魏艷娟，吳寶松，李雅彬，郭成，劉兆雨

（廣州廣電計量檢測股份有限公司，廣州 510656）

引言

近幾年來，新能源汽車的快速發(fā)展，PTC加熱器作為一種用于新能源汽車輔助加熱用的電熱元件，具有節(jié)能、恒溫、安全和熱效率高等特點，被空調制熱系統(tǒng)廣泛使用。目前，新能源汽車領域對于PTC的研究主要集中在對PTC加熱系統(tǒng)的研發(fā)，普遍認為PTC加熱器是一種長壽命的器件，長期以來，一直缺乏對于其壽命的研究，也缺乏對其壽命退化特征參數的研究。本文在對產品調研分析的基礎上，給出一套壽命評估試驗方法。

1 PTC加熱器產品介紹

PTC加熱器是采用PTC熱敏電阻元件為發(fā)熱源的一種加熱器。通常由多片并聯與外圍部件組合而成，其具有加熱速率快、恒溫、壽命長的特點。PTC加熱器按材質可分為陶瓷類和有機高分子類，新能源汽車空調用通常采用陶瓷PTC加熱器[1]。

電動空調加熱器PTC一般包括處理器、功率模塊IGBT等、電流檢測傳感器和隔離預驅等?？刂葡到y(tǒng)通過溫度傳感器將溫度信息傳至處理器，通過目標溫度和處理器溫差對比來不斷調節(jié)加熱器功率，使車內達到設定溫度。

2 PTC加熱器主要失效模式及機理

PTC加熱器的關鍵部件為熱敏電阻，其主要是用于過電流、過電壓、過負載及過熱保護，具有較低的室溫電導率、高耐壓和承受大電流沖擊的特性。結合目前國內各汽車主機廠生產新能源汽車陸續(xù)出現PTC燒毀事件的發(fā)生。分析發(fā)現其失效形式主要有以下幾種[2-4]：

1）PTC過熱：IGBT是PTC中一個重要且薄弱的元件（易高溫失效），空調加熱過程中IGBT過熱損壞，導致PTC損壞。

2）熔斷體開路：使用過程中設備溫度過高，熔斷體超出保持溫度。

3）瓷片燒毀：PTC器件受電流沖擊導致燒熔，火光劇烈可導致瓷片燒毀。

4）PTC不工作：其主要原因是回路斷開，內部短路燒毀，控制器破壞等原因造成。

對于PTC加熱器的失效原因總結來說主要為通電載荷、高溫工作環(huán)境導致內部短路、器件溫度過高燒毀。因此在PTC加熱器壽命試驗研究過程中應著重考慮電應力、功率載荷以及環(huán)境應力的施加來驗證。

3 PTC加熱器常見壽命試驗方法

在PTC壽命方面，新能源汽車領域對于PTC的研究主要集中在對于PTC加熱系統(tǒng)的研發(fā)，普遍認為PTC加熱器是一種長壽命的器件，長期以來，對于其壽命研究較少，也缺乏對其性能退化特征參數表征的研究。

北京新能源汽車，BJEV 02.3002.1水暖式電加熱器技術條件中，也對此類型長周期壽命試驗做了規(guī)定。為驗證產品具備對加熱介質持續(xù)恒溫加熱，能夠持續(xù)實現溫度控制功能及出水口溫度監(jiān)測功能，標準要求在環(huán)境溫度（23±3）℃條件下，高壓側電壓為“整車理論額定電壓±5 V DC”，低壓側電壓 （13.5±0.1）V DC，冷卻液流量 650 L/h，按照功率輸出 100 %持續(xù)時間 18 h，0 %持續(xù)時間 2 h 周期進行 4 000 h循環(huán)試驗。

除了專門針對PTC總成的長周期壽命試驗，為了更好的保證產品可靠性，車廠通常對電子零部件壽命都有相關耐久試驗的要求。比如上海汽車標準SMTC 3800001《電子電氣零部件通用測試要求》中對電子零部件規(guī)定了3類壽命試驗。

雷諾汽車標準36-00-802[5]給出了三種壽命試驗類型：溫度循環(huán)壽命試驗、恒定濕熱壽命試驗和高溫壽命試驗，分別考察3種不同典型環(huán)境下壽命情況。

4 PTC加熱器壽命試驗

4.1試驗應力與剖面

PTC加熱器使用環(huán)境良好，環(huán)境因素主要為溫度、濕度。其使用載荷主要為電應力、功率載荷。結合PTC主要失效模式及原因，溫度應力及載荷應力是PTC故障的一個重要影響因素。根據PTC產品規(guī)范（36-05-032）[6]，確認產品載荷變化情況，得出PTC加熱器在工作過程中主要以不同等級載荷來工作，試驗載荷剖面如圖1所示（數據見表2），設計試驗應力見表1。

表1 試驗條件

表2 時間步進與占空比

圖1 載荷剖面

根據PTC加熱器具有電阻值會隨著熱敏電阻本體溫度的變化呈現階躍性變化的特性，電阻是PTC產品的壽命特征參數，試驗過程中應著重監(jiān)控。

根據新能源汽車標準15年壽命即運行300 000 km或17 084 h，通過換算可得平均每天運行基于試驗周期限制，試驗運行167個循環(huán)即4 008 h，若無故障產生相當于產品壽命3.52年。

4.2試驗控制

試驗過程中需安裝溫度采集，重點關注處理器、功率管IGBT的溫度數據，保存實驗通訊報文，高低壓輸出數據等，依靠多傳感器數據采集以及綜合數據保存系統(tǒng)將實驗數據按時間存儲。

試驗過程設備連接原理圖如圖2所示，其中硬件系統(tǒng)主要包含高低壓供電模塊、濾波模塊、LinBus通訊模塊、數據采集模塊、環(huán)境加載單元等[7,8]。

圖2 設備原理圖

4.3檢測時機與項目

每個樣品每48 h檢測1次,檢測項目見表3所示。

表3 檢測項目表

4.4試驗結果分析

將PTC產品試驗過程中的監(jiān)控數據進行整理和數據擬合，如圖3所示。

基于數據擬合結果和PTC指標閥值，計算產品可運行工作時間為14 560 h，結合新能源汽車1天運行時間約3.12 h，則運行14 560 h相當于壽命112 000 h即約12.78年。

5 結語

本文給出了新能源汽車PTC加熱器的產品介紹、主要失效模式及機理，為PTC加熱器進行故障分析和設計改進提供信息依據。此外本文在產品使用環(huán)境調研和產品故障分析的基礎上，設計了一套用于評估PTC加熱器壽命的試驗方法，并對試驗數據進行了擬合分析得出產品的壽命情況，本研究為新能源汽車PTC加熱器壽命水平的考核驗證，提供快捷有效的方法。