新能源汽车PTC加热器寿命试验方法研究

魏艳娟，吴宝松，李雅彬，郭成，刘兆雨

（广州广电计量检测股份有限公司，广州 510656）

引言

近几年来，新能源汽车的快速发展，PTC加热器作为一种用于新能源汽车辅助加热用的电热元件，具有节能、恒温、安全和热效率高等特点，被空调制热系统广泛使用。目前，新能源汽车领域对于PTC的研究主要集中在对PTC加热系统的研发，普遍认为PTC加热器是一种长寿命的器件，长期以来，一直缺乏对于其寿命的研究，也缺乏对其寿命退化特征参数的研究。本文在对产品调研分析的基础上，给出一套寿命评估试验方法。

1 PTC加热器产品介绍

PTC加热器是采用PTC热敏电阻元件为发热源的一种加热器。通常由多片并联与外围部件组合而成，其具有加热速率快、恒温、寿命长的特点。PTC加热器按材质可分为陶瓷类和有机高分子类，新能源汽车空调用通常采用陶瓷PTC加热器[1]。

电动空调加热器PTC一般包括处理器、功率模块IGBT等、电流检测传感器和隔离预驱等。控制系统通过温度传感器将温度信息传至处理器，通过目标温度和处理器温差对比来不断调节加热器功率，使车内达到设定温度。

2 PTC加热器主要失效模式及机理

PTC加热器的关键部件为热敏电阻，其主要是用于过电流、过电压、过负载及过热保护，具有较低的室温电导率、高耐压和承受大电流冲击的特性。结合目前国内各汽车主机厂生产新能源汽车陆续出现PTC烧毁事件的发生。分析发现其失效形式主要有以下几种[2-4]：

1）PTC过热：IGBT是PTC中一个重要且薄弱的元件（易高温失效），空调加热过程中IGBT过热损坏，导致PTC损坏。

2）熔断体开路：使用过程中设备温度过高，熔断体超出保持温度。

3）瓷片烧毁：PTC器件受电流冲击导致烧熔，火光剧烈可导致瓷片烧毁。

4）PTC不工作：其主要原因是回路断开，内部短路烧毁，控制器破坏等原因造成。

对于PTC加热器的失效原因总结来说主要为通电载荷、高温工作环境导致内部短路、器件温度过高烧毁。因此在PTC加热器寿命试验研究过程中应着重考虑电应力、功率载荷以及环境应力的施加来验证。

3 PTC加热器常见寿命试验方法

在PTC寿命方面，新能源汽车领域对于PTC的研究主要集中在对于PTC加热系统的研发，普遍认为PTC加热器是一种长寿命的器件，长期以来，对于其寿命研究较少，也缺乏对其性能退化特征参数表征的研究。

北京新能源汽车，BJEV 02.3002.1水暖式电加热器技术条件中，也对此类型长周期寿命试验做了规定。为验证产品具备对加热介质持续恒温加热，能够持续实现温度控制功能及出水口温度监测功能，标准要求在环境温度（23±3）℃条件下，高压侧电压为“整车理论额定电压±5 V DC”，低压侧电压 （13.5±0.1）V DC，冷却液流量 650 L/h，按照功率输出 100 %持续时间 18 h，0 %持续时间 2 h 周期进行 4 000 h循环试验。

除了专门针对PTC总成的长周期寿命试验，为了更好的保证产品可靠性，车厂通常对电子零部件寿命都有相关耐久试验的要求。比如上海汽车标准SMTC 3800001《电子电气零部件通用测试要求》中对电子零部件规定了3类寿命试验。

雷诺汽车标准36-00-802[5]给出了三种寿命试验类型：温度循环寿命试验、恒定湿热寿命试验和高温寿命试验，分别考察3种不同典型环境下寿命情况。

4 PTC加热器寿命试验

4.1试验应力与剖面

PTC加热器使用环境良好，环境因素主要为温度、湿度。其使用载荷主要为电应力、功率载荷。结合PTC主要失效模式及原因，温度应力及载荷应力是PTC故障的一个重要影响因素。根据PTC产品规范（36-05-032）[6]，确认产品载荷变化情况，得出PTC加热器在工作过程中主要以不同等级载荷来工作，试验载荷剖面如图1所示（数据见表2），设计试验应力见表1。

表1 试验条件

表2 时间步进与占空比

图1 载荷剖面

根据PTC加热器具有电阻值会随着热敏电阻本体温度的变化呈现阶跃性变化的特性，电阻是PTC产品的寿命特征参数，试验过程中应着重监控。

根据新能源汽车标准15年寿命即运行300 000 km或17 084 h，通过换算可得平均每天运行基于试验周期限制，试验运行167个循环即4 008 h，若无故障产生相当于产品寿命3.52年。

4.2试验控制

试验过程中需安装温度采集，重点关注处理器、功率管IGBT的温度数据，保存实验通讯报文，高低压输出数据等，依靠多传感器数据采集以及综合数据保存系统将实验数据按时间存储。

试验过程设备连接原理图如图2所示，其中硬件系统主要包含高低压供电模块、滤波模块、LinBus通讯模块、数据采集模块、环境加载单元等[7,8]。

图2 设备原理图

4.3检测时机与项目

每个样品每48 h检测1次,检测项目见表3所示。

表3 检测项目表

4.4试验结果分析

将PTC产品试验过程中的监控数据进行整理和数据拟合，如图3所示。

基于数据拟合结果和PTC指标阀值，计算产品可运行工作时间为14 560 h，结合新能源汽车1天运行时间约3.12 h，则运行14 560 h相当于寿命112 000 h即约12.78年。

5 结语

本文给出了新能源汽车PTC加热器的产品介绍、主要失效模式及机理，为PTC加热器进行故障分析和设计改进提供信息依据。此外本文在产品使用环境调研和产品故障分析的基础上，设计了一套用于评估PTC加热器寿命的试验方法，并对试验数据进行了拟合分析得出产品的寿命情况，本研究为新能源汽车PTC加热器寿命水平的考核验证，提供快捷有效的方法。