一种纯电动汽车暖风系统的研发

王莹，丁鹏，高健

（无锡职业技术学院，江苏 无锡 214121）

一种纯电动汽车暖风系统的研发

王莹，丁鹏，高健

（无锡职业技术学院，江苏 无锡 214121）

保证车内的制暖性能是电动汽车（EV）设计的重要课题之一。传统燃料机车能够利用发动机产生的热量满足车内制暖功能，然而电动汽车没有发动机，需要重新构筑热源。它的优劣对纯电动汽车动力性、续航里程等有着至关重要的影响。文章介绍一种基于PTC材料的汽车暖风空调的研发。首先设计了该空调的总体构造，阐述了这种暖风系统的工作原理，分析了该系统一些重要的控制方法与算法，在此基础之上描述了该暖风空调的硬件及软件的试验方法，最后验证了该空调的可行性与实用性。

汽车；暖风；空调；PTC

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.11.007

CLC NO.: U463.61 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2016)11-15-03

前言

传统汽车暖风空调大多使用发动机余热加热或者是燃油加热器加热，与传统汽车相比，纯电动汽车既没有发动机余热也缺少燃油加热，纯电动汽车使用电加热器满足汽车对暖风系统的要求。由于纯电动汽车电池容量的限制，故暖风系统消耗的电量对汽车的动力性、经济性以及续航里程有着至关重要的影响，因此纯电动汽车暖风空调设计的优劣对纯电动汽车有着非常重要的意思。本文就是介绍一种纯电动汽车暖风系统的设计及其试验方法。

1、纯电动汽车暖风系统结构

1.1总体结构

纯电动汽车主要由上述结构组成，用于加热防冻液的PTC加热器，防冻液进入加热器中，受热温度上升，随后流入蒸发器。用于防冻液循环的电动泵及其控制控制。

图1　暖风系统组成

在蒸发器中，鼓风机将防冻液的热量带走，变为暖风，防冻液温度下降。受电动水泵的抽动，防冻液在流路内快速循环，温度逐步上升。除此之外还有监控水温的水温传感器。它利用风机鼓动空气流经蒸发器强迫对流，以此为主要热交换方式。

1.2PTC加热

PTC(正向温度系数)热敏电阻器乃以氧化半导体陶瓷及钛酸钡为主要组件。温度交换以合成未加工货料而定，倘高于此温度，电阻便会迅速地提升。如此的特性，使PTC热敏电阻器应用于汽车暖风空调中。PTC热敏电阻温度与阻值的关系图如图2所示。

图2　PTC阻值与温度关系，横坐标为温度，纵坐标阻值

R-T曲线图描述了PTC的主要特征。R-T电阻温度特性是指在规定电压下，PTC热敏电阻的零功率电阻值与电阻体温度之间的关系。由图2可知在开始电阻随温升而下降(NTC负温度系数性质)，以后电阻随温升而上升(PTC性质)，越过电阻最大点，随温升电阻下降，又呈NTC性质。在PTC阶段是由于铁电相变的缘故。它的最大特点在于其安全性，即遇风机故障堵转时，PTC加热器因得不到充分散热，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左右（一般为240℃），从而不致产生电热管类加热器表面的“发红”现象，排除了发生事故的隐患。PTC加热器具有恒温发热、无明火、热转换率高、受电源电压影响极小、自然寿命长等传统发热元件无法比拟的优势。

2、暖风空调控制原理

本加热器具有高压检测电路，在电压低于200V时不加热，这样可以防止电动汽车电池系统预充过程中加热器就开始加热而损坏电池系统预充电路，并且系统上电后有逐渐加大PWM 输出直至目标控制量的10s 软启动过程，进一步保护了电路安全。对于用户使用其它高压电源的情况如桥式整流加滤波的电源，为避免大电容充电过程导致瞬时过流，使用必要的预充电路。

加热器开始工作后，将通过采样获取高压电压值，进而调整控制PWM 信号输出的最大值，从而保证在任何有效高压电压范围内其输出峰值功率都稳定在4kW。工作过程中，控制系统将通过温度传感器采样水温信号，使水温维持在设定值，即使水温检测失败，如传感器损坏使加热器持续大功率输出，当水温达到保护温度如75℃，单片机输出PWM信号将被保护电路屏蔽，加热器停止加热从而系统保证绝对安全。

其主工作流程可用下图表示：

控制器上电后，系统初始化，首先检测是否有标定命令，若没有则进入温度和电压检测。当检测电压大于200V，延时10S 后，进入正常工作状态。正常工作模式下，实时检测电压和温度信号，每隔0.1s 根据温度状态进行一次PID 控制，每隔10s，进行一次故障检测，当某故障发生多次时，进入故障模式。故障模式下1min 后才从故障模式恢复。

3、模糊控制算法

汽车空调控制器通过控制加热丝的温度和风门电机的转速来控制车内温度，加热丝电流大制热量越大，风机转速越高，车内温度响应越快，因此在汽车空调主要把加热丝电流量与风门电机作为控制对象。但纯电动汽车电池容量小，提供给空调系统的动力极为有限，因此必须通过提高汽车空调系统的效率来减轻汽车的动力负担。与一般汽车空调控制方法不同，本文在控制汽车温度同时，充分考虑了汽车的动力性。根据车内实测温度与设定温度的温差和整车电流（负载），应用模糊神经网络PID控制算法实时调节压缩机的输出功率，以达到节能和优化整车动力的目的[1]。在控制器设计中，取温度误差范围值为[-3，3]，相应的模糊论域取值为[-3，3]，量化为7个等级，其余为边界值，如记温差为E，即得出：[-3，-2，-1，0，1，2，3]，模糊子集为{PB（正大），PS（正小），Z（零），NS（负小），NB（负大）},利用matlab进行仿真，可得图。

图4　matlab仿真分析图

4、结论

电动汽车PTC水暖加热器，以电为能源，以PTC加热元件为发热体，通过加热防冻液，经由蒸发器向车内提供暖风，暖风柔和舒适，温度稳定适中，使用安全，节能高效。

[1]丁鹏,葛如海. 基于模糊控制算法的纯电动汽车空调控制器的研发[J].计算机测量与控制2015.23（12）:4079-4083.

Researchand development of a kind of heater system of pure electric vehicle

Wang Ying, Ding Peng, Gao Jian
( Wuxi Institute of Technology, Jiangsu Wuxi 214121 )

One of the important problems in the electric vehicle (EV) is how to guarantee cars’ warm performance. Conventional vehicle can use the heat generated by the engine to meet the car warm function, VE have no engine; however, need to build the new heat source. Its advantages and disadvantages have a vital influence range of EV power performance and range. This paper introduces a research and development of car heater air conditioning based on PTC material. First designed the overall structure of the air conditioning, this paper expounds the working principle of this kind of warm air system, the system are analyzed some important control method and algorithm, on the basis describes the warm wind of air conditioning of the hardware and software of the test method, finally verified the feasibility and practicality of air conditioning.

Vehicle; Heater; Conditioning; PTC

U463.61

A

1671-7988(2016)11-15-03

王莹（1988- ），女，助教，就职于无锡职业技术学院，研究方向为车辆计算机测试与控制技术。