混纺纱线。采用缝制的方法，用5号缝纫针将导电纱线缝制在梭织物上，组织采用平纹、二上一下斜纹，最大负载功率15 W，发热范围29 ℃～41.6 ℃。该研究发表于2017年。

(3)发热材料为聚吡咯织物。采用液相法原位聚合法，处理涤纶和橡胶经编、粘胶平针、纯棉平针、纯棉罗纹、粘胶经编织物，加热平衡温度可达到105.4 ℃。该研究发表于2017年。

(4)发热材料为镀银长丝织物。针织(9.5 tex镀银长丝，20 tex涤纶短纤维)采用纬平针、罗纹、双罗纹组织，电压1 V～12 V，发热温度在20 ℃～60 ℃。该研究发表于2015年。

(5)发热材料为镀银纱线织物。具体内容见表1。

表1近年来国内以镀银纱线织物为发热材料的相关研究

电热元件制备方法组织结构相关参数发表年份针织衬纬采用针织方法,9.5 tex镀银长丝;20 tex涤纶短纤维采用针织方法,镀银纱线和涤纶纱线采用针织、机织、刺绣方法纬平针纬平针;双罗纹纬平针平纹梭织;针织平针;满针罗纹电压为5 V时,稳定温度达36.7 ℃双罗纹三上七下织物;电压6 V;发热温度35 ℃电压为9 V时,平衡温度67.85 ℃在5 V负载电压下,3种试样平衡温度都能达到60 ℃以上2015201620172017

(6)发热材料为石墨、氧化石墨和还原氧化石墨烯复合导电非织造布。采用一步法浸染工艺，电流3 A时功率30 W，加热11 min后温度可达57 ℃；该研究发表于2014年。

(7)发热材料为石墨、炭黑后整理电热织物。采用导电、导热浆料印刷的后整理方法，用基布层、导电层、导热层、绝缘防水粘贴层、绝缘防水涂层的五层结构，电压5 V～240 V，发热温度20 ℃～100 ℃。该研究发表于2016年。

(8)发热材料为石墨烯和纳米二氧化锰整理棉织物。采用浸润涂覆、化学沉积、碳化的后整理方法；电压15 V，通电6 min时，稳态最大温升36 ℃。该研究发表于2016年。

(9)发热材料为石墨烯复合织物。采用平纹棉织物电喷涂的后整理方法，电压10 V，25 s温度从21.7 ℃升到45.3 ℃，功率密度可达2 000 W/m2。该研究发表于2018年。

综上所述，梭织物结构稳定，电阻变化率低，但间隔会影响加热段的有效功率输出；罗纹织物的电阻和稳定性能均好于平针织物；聚吡咯涂层织物电阻较大，制备的加热元件需要施加较大功率才能达到较高的温度。

目前常用的各种发热元件都存在一定的优缺点，电热膜发热材料发热快、成本低、易制备，但易氧化、不透气，服用舒适性差，因此多用来制作汽车内饰和家纺产品。电热织物柔软舒适，结构简单，与服装的结合较好，美中不足的是，涂覆法制备的导电可加热织物性能不稳定，导电纱线在织成织物时易受损，生产工艺待优化。常见的电加热服多使用碳纤维丝发热片，其形状、大小、发热功率、放置部位都可以进行个性化设计，可拆卸，便于洗涤，其不足之处在于发热不均匀。在加热服的实际研制中可根据需求选择不同的加热元件，协调电加热织物防水防汗和导热透湿的矛盾，提高服装的舒适性。

1.2 电加热服的研究现状

1.2.1 国外研究现状

自20世纪至今，美国、英国、芬兰、日本、土耳其、瑞典等国家都有学者对电加热服进行过相关研究。进入21世纪后，芬兰的KUKKONEN K等以温度区间来控制电加热服发热范围，还提出了基于掌上电脑的用户界面设想[20]；2009年土耳其的KAYACAN O等用导电纱线针织物、电路和电源组成了电加热服的加热保暖系统，这个系统分为四个子系统：测试系统、加热系统、能量源和用户界面，其中数码温度传感技术也被运用到测试系统中[21]。在电加热服的服用性能研究方面，2010年瑞典的WANG F等的研究表明电加热服的加热效率随着空气流速的增加而减小，特别适用于代谢率低于1.9 Mets的职业人群[22]；同年该研究团队通过理论分析和热模拟试验说明了电加热服可以改变三层服装群体的小气候温度分布,随着温度升高，更多的热量损失在环境中，加热效率会变低[23]。

1.2.2 国内研究现状

近年来可穿戴技术和加热织物的发展，极大推动了国内电加热服的研发，详见表2。在服装类型方面，除了电加热背心，还研制了电加热冲锋衣、电加热防寒服等；在结构造型方面，以基本款为主；在电源方面，一般选取12 V以下的低压直流便携式可充电电源；加热元件的选择以碳纤维发热片为主，这与其他加热织物不易制备有较大关系；在调温控制方面，大多数电加热服装通过电压或热功率进行分档，手动调温；一些学者在电加热服中加入了传感器和温控装置，实现了智能化调温；调温电路的导线一般选取普通绝缘导线，随着导电缝纫线各方面性能的优化，智能调温服装的集成化和可穿性将会进一步提高[24]。

表2近年来国内电加热服的类型、使用技术及相关参数

发表年份服装类型加热元件控制系统传感器导线相关参数20132014201620172017201720172018201820182018电热马甲 智能电热马甲 中草药加热睡衣 中长款棉服 太阳能电热调温服智能电热马甲 男士电热外套 光伏电热防寒服 智能发热防寒服 电热马甲 电热保暖休闲裤 碳纤维平纹梭织物银丝柔性加热织物自控温中草药加热片碳纤维 USB 发热膜碳纤维丝加热片碳聚合物加热元件金属发热丝柔性电热片加热丝加热布碳纤维长丝发热布柔性纳米远红外电热材料4档电压、遥控器MPS430单片机时间控制热敏电阻器、温控器微型单片机控制器极值判断CTC15F104W单片机IAP15W4K58S4单片机温控装置极值判断电压调节温控器无有无无无无无有有无有普通绝缘导线不祥普通绝缘导线普通绝缘导线普通绝缘导线FEP绝缘电线普通绝缘导线普通绝缘导线不祥普通绝缘导线普通绝缘导线7.4 V,50 ℃～72 ℃25 ℃～28 ℃35 ℃～50 ℃5 V,28 ℃～33 ℃7.4 V,30 ℃～50 ℃7.5 V,7.5 A,56.25 W22 ℃～33 ℃12 V,40 ℃～50 ℃7.4 V,30 ℃～35 ℃4 V ～5 V,4.08 W,34.3 ℃28 ℃～33 ℃

在电加热服测试与评价方面，较为普遍的方式是采用暖体假人客观测试法和人体着装主观评价法[25]。近年来，建模法逐渐被用来反映电加热服发热过程和效果。例如，范敏基于传热学原理，推导了加热功率与面料热阻的关系模型[26]；陈扬采用ANSYS建立加热片、空气层与织物组合体的三维有限元模型，模拟分析了不同织物、不同加热片和不同空气层厚度等条件下模型内部与外表面的温度分布特征。此外，郑兆和等参考各项标准从用电安全性和热功能性两方面完善了电加热服的评价方法[27]。

2 智能电加热服的核心技术及应用现状

2.1 传感技术

传感器是智能电加热服的基础元件，其作用是采集服装内外环境温湿度等信息。智能电加热服常用的温度传感器有DS18B20、Pt100等。目前应用较多的是DS18B20，它的特点是经济、灵活、体积小，可设定9位～12位的分辨率，精度可达到±0.1 ℃，为了提高数据采集和传输效率精度常设置为±0.5 ℃。此外，智能电加热服可以通过加入湿度传感器和压力传感器等，监测电加热服的热湿舒适性和人体其他生理指标。

传感技术的关键在于传感器的精度、采集数据的频率以及信号在传输过程中的保真率。对于智能服装而言还需要考虑监测部位的选择，如温度传感器应放置在后背、前胸、腋下等人体温度敏感部位和电加热服加热区域，湿度传感器应放置在人体排汗区，但是随着人体运动产生的皮肤滑移，会导致监测位置不准确，数据变动较快等问题，给信号传输、数据处理和控制判断带来不便。

2.2 智能控制技术

智能控制是研发智能电加热服装的核心技术。智能控制系统可以接收传感器采集的信息，并进行数据处理和判断，然后用控制命令驱动加热部件产生反馈，实现调温闭环。微控制器还可集成蓝牙、Wi-Fi等模块,与用户界面进行无线通讯，实现人衣交互。

智能调温服常用的控制原理是开关控制和PID控制，开关控制的原理是实时判定设定温度值与被控对象温度值之间的关系，对加热系统进行通断控制。开关控制法响应速度快、实现简单，但控制存在滞后性和惯性。PID算法控制精度高，但易出现积分饱和。目前，实际应用中常用多种方法结合控制。

马浩研究了一种医用保暖裤控制系统[28],该控制系统以P89V52X2单片机为核心，配以温度传感器和键盘控制单元，能够通过LCD显示模块显示当前环境温度，系统采用PID加开关控制。翟军辉等用Android智能手机作为上位机，AVR单片机作为微控制器，用蓝牙通信方式，为运动受限的病人设计了一款智能保暖服装[29]。该服装每5 s采集一次温度信息，不断与温度设定值进行比较，低于11 ℃自动闭合加热电路，高于39 ℃自动断开加热电路，在11 ℃～30 ℃用PID算法控制加热时间。

2.3 电子器件与服装连接技术

多种电子元件的加入使加热服装更加智能化，同时也面临服装与电子元件一体化集成的各种难题。目前，市场上的电加热服一般采用多层结构，将普通绝缘导线加热电路和电热元件固定在服装中层，将控制按键或微控制器用热熔胶固定在防水硅胶膜中缝制在服装表面，将可充电电源放置在口袋中。也有部分产品是用绗缝或压胶的工艺来固定加热电路，将微控制器做成纽扣固定在服装上，这种方法相对来说一体化程度更高，更利于保护电路，但电子元器件不可拆卸，对洗涤条件有一定的要求。此外，也可以把导电缝纫线作为导线，将电路直接缝制在服装上。

2.4 信号处理及系统通讯技术

信号处理及系统通讯技术是实现智能服装智能控制和人衣交互的关键技术。常用的短距离无线通信技术主要有蓝牙、Zig Bee、Wi-Fi等技术。蓝牙是比较常见的无线通信技术，主要面向移动设备的小范围连接，在手机、PAD等设备中都有应用；Zig Bee是一种低功耗、低成本的短距离无线网络技术。在智能电加热服装中，信息的传递和接受都需要进行信号处理，在信号传输的过程又用到系统通讯技术。

3 智能电加热服装有待解决的问题

在舒适性方面，市场上的电加热服多采用碳纤维丝或金属发热丝黏合衬发热片，其特点是升温快、功率可定做，但是该发热片在升温过程中易出现局部温度过高，发热不均匀，影响热湿舒适性。

在功能性方面，大多数的智能电加热服装传感器数量较少，温度传感器的灵敏度和精度较低，信号在传输过程中的衰减都会影响调温效果。部分学者开发了调温APP进行终端控制，但蓝牙接收信号的距离有限，APP功能也有待进一步拓展。

在服用性方面，现阶段电加热服对体型的适应性不强，在人体穿着过程中加热元件和传感器位置会发生一定的偏移。另外，随着更多功能的加入，电路板体积增加，会影响服装的服用性。

在安全性方面，从医学角度考虑智能电加热服对人体的影响。人们追求功能和高科技的同时，也越来越重视健康。为了探究电加热服的可服用性问题，还需进一步从医学角度探究穿着智能调温服对人体血液微循环、体表神经系统、排汗系统等微观生理系统的影响。

电子元件与服装一体化集成有待提高。导电缝纫线、印刷电路还处于研究初期，大多数电加热服采用普通绝缘导线连接电路，运用压胶、拉链、纽扣等方法固定电路和电子元件，需要不断改善服装集成技术，使其穿着更舒适，洗涤更方便，用电更安全。

4 趋势

智能服装技术不断成熟，基于用户需求的个性化智能服装也开始发展。在总结现状的基础上，智能电加热服应从产品出发，针对目标人群，筛选设计要素，制定设计方案。综合现阶段有待解决的问题，以下几方面将成为智能电加热服的研究趋势。

(1)智能加热将符合个性化需求。智能电加热服的目标是实现人体在不同环境温度下，服装内环境都能够使人体各部位在舒适温度范围。每个人每个部位的热感是有差异的，因此加热部位和加热温度应符合个性化需求，这需要加入人机对话和机器学习的内容，让智能调温服熟悉个体的调温习惯，才能实现真正的智能调温。

(2)针织电加热服将进行一体化织制。随着微电子技术和纺织新材料的不断发展，设计师可以将电热元件和电路进行一体化设计及织造，提高产品美感和穿着舒适度。

(3)人衣交互是电加热服装的发展趋势。加入机器学习、大数据分析等新技术，研发可以实现人衣交互的个体化智能服装成为电加热服的发展趋势。

(4)智能电加热服装功能升级。在供电问题得到妥善解决的情况下，采用多种传感器获取环境信息，处理器多任务工作，除了智能保暖功能外，具有听歌、定位、生理监测、智能报警等功能，满足用户更多的生理和心理需求。