论文部分内容阅读
摘 要：随着国家越来越重视环境工程，也大力倡导绿色出现，因此纯电动汽车是汽车未来的必然发展趋势，具有广阔的发展空间。为了给乘客带来更好的舒适感和体验感，也为了能够提升纯电动汽车的市场竞争力，配备相应的空调系统是不可缺少的。传统的汽车都是通过发动机来为空调系统提供服务的，而纯电动汽车没有发动机，如何对纯电动汽车的空调采暖系统进行设计成为当前需要研究的重点问题。本文通过对PTC水暖加热器的系统构成及其工作原理进行阐述，并对纯电动汽车PTC水暖加热器的结构设计及其控制系统进行了分析。希望能够为相关研究人员提供帮助和参考。
关键词：纯电动汽车;PTC水暖加热器;结构设计;控制系统
1 PTC水暖加热器的系统构成及其工作原理
PTC热敏电阻是PTC水暖加热器的加热元件，它是由半导体材料所构成的，其材质可分为高分子基PTC和陶瓷基PTC热敏电阻。而PTC水暖加热器系统选用的是陶瓷基PTC，这种材质具有寿命长、热效率高、无明火、恒温发热等特点。通常情况下PTC热敏电阻的电阻率与温度有很大的联系，当温度升高时，电阻率也会增大，致使加热功率降低，以此起到恒温的作用。
PTC水暖加热器的采暖系统采用的是与燃油汽车一样的加热系统，省去了改装HVAC总成的成本。此系统的主要器件有暖风散热器、水管、除气室、电动水泵、PTC水暖加热器。其中除气室具有的作用有：一是能够使系统压力降低，随着冷却液的加热系统压力会不断增強，一旦超出阈值范围，就会顶开排气室的排气阀，等排出水蒸气以后，系统压力就会随之降低。二是系统在进行水循环的时候，一旦泄露冷却液就可以用除气室中储存的冷却液来进行补充。
PTC水暖加热器的系统构成原理开关开启以后，PTC加热器会将冷却的冷却液进行加热，然后注入HVAC总成中的暖风散热器中完成热交换，而鼓风机会通过含有热量的空气为车厢输送所需的热量[1]。冷却液在完成热交换以后会再次进入加热器中进行循环工作。由于纯电动汽车的蓄电池没有较大的容量，为了降低蓄电池的损耗，保证汽车的续航能力。在车厢和加热器的进出口加设温度传感器，通过获取温度信息，使加热器的控制系统对功率进行合理的调节，在满足温度需求的基础上实现节约蓄电池能量的目的。
2 纯电动汽车PTC水暖加热器的结构设计
PTC水暖加热器在进行整体结构设计的时候是采用PTC电热管作为加热元件来进行设计的。PTC水暖加热器如图2所示，一共有10个部分共同构成，4为加热铝座，3PTC加热包组件通过工装压进4的腔内，2为连接板将多个加热包组件连接起来，通过连接板的前端铜排与7 PTC控制板连接，实现加热控制系统，1和8为上盖、侧盖镀锌板，通过密封胶，将2、3、7等密封在加热铝座内，防水等级满足IP67等级，5密封圈和6下壳体将3加热铝座底部密封构成了加热室，在加热室一侧又分别设有C进水口、D出水口能够将冷却液引到加热仓内、通过3加热包组件加热实现加热功能。PTC加热包组件是PTC水暖加热器重要组成部分，在加热铝座上依次安装多个加热包组件。冷却液通过电动水泵提供的压力从进水孔流向加热水路而进行加热。加热室中的泠却液是经过加热的，而防冻液是刚进入加热室还没有进行加热的，为了促使加热的冷却液进行循环模式中，应该在加热室中加设S型水路，当防冻液流入PTC加热仓内，在出水仓的作用下，能够使出水口将加热的冷却液排出。设计时，我们也会通过设计软件进行CAE/CFD分析模拟加热情况，设计出合理的水路系统，使PTC水暖加热器能够加快并加大处于循环状态中的冷却液的流速和流量，这样可以缩小加热器出水温度和进水温度的温差，蒸发器处于风温上升较慢的位置，使得车内的温度均匀上升，通过这种设计可以使乘客不必受到因为温度变化较大而产生的不适感。
3 PTC水暖加热器控制系统的设计
此控制系统利用温度传感器的功能把温度信息传送给MCU，在与通过设定的温度目标进行比较以后，MCU会根据提前制定的程度将温度差进行不断地调节，从而改变加热器的运行功率，这样就能促使车内温度达到事先预定好的温度，同时车内设定的温度和实际温度都会通过液晶显示屏进行实时显示。
为了使控制系统的功能得到充分的发挥，可以将控制系统分为人际交互模块、温度检测模块、CAN总线通讯模块、TGBT驱动模块、PWM模块、电源模块、MCU控制模块。
该系统的工作电压由电源模块来提供，因此可以将其称为该系统的心脏部分，缺少了电源模块整个系统都会瘫痪，所以设计一个科学合理的电源电路是十分重要的。电源模块一般有高压和低压的区分，低压部分为单片机和电动水泵以及其他芯片的上电电压提供服务，高压部分则应用在PTC加热包中。
TGBT一般应用在PTC加热包的开关部分，其具有较小的饱和压降和驱动电流等特点，所以可以在开关电源和变频器等领域进行广泛的应用[3]。而在进行PTC加热器控制系统设计的时候通过应用TGBT来控制PTC加热包的运行，使其不断的进行加热。
温度检测模块用于检测PTC加热包温度、TGBT驱动芯片温度和系统温度，然后通过单片机对采集的温度进行分析，判断是否存在温度异常的情况，同时对PWM的占空比进行调节。
CAN总线通讯模块是改系统中有一个重要的组成部分，能够将整车控制器与PTC电加热控制系统有效的结合起来，具有灵活性、实时性、可靠性等优势，在汽车领域得到了广泛的应用。
人机交互模块通常由空调系统中液晶屏输出和独立按键输入两部分组成。独立按键输入能够设置温度，通过两个按键来调节温度的大小。液晶屏输出能够显示车内实际温度和对温度进行设定，在人机交互模块中选用的液晶屏输出是LCD1602。
结束语
综上所述，PTC水暖加热器能够消耗掉纯电动汽车很大的动力电池，而纯电动车的蓄电池容量有限，为了使纯电动汽车增加汽车的续航能力，因此需要设计一款具有高节能、低消耗的PTC水暖加热采暖系统。而对该系统进行设计的时候可以将其分成两部分来实现它的功能，即控制系统和加热器结构设计。本文通过对纯电动汽车PTC水暖加热器结构进行了设计，使其具有调整车内温度、效率高、加热快等特点，在设计PTC水暖加热器控制系统的时候，通过将单片机作为控制核心，在TGBT驱动模块、PWM模块、电源模块、MCU控制模块等模块的相互配合下实现了系统控制功能，有效的实现了高节能、低消耗的目的。
参考文献：
[1]胡灿伟.机动车已成空气污染主力[J].生态经济.2016（04）
[2]佟丽蕊，张振迎，王兴国.电动汽车空调系统研究进展[J].制冷.2015（01）
[3]李海军，李旭阁，周光辉，李安桂，李亚楠.纯电动汽车超低温热泵型空调系统特性模拟研究[J].低温与超导.2014（06）
（江苏超力电器有限公司，江苏 镇江212320）
关键词：纯电动汽车;PTC水暖加热器;结构设计;控制系统
1 PTC水暖加热器的系统构成及其工作原理
PTC热敏电阻是PTC水暖加热器的加热元件，它是由半导体材料所构成的，其材质可分为高分子基PTC和陶瓷基PTC热敏电阻。而PTC水暖加热器系统选用的是陶瓷基PTC，这种材质具有寿命长、热效率高、无明火、恒温发热等特点。通常情况下PTC热敏电阻的电阻率与温度有很大的联系，当温度升高时，电阻率也会增大，致使加热功率降低，以此起到恒温的作用。
PTC水暖加热器的采暖系统采用的是与燃油汽车一样的加热系统，省去了改装HVAC总成的成本。此系统的主要器件有暖风散热器、水管、除气室、电动水泵、PTC水暖加热器。其中除气室具有的作用有：一是能够使系统压力降低，随着冷却液的加热系统压力会不断增強，一旦超出阈值范围，就会顶开排气室的排气阀，等排出水蒸气以后，系统压力就会随之降低。二是系统在进行水循环的时候，一旦泄露冷却液就可以用除气室中储存的冷却液来进行补充。
PTC水暖加热器的系统构成原理开关开启以后，PTC加热器会将冷却的冷却液进行加热，然后注入HVAC总成中的暖风散热器中完成热交换，而鼓风机会通过含有热量的空气为车厢输送所需的热量[1]。冷却液在完成热交换以后会再次进入加热器中进行循环工作。由于纯电动汽车的蓄电池没有较大的容量，为了降低蓄电池的损耗，保证汽车的续航能力。在车厢和加热器的进出口加设温度传感器，通过获取温度信息，使加热器的控制系统对功率进行合理的调节，在满足温度需求的基础上实现节约蓄电池能量的目的。
2 纯电动汽车PTC水暖加热器的结构设计
PTC水暖加热器在进行整体结构设计的时候是采用PTC电热管作为加热元件来进行设计的。PTC水暖加热器如图2所示，一共有10个部分共同构成，4为加热铝座，3PTC加热包组件通过工装压进4的腔内，2为连接板将多个加热包组件连接起来，通过连接板的前端铜排与7 PTC控制板连接，实现加热控制系统，1和8为上盖、侧盖镀锌板，通过密封胶，将2、3、7等密封在加热铝座内，防水等级满足IP67等级，5密封圈和6下壳体将3加热铝座底部密封构成了加热室，在加热室一侧又分别设有C进水口、D出水口能够将冷却液引到加热仓内、通过3加热包组件加热实现加热功能。PTC加热包组件是PTC水暖加热器重要组成部分，在加热铝座上依次安装多个加热包组件。冷却液通过电动水泵提供的压力从进水孔流向加热水路而进行加热。加热室中的泠却液是经过加热的，而防冻液是刚进入加热室还没有进行加热的，为了促使加热的冷却液进行循环模式中，应该在加热室中加设S型水路，当防冻液流入PTC加热仓内，在出水仓的作用下，能够使出水口将加热的冷却液排出。设计时，我们也会通过设计软件进行CAE/CFD分析模拟加热情况，设计出合理的水路系统，使PTC水暖加热器能够加快并加大处于循环状态中的冷却液的流速和流量，这样可以缩小加热器出水温度和进水温度的温差，蒸发器处于风温上升较慢的位置，使得车内的温度均匀上升，通过这种设计可以使乘客不必受到因为温度变化较大而产生的不适感。
3 PTC水暖加热器控制系统的设计
此控制系统利用温度传感器的功能把温度信息传送给MCU，在与通过设定的温度目标进行比较以后，MCU会根据提前制定的程度将温度差进行不断地调节，从而改变加热器的运行功率，这样就能促使车内温度达到事先预定好的温度，同时车内设定的温度和实际温度都会通过液晶显示屏进行实时显示。
为了使控制系统的功能得到充分的发挥，可以将控制系统分为人际交互模块、温度检测模块、CAN总线通讯模块、TGBT驱动模块、PWM模块、电源模块、MCU控制模块。
该系统的工作电压由电源模块来提供，因此可以将其称为该系统的心脏部分，缺少了电源模块整个系统都会瘫痪，所以设计一个科学合理的电源电路是十分重要的。电源模块一般有高压和低压的区分，低压部分为单片机和电动水泵以及其他芯片的上电电压提供服务，高压部分则应用在PTC加热包中。
TGBT一般应用在PTC加热包的开关部分，其具有较小的饱和压降和驱动电流等特点，所以可以在开关电源和变频器等领域进行广泛的应用[3]。而在进行PTC加热器控制系统设计的时候通过应用TGBT来控制PTC加热包的运行，使其不断的进行加热。
温度检测模块用于检测PTC加热包温度、TGBT驱动芯片温度和系统温度，然后通过单片机对采集的温度进行分析，判断是否存在温度异常的情况，同时对PWM的占空比进行调节。
CAN总线通讯模块是改系统中有一个重要的组成部分，能够将整车控制器与PTC电加热控制系统有效的结合起来，具有灵活性、实时性、可靠性等优势，在汽车领域得到了广泛的应用。
人机交互模块通常由空调系统中液晶屏输出和独立按键输入两部分组成。独立按键输入能够设置温度，通过两个按键来调节温度的大小。液晶屏输出能够显示车内实际温度和对温度进行设定，在人机交互模块中选用的液晶屏输出是LCD1602。
结束语
综上所述，PTC水暖加热器能够消耗掉纯电动汽车很大的动力电池，而纯电动车的蓄电池容量有限，为了使纯电动汽车增加汽车的续航能力，因此需要设计一款具有高节能、低消耗的PTC水暖加热采暖系统。而对该系统进行设计的时候可以将其分成两部分来实现它的功能，即控制系统和加热器结构设计。本文通过对纯电动汽车PTC水暖加热器结构进行了设计，使其具有调整车内温度、效率高、加热快等特点，在设计PTC水暖加热器控制系统的时候，通过将单片机作为控制核心，在TGBT驱动模块、PWM模块、电源模块、MCU控制模块等模块的相互配合下实现了系统控制功能，有效的实现了高节能、低消耗的目的。
参考文献：
[1]胡灿伟.机动车已成空气污染主力[J].生态经济.2016（04）
[2]佟丽蕊，张振迎，王兴国.电动汽车空调系统研究进展[J].制冷.2015（01）
[3]李海军，李旭阁，周光辉，李安桂，李亚楠.纯电动汽车超低温热泵型空调系统特性模拟研究[J].低温与超导.2014（06）
（江苏超力电器有限公司，江苏 镇江212320）