电动汽车PTC加热器控制改进

李仁明

（湖北省齐星汽车车身股份有限公司技术中心，湖北 随州 441300）

PTC是“正温度系数 （Positive Temperature Coefficient）”的英文缩写。荷兰人Haayman1952年发现在氧化气氛中烧结的价控型BaTiO3电阻随温度变化呈正温度系数 （PTC）［1］现象以来，人们对它的了解越来越深，运用也越来越广。下面先简要介绍PTC的特点。

1 PTC的特性

图1 PTCR元件的温度-电阻特性曲线

PTCR元件电阻、温度特性曲线见图1，从图1可看出在Tmin～Tmax间电阻随温度升高会增大。其电压、电流特性曲线见图2，可看出：PTCR元件电压在0～Uk间电压与电流基本符合欧姆定律，电流与电压成正比；电压在Uk～Umax间电流随电压的增大而减小，但功率基本不变；当电压超过UD时，电流随电压增大而增加，会很快导致PTCR元件热击穿［2］。车用PTC加热器就是将若干单片PTCR热敏陶瓷元件组合后与波纹散热铝条经高温胶粘结、和温度保护元件等一起装配后给驾驶室采暖用。它的最大特点在于其安全性：当遇风机故障堵转时，即使未安装温度保护元件，PTC加热器也因得不到充分散热温度升高，功率会自动急剧下降，此时加热器的表面温度维持限定在居里温度 （Tc） 左右 （一般为250℃左右）［2］，从而不会产生电阻加热器表面“发红”的现象。由于有这个特点，加上它的宽电压范围，它比较适合在电动汽车上使用。

2 电动汽车与燃油汽车暖风的结构区别

为了减少开发成本，提高开发速度，充分利用社会资源，现在市场上的很多电动物流车是在市场上原已淘汰的燃油车型上改型而来的，如利用原车型的车架、车身、悬架等，加上“三电” （电池、电机、电控）就变成了电动汽车。传统汽车暖风系统是将冷却发动机缸体后的热水通过管道引入驾驶室内的暖风机散热器内部，热水流过散热器时将散热片附近的空气加热，再利用鼓风电机将加热后的空气吹出，通过风道送到驾驶室各相应部位来给驾驶室内人员取暖、玻璃除霜或除雾。因纯电动汽车上没有了发动机，改由电机驱动，也就没有了冷却发动机的热水来给驾驶室采暖。为降低开发成本，这些电动汽车暖风控制系统将原暖风机中的水暖散热器用PTC加热器来代替，而原车型中的机械式暖风空调控制面板、风道、空调制冷芯体及暖风机结构等均不变，从而组成电动汽车的冷暖空调系统。

图3为某公司的电动汽车PTC暖风机处于暖风状态的结构简图。此时冷暖转换风门旋到了最上方，鼓风电机吹出的风全部吹过PTC加热器，因此为暖风状态。若操作暖风空调控制面板将冷暖转换风门旋到最下方，见图4，此时冷暖转换风门将PTC加热器的进风口完全堵死，热风吹不出，暖风机吹出的为冷风 （或空调状态）。可以看到，吹冷风时冷暖转换风门离PTC加热器表面距离较近 （不足10mm）。这种结构的暖风机在国内轻型载货汽车和电动物流车中有一定的使用量。

图3 电动汽车PTC暖风机采暖状态结构简图

图4 电动汽车PTC暖风机制冷状态结构简图

3 改进前电动汽车PTC暖风控制原理及发现的问题

图5为该公司的原电动汽车PTC暖风控制原理图。由图5可知，在PTC控制继电器K3线圈电路中串联了一只PTC温控开关 （双金属片，保护温度为95℃，装在PTC加热器内部），这样温控开关和PTC加热器共同起作用保证使用安全。该电气原理看起来没什么问题：在风速开关接通后 （Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ任一挡），鼓风电机开始工作；接通暖风加热开关后，K3、K4继电器触点吸合，PTC加热器接通直流高压电开始工作；鼓风电机将PTC加热器产生的热量吹出。当PTC加热器内的温度过高时，PTC温控开关断开，K3、K4继电器触点相继断开，直流高压电断开、PTC加热器停止工作；在暖风加热开关或风速开关之一断开后，PTC加热器也会停止工作，电气原理正常。但在实际使用中，发现有塑料冷暖转换风门熔化变形的情况发生，见图6，但该现象在以前的燃油汽车上从未发生过！

图5 更改前PTC暖风控制原理图

图6 塑料风门熔化照片

4 改进前电动汽车PTC暖风缺陷分析及存在的隐患

经分析、试验发现：因冷风状态时冷暖转换风门离PTC加热器表面距离较近，在正常采暖状态时，PTC加热器正常工作，鼓风电机持续散热，暖风机工作正常；但在PTC加热器电路处于加热接通状态而冷暖转换风门旋至制冷或靠近制冷 （图4）位置 （例如用户嫌驾驶室暖气过热而将暖风空调面板由采暖位置旋至制冷位置，此时冷暖转换风门旋到了最下位置，而忘了关掉暖风加热开关或风速开关等），此时鼓风电机虽然仍在工作，但鼓风电机吹出的风未穿过还在工作的PTC加热器而直接从冷暖转换风门上部吹走，此时PTC加热器表面并没有风或吹过的散热风量较小，因此PTC加热器温度较高 （试验发现此时PTC加热器温度可达135℃以上）；或在使用暖风时，驾驶员突然下车拔钥匙断电，虽然PTC加热器已停止工作但其产生余热使其表面温度仍然较高，而热风又不能吹走，超过了塑料冷暖转换风门的承受温度，工作一段时间后会导致塑料冷暖转换风门逐渐熔化变软、再变形的情况发生，如图6所示。且因供应商提供的PTC双金属片温控开关使用寿命仅为6000次左右，一旦超过使用寿命，温控开关触点发生粘连，在上述无风状态时，PTC加热器的表面温度会达到250℃左右的居里温度，成为电动汽车的一种火灾隐患。

5 改进后的电动汽车PTC暖风控制原理及特点

因该暖风机结构已定型，增大冷暖转换风门与PTC加热器表面距离不便，更改付出的成本较大且周期也较长。为了解决该问题，经反复分析改进、试验验证，研发了一种PTC加热器保护控制器，增加到PTC加热器控制电路中，具体电路图见图7。其控制原理如下。

1）PTC加热器保护控制器 （装在驾驶室内部）监控暖风加热开关和风速开关。当断开暖风加热开关，PTC加热器保护控制器第7脚监测到暖风加热开关电压由12V变为0V；或断开风速开关，保护控制器第3脚监测到风速开关电压由0变为12V后，PTC加热器保护控制器内的单片机发出指令，使与鼓风电机+级相连的保护控制器第9脚接通电源+，与鼓风电机-级相连的保护控制器第10脚接通电源-，使鼓风电机接通电源快速持续散热1min降温 （经试验，鼓风电机在此最大风速时持续散热1min完全能将PTC加热器表面温度降到55℃以下），防止PTC加热器表面温度过高，对塑料冷暖转换风门起到保护作用。

图7 增加PTC保护控制器后暖风控制原理图

2）PTC加热器保护控制器监控PTC加热器温度和驾驶室内环境温度。PTC温控开关因原双金属片温控开关寿命有限，将其更换为热敏电阻，仍然装在PTC加热器内部。保护控制器通过第1、4脚监测该温度传感器的阻值来监测PTC加热器的温度，通过PTC加热器保护控制器内部的温度传感器监测驾驶室内环境温度，当监测到装在PTC加热器内部的温度超过设定值95℃或驾驶室内环境温度超过设定值35℃之一时，PTC加热器保护控制器立即切断PTC控制继电器K3线圈电路，使PTC控制继电器K3、PTC主继电器K4触点断开，PTC加热器断电，停止工作。防止PTC加热器表面温度过高，对塑料冷暖转换风门起到保护作用。

3）PTC加热器保护控制器监控鼓风电机电压。PTC加热器保护控制器通过第9、10脚监测鼓风电机电压，在PTC加热器仍然工作、鼓风电机异常断电时，强制使鼓风电机快速持续散热，PTC加热器保护控制器内的蜂鸣器长时间报警，同时仪表板上报警指示灯点亮，以提醒驾驶员注意。

4）PTC加热器保护控制器通过第12脚监测空调制冷开关电压，在空调处于工作状态 （空调制冷开关接通，第12脚监测到的电压由0V变为12V）时，使PTC加热器不能工作。

5）通过修改PTC加热器保护控制器单片机的软件程序，可对环境温度限值35℃、PTC加热器内部的温度传感器温度限值95℃、鼓风电机快速持续散热时间1min等进行修改设定，使其更符合各车型的实际情况，以适应不同的车型。

经过在暖风机厂内的专业试验室试验验证，各项性能都达到了设计要求。经小批试装验证后，目前已在多型电动汽车上批量装车，用户反应良好！该公司立即对之前已生产产品做了相应的处理。该产品只适合于机械式拉丝暖风空调控制面板控制的PTC加热器电动汽车暖风机，全自动暖风机只需对程序、电路做相应更改，不需要改产品。该型水暖暖风机总成在燃油汽车上使用多年，一直很正常，但在电动汽车上使用却出现问题，原因为在燃油汽车和电动汽车上的暖风工作温度不一样。因此，同一产品在不同车型上借用前应充分分析、考虑清楚，希望该案例能对大家有所启示。