摘要 混合動力車和電動車由于發(fā)動機要頻繁在高效率區(qū)運行，由于在純電力驅(qū)動情況下發(fā)動機不能作為熱源使用時，車輛就會發(fā)生沒有熱源的問題。特別是對于駕駛室的溫度調(diào)節(jié)，需要額外的熱源來保證舒適性與安全性。為了使電力驅(qū)動的續(xù)駛里程最大化和提高燃油效率，需要在動力蓄電池耗電最少的情況下，快速、高效和安全地生成熱量。Webasto公司基于1種獲專利的新熱層技術(shù)開發(fā)了新型高電壓加熱器。介紹了為達到該項目目標的設計理念和研發(fā)結(jié)果。 關(guān)鍵詞：動力電池 加熱器 廢熱利用

0 前言

汽車行業(yè)中向電力驅(qū)動和電氣動力總成發(fā)展的趨勢催生了種類繁多的車輛概念。從輕度混合動力到全混合動力、增程器和純電動車，電氣化程度在逐漸提高，同時內(nèi)燃機的應用在下降。隨著發(fā)動機的不斷優(yōu)化、先進的控制策略推出，以及越來越多的電動駕駛，由發(fā)動機或其他裝置產(chǎn)生的廢熱導致可用于駕駛室或動力蓄電池溫度調(diào)節(jié)的熱量不足，各種電氣化車輛對熱量需求的依賴度如表1所示。

表1各種電氣化車輛對熱量需求的依賴度

1 車輛加熱的功能和目的

1.1 主要的功能和目的

駕駛室加熱是確保車輛安全及舒適行駛的1個重要功能。除了駕駛室舒適性和車內(nèi)的溫度以外，空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)（HVAC）還必須確保包括滿足法規(guī)要求在內(nèi)的某些功能，如根據(jù)歐洲法規(guī)672/2010和美國聯(lián)邦機動車輛安全標準FMVSS103的規(guī)定，必須在20 min后除去擋風玻璃上80%以上的冰。除霜和去濕是法規(guī)要求的另外2項功能。駕駛室的良好調(diào)溫是舒適性和安全性的基礎，這也是保證駕駛不受影響的重要因素。

1.2 性能指標

對加熱器的主要要求隨汽車的用途而定，概括如下因素：（1）效率最高；（2）成本較低或比較合理；（3）反應時間快速，可控性好；（4）封裝尺寸盡可能最小化和質(zhì)量輕；（5）可靠性好；（6）可持續(xù)性和環(huán)保性好。

1.3 加熱概念

總的來說，熱概念可以分為主要熱源和次要熱源。主要熱源是能產(chǎn)生駕駛室調(diào)溫所需的2 kW以上熱量的熱源。次要熱源產(chǎn)生的熱量在2 kW以下，通常將其熱量導向特定的部位，如座椅加熱器。

1.3.1空氣加熱器與水加熱系統(tǒng)

加熱系統(tǒng)可分為2種主要的類別，它取決于燃料類加熱器還是電加熱器實現(xiàn)的加熱： （1） 直接加熱空氣的空氣加熱器，它能使駕駛室快速升溫；（2）使用冷卻液作為媒介熱量載體的水加熱器，它能更好地分配熱量并集成在HVAC中。

過去，混合動力車和電動車中引入了燃用燃料的加熱器，其較低的電力消耗可使電能用于車輛行駛，而不是用于加熱。因為在冬季使用電加熱器會使電力驅(qū)動的續(xù)航里程縮短約50%，因此人們通常選擇燃料加熱方法。

然而，對無排放車輛系統(tǒng)的需求使得人們必須尋找其他加熱方案，其中電加熱器概念就是1種可行的解決方案。

1.3.2電加熱器概念

在開發(fā)之前，對現(xiàn)有和潛在的幾種技術(shù)（如線繞電阻或正溫度系數(shù)（PTC）加熱）進行了分析。對4項主要的開發(fā)目標進行了評估，并針對這些目標對幾種潛在的技術(shù)進行了比較：（1）在效率方面，新的加熱器必須是高效的，它應能在較寬的冷卻液溫度范圍內(nèi)和所有的電壓下提供所需的熱量輸出；

（2）在質(zhì)量和尺寸方面，新型加熱器必須做到尺寸盡可能小，質(zhì)量盡可能輕；

（3）在使用性和成本方面，必須避免使用稀土材料和Pb，同時，新產(chǎn)品的成本必須有競爭力；

（4）在安全性方面，在所有的條件下都必須防止任何觸電危險或者燙傷事故。

在現(xiàn)有的汽車用電加熱器概念中，最流行的是采用由溫度系數(shù)為正值的鈦酸鋇(BaTiO3)制成的電阻器的PTC加熱器。為此，對其工作原理的若干細節(jié)進行了說明，并將它與按高電壓加熱器HVH開發(fā)的層狀加熱器進行了對比。

圖1所示為PTC元件的電阻隨溫度的變化曲線，并將它與HVH的電阻溫度曲線作了比較。

圖1 基于BaTiO3的PTC元件和HVH熱層技術(shù)的電阻隨溫度變化的關(guān)系

圖中表明，PTC元件具有非常明顯的非線性特性，在較低的溫度下電阻減小，之后溫度升高時電阻陡增。這一特性會導致在施加電壓時發(fā)生電流的自我限制。雖然PTC元件的自限制特性在某些方面能使系統(tǒng)的設計，特別是故障模式的系統(tǒng)設計較為容易，但它還是有某些固有的缺陷，其中主要的缺陷包括：（1）當PTC溫度超過120℃時，需要摻雜Pb。為了確保在封裝尺寸較小的情況下能快速傳熱，在應用汽車冷卻液加熱器時，PTC元件需要在必須摻雜Pb的溫度范圍內(nèi)工作；（2）稀土金屬La的應用對于PTC來說是十分常見的；（3）通電時會產(chǎn)生較高起動電流的非線性電阻/溫度曲線，再加上PTC元件較高的熱阻，使得PTC加熱器的響應時間相對較慢；（4）由于PTC溫度較低，會導致傳遞到冷卻液的熱量較少，因而隨著冷卻液溫度升高，熱性能會降低；（5）當PTC溫度變小時，熱性能會隨著電壓降低而降低，從而限制了傳熱。（6）由于PTC元件的溫度與施加的電壓直接相關(guān)，在部分負荷時很難進行控制。

2 新型高電壓加熱器原理

初步評估和預開發(fā)的結(jié)果表明，1種新的電加熱器概念必須滿足為電加熱器設定的所有目標。

2.1 熱層原理

根據(jù)對幾種加熱器技術(shù)進行分析所得的結(jié)果，層狀加熱器概念被選定為最富前景的加熱器概念，它既能實現(xiàn)較高的效率，又能集成為1種尺寸小、質(zhì)量輕的加熱單元。

熱層的一般結(jié)構(gòu)如圖2所示。采用熱噴涂方法將電隔離層、熱層和傳感器元件涂覆在鋁質(zhì)熱交換器上，這些覆層的總厚度大約為0.7 mm。由于這些覆層是均勻地噴涂在熱交換器上且粘合牢固，因而可以在整個熱交換器的表面實現(xiàn)非常均質(zhì)的熱量分布，從而能均勻地傳熱。

圖2 熱層技術(shù)的結(jié)構(gòu)

熱層原理在非汽車應用領(lǐng)域已經(jīng)是1種成熟的技術(shù)。主要在消費類電器行業(yè)應用，它已經(jīng)被應用于洗碗機和洗衣機中。

這項獲專利的適用于汽車的技術(shù)方案其主要創(chuàng)新點是采用了熱噴涂工藝，它能使幾個覆層牢固地粘接在基礎材料上。它能實現(xiàn)非常薄的覆層以高粘性和最小的熱阻相互粘合連接，如圖3所示。

圖3 熱層技術(shù)與現(xiàn)有技術(shù)（如線繞電阻或PTC加熱器）的溫度定性比較

與PTC加熱器采用的緊配合相比，熱層技術(shù)的熱量傳遞速度更快，由于熱阻較低，熱元件本身可以在較低的溫度下工作。圖3中顯示了線繞電阻加熱技術(shù)的特性，其溫度上升到了800~900℃。與線繞電阻加熱技術(shù)相比，PTC的熱阻與之相似，但可達到的最高溫度較低。這兩種技術(shù)及其特性與熱層技術(shù)正好相反，熱層技術(shù)的熱阻明顯更低，因而允許更低的最高溫度。

與此同時，熱層概念能使外表面與熱交換器之間實現(xiàn)高度的絕熱（圖4）。這是實現(xiàn)較高傳熱效率的重要因素之一。

圖4 在最高冷卻液溫度和最大功率下工作時外罩和熱交換器的熱量分布

2.2 熱層的電氣特性和系統(tǒng)配置

HVH中所用的熱層所起的作用就像1個普通電阻器，它產(chǎn)生的熱量與施加的電壓之間呈平方關(guān)系。因此，隨著電壓的增加，如果不安裝限制功率的機構(gòu)，電功率將會增大。這與PTC加熱器正好相反，后者具有隨著電壓增加的固有限制特性。

2.2.1安全目標

根據(jù)按ISO 26262標準進行的故障和風險詳細分析，確定了HVH的主要安全目標為無電擊和無過熱現(xiàn)象。

因此，在整個設計和開發(fā)階段應對此十分注意，以確保在HVH的所有工作條件下都能滿足這些安全目標。

通過一些容易利用的措施，諸如采取高電壓側(cè)和低電壓側(cè)的電絕緣、基礎絕緣和電位補償?shù)却胧﹣眍A防電擊。

由于在工作溫度范圍內(nèi)加熱層的電阻近乎恒定，如果不采取某種控制手段的話，HVH的電功率勢能和生成的熱量將會隨電壓的升高而快速、成比例地增加。一方面，由于在整個工作范圍內(nèi)產(chǎn)生的熱量不受施加的電壓或冷卻液溫度的限制，這是HVH的主要優(yōu)點之一。另一方面，HVH工作不受控制將會產(chǎn)生高溫，且可能會超過HVH的溫度限值。因此，HVH的主要挑戰(zhàn)之一是要開發(fā)一種能在所有情況下防止不受控制熱量生成的系統(tǒng)配置。下列章節(jié)將介紹幾種主要的電子保護機制。

2.2.2預防不受控制的熱量產(chǎn)生

主要的保護機制可分為以下幾類：（1）確保冷卻液溫度的穩(wěn)定控制；（2）可靠地檢測HVH所有相關(guān)零件的電流、電壓和溫度過載；（3）在檢測到過載的情況下，快速、安全地轉(zhuǎn)換到安全狀態(tài)。

用1個脈沖寬度調(diào)制（PWM）控制的電源開關(guān)控制通過熱層所需的功率。以高切換頻率用1個DC-Link電容器使電壓保持平穩(wěn)。出于備用原因，設置了1個附加的電源開關(guān)。它能使高電壓回路斷路，即使其中的1個電源開關(guān)短路，它也能將HVH帶入安全的狀態(tài)。

HVH采用冷卻液輸出的溫度信號作為控制冷卻液溫度的主要輸入。為了防止在可能出現(xiàn)的故障模式中發(fā)生過熱，額外安裝了幾個溫度、電壓和電流傳感器。

如果這些傳感器中的任何1個超過了規(guī)定的閾值，硬件邏輯線路將立即檢測到這一信息并關(guān)閉與微控制器無關(guān)的電源開關(guān)。通過這些措施，一旦檢測到潛在的過熱，HVH始終能回到安全的狀態(tài)。

由于直接涂覆的傳熱層非常薄（0.7 mm），熱交換器表面與冷卻液之間的溫度差值相當?。▓D4），這就允許將過熱傳感器標定為稍稍大于系統(tǒng)的最大冷卻液溫度（120 ℃）（表2）。當溫度低于過熱或過熱狀態(tài)下會發(fā)生損壞的溫度水平時，該標定溫度是安全的。在冷卻系統(tǒng)經(jīng)受冷卻液或冷卻液流損失時，該技術(shù)的這一特性還能提供非?？斓捻憫獣r間。

2.2.3HVH的性能

在整個開發(fā)期間，對這種新型熱層技術(shù)的性能進行了驗證，并確證了它相對于傳統(tǒng)加熱系統(tǒng)（如PTC加熱器）所具有的優(yōu)點。它與現(xiàn)有加熱器系統(tǒng)相比，主要性能改善可概括如下：（1）與PTC相比無起動電流；（2）提高電壓或冷卻液溫度時無功率限制；（3）從工作開始電壓和電流就很穩(wěn)定，電壓和電流的脈動非常??；（4）電氣和熱響應時間非常短；（5）在整個工作范圍內(nèi)功率/電流呈線性控制。

圖5是在1輛電動車上測得的通電時和通電后HVH與PTC加熱器的電力特性比較。上述HVH的優(yōu)點得到了確認。與PTC加熱器相比，HVH無起動電流，響應時間非?？欤覜]有功率限制。

由于優(yōu)化了熱交換器的形狀，使其暴露在外面的表面最少，并使外罩與熱交換器之間隔熱，因而HVH達到了近99%的轉(zhuǎn)換效率。這一效率由1家德國的獨立實驗室進行了驗證（圖6）。在該試驗中，HVH自身暴露于-10 ℃的在零空氣流速下氣溫中。

圖5 在車輛應用中測得的HVH與PTC加熱器的電力接通特性（起動條件： 冷卻液入口溫度-20℃，與車輛HVAC的設置相同）

圖6 由獨立德國實驗室測得的HVH轉(zhuǎn)換效率（空氣溫度-10℃，冷卻液溫度75℃，冷卻液流量10 L/min，空氣流量240 kg/h）

高轉(zhuǎn)換效率和快速響應時間的正面效果在車輛上測定時得到了驗證。如圖7所示，與安裝在車輛上的PTC加熱器相比，HVH達到60℃參比溫度的時間幾乎要減少一半（270 s與500 s），并且消耗的電能減少40%（0.28 kW·h與0.48 kW·h）。這一差異是由于HVH的通電響應快（即實際上能立刻達到目標功率水平），以及貼近冷卻液的加熱層較薄的緣故。相比之下，PTC加熱器則由于電阻會發(fā)生變化，以及PTC與冷卻液之間的熱質(zhì)量較大，而出現(xiàn)通電響應時間延遲。該試驗中冷卻液流量設定為270 L/h。

圖7 在實際車輛上應用時，HVH與PTC加熱器冷卻液升溫特性的比較

2.3 技術(shù)數(shù)據(jù)匯總

新開發(fā)加熱器的主要特性如表2所示。加熱器的長、寬、高尺寸為284 mm、200 mm、54 mm，體積為1 700 mL、質(zhì)量為2 kg，基于熱層技術(shù)的HVH是最小的加熱器，它能在-40~90℃的整個冷卻液溫度范圍內(nèi)產(chǎn)生5 kW的熱量，并能夠使最高溫度升到高達120℃。PWM控制的單元允許在250~450V的電壓范圍內(nèi)對熱量輸出以50 W的步長從200 W調(diào)節(jié)到5 kW。

表2 HVH的主要規(guī)格匯總

3 結(jié)語

總結(jié)來說，開發(fā)了1種適合汽車應用的新型高電壓加熱器，采用了直接熱噴涂的薄膜電阻加熱層技術(shù)。這一技術(shù)能使冷卻液實現(xiàn)非?？焖俸蜏蚀_控制的加熱。在緊湊而輕量的設計中還包括了備用的機械安全系統(tǒng)、硬件，以及安全系統(tǒng)。

新型熱層技術(shù)具有相當扁平的結(jié)構(gòu)，并能直接涂覆在熱交換器上，它能為汽車取暖領(lǐng)域帶來各種有前景的應用機會，且能不局限于目前應用中采用的形狀或幾何結(jié)構(gòu)。該項新技術(shù)將會首次在量產(chǎn)乘用車上應用。

該項術(shù)可以應用于諸多場合，它的外形尺寸與熱量需求、所需的供熱位置或供熱目的無關(guān)。目前正在對其中幾種可能性對進行評估。

通過這些評估，主要想推出幾種可供選擇的技術(shù)方案，如改變工作電壓范圍和熱量輸出水平。除此之外，將熱層技術(shù)應用于空氣加熱器的方案無疑也是另一種選擇。