基于綜合應力的直流PTC電加熱可靠性試驗研究

賀春輝，盧浩賢，何林

（1.珠海格力電器股份有限公司，珠海 519070； 2.空調設備及系統運行節能國家重點實驗室，珠海 519070）

引言

可靠性試驗是通過施加典型環境應力和工作載荷的方式，用于剔除產品早期缺陷，增長或測試產品可靠性水平、檢驗產品可靠性指標、評估產品壽命指標的一種有效手段。而可靠性增長摸底試驗作為可靠性研制試驗的一種，是為了暴露產品薄弱環節，有計劃、有目標地對產品施加模擬實際使用的綜合環境應力及工作應力，用較短的時間和費用暴露產品的潛在缺陷，并及時采取糾正措施，使產品的可靠性水平得到增長[1,2]。

目前國內外部分企業、學者對常規空調用PTC電加熱可靠性及應用已做了大量研究，技術較為成熟，如：何暉[3]對常規PTC電加熱在家用空調中應用進行了相關試驗驗證，陳穎[4]對PTC在風管機中的應用安裝位置、選型等方面進行了研究；也有部分學者對電動PTC電加熱進行相關研究：如Hasan Esen等[5]提出使用PTC加熱器對混合動力汽車的客艙空氣進行加熱，但未給出具體實施方案；王景松[6]介紹了一種電動汽車上用PTC加熱器雙重保護裝置及方法，對電動汽車PTC電路設計進行了研究；而對于大功率直流高電壓供電的PTC電加熱在新能源大巴空調上應用其可靠性研究還較少，有必要進行可靠性研制試驗研究分析，使得大功率直流PTC電加熱在新能源大巴空調上使用可靠性水平得以增長。

1 直流PTC電加熱可靠性試驗設計思路

通過對市場上新能源大巴客車空調用大功率直流PTC電加熱故障數據統計和失效機理的分析，試驗應力的選擇和綜合試驗剖面的建立，進行可靠性試驗驗證、并對比數據分析，為大功率、直流PTC電加熱在新能源大巴客車空調系統上的應用提供方法。總的設計流程如圖1所示。

圖1 可靠性試驗設計思路

1.1大功率直流PTC電加熱故障模式及影響因素分析

對于新能源大巴客車空調PTC電加熱，采用新能源大巴客車電池組供電（電壓范圍DC 480 V～750 V），PTC電加熱廠家通常將限溫器通斷信號接入主板進行控制，在PTC表面安裝1個限溫器，當限溫器檢測到溫度達到保護值時限溫器自動跳開，即給控制主板斷電信號，再由主板控制對應電加熱的繼電器切斷主電路（電路原理圖如圖2），參考國標GB 4706.32-2012《家用和類似用途電器的安全 熱泵、空調器和除濕機的特殊要求》［7］第22.102帶有輔助加熱器的器具判定：具有加熱空氣的輔助電加熱器的器具應至少帶有兩個熱脫扣器；預定首先動作的熱脫扣器應是一個自復位的熱脫扣器，其他熱脫扣器應是非自復位的熱脫扣器；限溫器到保護值是間接斷開強電，一定程度上存在安全隱患。

圖2 電路原理圖

通過收集市場上直流PTC電加熱歷史故障數據分析得知其故障主要體現在以下兩方面：一是PTC限溫器保護溫度值余量不足問題，導致頻繁保護動作等影響正常使用；二是大功率直流PTC電加熱在高電壓等惡劣環境應力條件下使用易出現失效，需從這兩方面設計可靠性試驗方案進行驗證，尋找設計缺陷并加以改善。

1.2可靠性試驗應力的確定及施加方式的選取、綜合應力實驗室臺搭建

1.2.1 直流PTC電加熱器的溫度特性

陶瓷PTC是基于BaTiO3陶瓷晶體在高溫下相變而成的一種熱敏元器件，其通常是以鋁管為外殼，陶瓷PTC片作為功率發熱體，在一端或兩端均有引出棒，以鋁波紋片為散熱器, 通過硅膠粘合加工固定為一體的元器件。對于PTC效應國外較成熟的理論模型解釋有Daniels等人提出的鋇補缺位模型和Heywang提出的表面勢壘模型，具體特性為在常溫時電阻非常小，而通電后隨溫度升高電阻階躍不斷增加，在一個很小的溫度范圍內迅速增大到原來的103～105倍，迅速升至居里溫度點Tc，而后在Tc～Tp范圍內穩定運行。在干燒表面溫度升高時，因電阻增大，其對溫度的敏感性會自動調節功率而最終將溫度降到平衡點（如圖3）。

圖3 陶瓷PTC的特性曲線

常規PTC電加熱在空調器送風機出現故障或空調回風過濾器臟堵情況下，此時由于PTC干燒表面溫度最高不會太高，不容易達到周圍可燃物體的燃燒溫度點可長時間運行，可靠性和安全性較高。

1.2.2大功率直流PTC電加熱功率驗證與應力選取

按照國標GB/T 37123-2018《汽車用電驅動空調器》［8］輔助電加熱的工況溫度進行試驗，試驗選取2組5 kW直流PTC電加熱進行試驗，電加熱正常安裝在大巴空調上，內風機各風擋正常開啟PTC電加熱穩定運行時測試其功率（功率數據如圖4）。

圖4 不同電壓、風擋下功率曲線

試驗結果分析：從數據曲線可看出：相同風擋下，直流電壓越高PTC功率越高；相同電壓下PTC功率隨風檔增大而增大，大致成線性關系；故測試時優先選取功率大、發熱大的高電壓進行試驗；模擬實際安裝使用過程直流PTC電加熱存在的各種綜合應力環境條件。

1.2.3直流PTC電加熱可靠性綜合應力實驗臺建立

結合本文1.2.2測試摸底驗證情況，可模擬直流PTC電加熱實際使用的不同環境溫濕度、不同電壓、不同溫濕度、不同風擋等條件下進行試驗設計，搭建符合要求的綜合應力實驗臺（如圖5所示），同時能夠模擬實際新能源大巴客車空調安裝和運行過程中監測到的機組振動和應變情況，便于可靠性及壽命試驗的分析。

圖5 直流PTC電加熱綜合應力實驗臺原理以及實物圖

1.3可靠性研制摸底試驗剖面模型的建立及試驗過程分析

1.3.1試驗時間、試驗樣品的確定

根據我國工程經驗，對于可靠性增長摸底試驗的試驗時間取100~200 h 較為合適，統計結果表明200 h時間較為合理，本次試驗選取試驗總時間180 h左右，選取兩個廠家的不同批次試驗樣品分別安裝在整機上。

1.3.2直流PTC電壓試驗剖面的建立及限溫器保護溫度值選型驗證

根據大巴客車空調直流PTC電加熱實際使用環境條件、可開啟環境工作條件、以及維護條件制定試驗剖面（如圖6）：分別選取D、P兩個廠家的陶瓷片直流PTC電加熱，內20 ℃、外側則為機組可開啟電加熱最高溫度，電壓以本文1.2.2驗證分析可選擇的機組宣稱的最高電壓（DC750V），振動則模擬實際使用過程車輛路普進行隨機振動等綜合應力條件，同時模擬實際使用過程過濾網出現臟堵1/4、臟堵3/4回風口進行試驗；內風機風擋按照PTC可開啟的最低/中/最高風檔（機組共7檔，選擇2檔（可開啟檔位）、4檔、7檔），在限溫器受熱表面位置布熱電偶以檢測其溫度。

圖6 試驗剖面示意圖

PTC相關參數如表1。

表1 D、P廠家PTC規格

測試結果如表2。

表2 D、P廠家限溫器位置溫度數據

1.3.3試驗數據分析

測試情況從表2可以看出:

1） D廠家PTC在內風機2檔以及中風擋限溫器（或熔斷器）位置檢測的溫度均已超過保護值110 ℃，可見D廠家限溫器選型不合理，余量不足。

2） P廠家電加熱表面溫度以及限溫器位置與D廠家比較接近，正常運行以及過濾網微堵情況下（堵1/4回風口）下未達到保護值150 ℃，而模擬過濾網異常臟堵時，直到堵3/4回風口在最低風檔2檔時限溫器溫度低于保護值下偏差（保護值-10 ℃），長時間運行200 h未出現異常，可見P廠家限溫器基本能滿足要求。

1.4直流PTC電壓試驗剖面的建立及整機干燒壽命試驗驗證

1.4.1 整機干燒試驗方案設計

依據行標，PTC電加熱在1 000 h干燒衰減率小于10 %，在運行1 000 h 以后，發熱器額定輸入功率衰減率不應大于10 %[9]。重新選取D、P廠家8 kW直流PTC電加熱各一套，分別模擬實際使用狀態安裝在大巴空調上（如圖7），短接所有限溫器保護器，環境溫度內20 ℃，高電壓DC750V，模擬繼電器以及限溫器粘連電加熱得電進行干燒試驗，PTC電加熱干燒試驗運行。

圖7 電加熱整機安裝圖以及熱成像圖

1.4.2 整機干燒試驗結果數據分析

1）D廠家PTC電加熱上電運行約2 h后，熔斷體表面溫度上升至252 ℃左右，現場聞到有燒焦異味，拆電加熱發現電加熱已擊穿損壞、且底部附件海綿已融化、電加熱黑色密封膠存在融化、滴落現象（如圖8所示）；從解剖的故障件看，發現D廠家本身組裝存在瑕疵導致PTC出現擊穿,分析為PTC在此高壓、高溫綜合應力條件下長期熱量囤積、長時間干燒后導致擊穿,不符合設計要求。

圖8 D廠家故障件

2） 而P廠家PTC電加熱經過長時間干燒后溫度基本平穩，結構完好，PTC表面最高243℃，距離著火點溫度比較遠，在安全范圍內；海綿表面最高溫度113.3 ℃，PTC和海綿完好、無熔化現象。干燒后PTC電加熱衰減率在10 %以內，符合要求。

2 大功率直流PTC電加熱可靠性糾正措施

為進一步提高大功率直流PTC電加熱使用可靠性，筆者認為除去電加熱本身質量外，可以從以下兩方面加以改進：

1） 電路及其硬件方面：為避免因接觸器粘貼可能帶來的干燒問題，可在電加熱電源進出端分別安裝繼電器進行控制，同時可采用雙個限溫器方案，起到雙重保護。

2）軟件控制方面：避免電加熱干燒從軟件方面可增加防干燒控制邏輯，同時空調顯示屏上顯示故障代碼或報警，及時提醒司機及時斷電檢查、維修，避免長期熱量囤積以及PTC擊穿風險。

3 結語

本文基于可靠性試驗理論分析，通過對兩個廠家的新能源大巴客車空調用大功率直流PTC電加熱限溫器余量、整機干燒壽命試驗對比測試研究，及時發現了設計缺陷，并采取糾正措施提出了相應改進測試方法，實驗研究得出如下建議為大功率直流PTC電加熱器在新能源車大巴空調上的應用提供參考：

1）大功率直流PTC電加熱，功率電流隨著電壓和風擋升高而升高，大致成線性關系。

2）高電壓下大功率直流PTC電加熱發熱大、干燒易出現PTC擊穿質量問題，可從電路、硬件和軟件設計全面進行優化，增加多道安全保護防線，以提高其使用可靠性；適當的可以增加相關控制邏輯，即使出現干燒現象也能啟動內風機加以循環換熱，避免PTC干燒時熱量囤積而出現零部件可靠性質量問題。

3）PTC電加熱限溫器選型設計應注意保護余量要求，應模擬產品實際長時間使用過程可能出現工作條件，適當減少低檔下PTC開啟情況，可進一步降低PTC表面溫度高的風險，以確保限溫器保護值余量。