【行业资讯】新能源汽车空调加热器PTC技术及市场

相较于传统汽车热管理系统,新能源汽车热管理系统与之的差别一是管理对象从座舱延伸到电池、电机电控等领域,二是其功能从单纯的降温延伸到保温、制热功能。因此,相较于传统汽车,新能源汽车热管理系统新增了电子水泵、电动压缩机、电子膨胀阀或四通阀、冷却板及制热系统(热泵或PTC 系统)等。

新能源汽车空调系统方案

燃油汽车空调系统的暖风热源主要由发动机冷却液提供,而电动汽车的暖风系统与之不同。电动汽车空调系统暖风常见的方案如下:

热泵。由传动带驱动的直流无刷电动机的电动汽车热泵式空调系统工作原理如图所示。空调系统的制冷/制热模式由四通换向阀转换,实线箭头表示制冷工况,虚线箭头表示制热工况。从原理上讲,该系统与普通的热泵空调并无区别,但是用于电动汽车上,其专门开发了双工作腔滑片压缩机、直流无刷电动机和逆变器控制系统。在热泵工况下,系统从融霜模式转为制热模式时,风道内换热器上的冷凝水将迅速蒸发,在风窗玻璃上结霜,影响驾驶的安全性。

PTC电加热器。PTC电加热器是采用PTC热敏电阻元件为发热源的一种加热器。PTC热敏电阻通常是用半导体材料制成的,它的电阻随湿度变化而急剧变化,当外界温度降低,PTC电阻值随之减小,发热量反而会相应增加。按材质可以分为陶瓷PTC热敏电阻和有机高分子PTC热敏电阻。用于空调辅助电加热器的是陶瓷PTC热敏电阻。PTC热敏电阻元件因具有随环境温度高低的变化,其电阻值随之增加或减小的变化特性,所以PTC加热器具有节能、恒温、安全和使用寿命长等特点。

图表 1  电动汽车热泵式空调系统原理

空调辅助电加热器可以分为粘接式陶瓷PTC加热器和金属PTC管状加热器。粘接式陶瓷PTC加热器是将多个陶瓷PTC芯片及铝波纹散热片用耐高温树脂胶粘接在一起的加热器,其散热性好,电气性能稳定。其中粘接式陶瓷PTC加热器又分为加热器表面带电型和加热器表面不带电型。

金属PTC管状加热器采用进口镍铁合金丝为发热材料,发热管外镶铝散热片,其散热效果非常好。加热器配用温度控制器和热熔断器,使产品使用更安全可靠。这种加热器具有PTC材料的良好特性,一些空调均采用此类加热器作为辅助加热。

余热+辅助PTC。利用大功率器件(功率变换、驱动电机、电机控制器等)工作时产生的热量,对车内环境进行热交换。当热量不足时,启用辅助PTC加热器。

新能源汽车空调能耗占整车能耗15%以上;PTC热电阻加热供暖方式能耗很大,热泵技术节能效果明显,成为替代PTC的应用趋势。国外的宝马、三菱、日产都开始采用电动涡旋压缩机的技术来进行采用,目前国内现在也有部分车型的采用,但是现在的技术水平还是处于单机的水平。

对于热泵技术,进一步提升功率密度,降低最低工作温度是下一步研发的重点,也是节能重要的手段。

电动空调加热器PTC原理

PTC电加热器是一种自动控温、省电的加热器,它是以PTC热敏陶瓷元件为发热源,以铝合金制成的波纹片为散热器,经粘、焊而组成的发热器。

电动空调加热器PTC一般包括MCU处理器、功率模块Mosfet/IGBT、隔离预驱和电流检测传感器等。控制系统通过温度传感器将温度信息传至MCU,通过与按键输入的目标温度对比MCU根据温度差按预先设定程序不断调节加热器功率,使车内温度达到设定温度水平并且在液晶屏上实时显示车内温度和设定温度。

图表 2  电动空调加热器PTC系统图

PTC加热器包括PT风加热器和PTC液体加热器两种。由于PTC液体加热器可布置在机舱内,对现有汽车的空调系统可直接沿用,在电动汽车采暖系统上应用更广泛。

图表 3  某典型PTC液体加热器工作原理

图表 4  某典型PTC空气加热器工作原理

PTC应用前景

2009年电动汽车以来,采用PTC加热器的居多。从前几年上市的电动汽车(主要指乘用车)普遍使用PTC水加热器系统或PTC风加热器系统来实现采暖功能。

图表 5  PTC风加热器

图表 6  PTC水加热器

对于纯电动车来说,一般使用PTC风加热,此种方式只需要将传统汽车空调暖风芯体替换为PTC风加热器,再辅以必要的控制设备,就能直接运用到电动汽车上。

插电式混合动力汽车一般使用PTC水加热器,此种方式使用传统汽车空调暖风芯体与PTC水加热器串联,通过PTC水加热器的液体加热后提供与空调暖风芯体,空气通过暖风芯体被加热使出风温度升高后直接吹入车内,实现车内采暖功能.

然而,PTC加热冬天采暖时对动力电池的消耗极大,严重缩短了电动汽车的续驶里程。因此目前很多解决方案采用热泵系统实现空调制热,热效率可以得到显著提高。

目前,国内电动汽车的空调系统方案现状为:系统设计较为简单,一方面受技术的影响,越复杂的系统,优化控制难度更大,热泵系统在新能源汽车(乘用车)上的应用还处于研究及前期应用阶段;另一方面,系统的复杂程度也会导致成本的增加。

笔者分析对比了国内外重点车型空调系统解决方案总结出:在空调采暖方面,国内电动车的开发多是基于传统车来进行的改制,所以较多使有PTC加热冷却液的方式来进行空调系统的开发。所以PTC液体加热器是一直以来最主要的解决方案。

随着电控技术在热管理上的大量使用,电动汽车热管理开发会更注重考虑电动汽车整体特性,将热管理与驱动系统热管理联合设计考虑将成为今后的重点趋势。

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