新能源汽車PTC加熱器壽命試驗(yàn)方法研究

魏艷娟，吳寶松，李雅彬，郭成，劉兆雨

（廣州廣電計(jì)量檢測(cè)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(diǎn)，被空調(diào)制熱系統(tǒng)廣泛使用。目前，新能源汽車領(lǐng)域?qū)τ赑TC的研究主要集中在對(duì)PTC加熱系統(tǒng)的研發(fā)，普遍認(rèn)為PTC加熱器是一種長(zhǎng)壽命的器件，長(zhǎng)期以來，一直缺乏對(duì)于其壽命的研究，也缺乏對(duì)其壽命退化特征參數(shù)的研究。本文在對(duì)產(chǎn)品調(diào)研分析的基礎(chǔ)上，給出一套壽命評(píng)估試驗(yàn)方法。

1 PTC加熱器產(chǎn)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(lián)與外圍部件組合而成，其具有加熱速率快、恒溫、壽命長(zhǎng)的特點(diǎn)。PTC加熱器按材質(zhì)可分為陶瓷類和有機(jī)高分子類，新能源汽車空調(diào)用通常采用陶瓷PTC加熱器[1]。

電動(dòng)空調(diào)加熱器PTC一般包括處理器、功率模塊IGBT等、電流檢測(cè)傳感器和隔離預(yù)驅(qū)等。控制系統(tǒng)通過溫度傳感器將溫度信息傳至處理器，通過目標(biāo)溫度和處理器溫差對(duì)比來不斷調(diào)節(jié)加熱器功率，使車內(nèi)達(dá)到設(shè)定溫度。

2 PTC加熱器主要失效模式及機(jī)理

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

1）PTC過熱：IGBT是PTC中一個(gè)重要且薄弱的元件（易高溫失效），空調(diào)加熱過程中IGBT過熱損壞，導(dǎo)致PTC損壞。

2）熔斷體開路：使用過程中設(shè)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(dǎo)致燒熔，火光劇烈可導(dǎo)致瓷片燒毀。

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

對(duì)于PTC加熱器的失效原因總結(jié)來說主要為通電載荷、高溫工作環(huán)境導(dǎo)致內(nèi)部短路、器件溫度過高燒毀。因此在PTC加熱器壽命試驗(yàn)研究過程中應(yīng)著重考慮電應(yīng)力、功率載荷以及環(huán)境應(yīng)力的施加來驗(yàn)證。

3 PTC加熱器常見壽命試驗(yàn)方法

在PTC壽命方面，新能源汽車領(lǐng)域?qū)τ赑TC的研究主要集中在對(duì)于PTC加熱系統(tǒng)的研發(fā)，普遍認(rèn)為PTC加熱器是一種長(zhǎng)壽命的器件，長(zhǎng)期以來，對(duì)于其壽命研究較少，也缺乏對(duì)其性能退化特征參數(shù)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(shù)條件中，也對(duì)此類型長(zhǎng)周期壽命試驗(yàn)做了規(guī)定。為驗(yàn)證產(chǎn)品具備對(duì)加熱介質(zhì)持續(xù)恒溫加熱，能夠持續(xù)實(shí)現(xiàn)溫度控制功能及出水口溫度監(jiān)測(cè)功能，標(biāo)準(zhǔn)要求在環(huán)境溫度（23±3）℃條件下，高壓側(cè)電壓為“整車?yán)碚擃~定電壓±5 V DC”，低壓側(cè)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(shí)間 18 h，0 %持續(xù)時(shí)間 2 h 周期進(jìn)行 4 000 h循環(huán)試驗(yàn)。

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

雷諾汽車標(biāo)準(zhǔn)36-00-802[5]給出了三種壽命試驗(yàn)類型：溫度循環(huán)壽命試驗(yàn)、恒定濕熱壽命試驗(yàn)和高溫壽命試驗(yàn)，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(yàn)

4.1試驗(yàn)應(yīng)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(yīng)力、功率載荷。結(jié)合PTC主要失效模式及原因，溫度應(yīng)力及載荷應(yīng)力是PTC故障的一個(gè)重要影響因素。根據(jù)PTC產(chǎn)品規(guī)范（36-05-032）[6]，確認(rèn)產(chǎn)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(jí)載荷來工作，試驗(yàn)載荷剖面如圖1所示（數(shù)據(jù)見表2），設(shè)計(jì)試驗(yàn)應(yīng)力見表1。

表1 試驗(yàn)條件

表2 時(shí)間步進(jìn)與占空比

圖1 載荷剖面

根據(jù)PTC加熱器具有電阻值會(huì)隨著熱敏電阻本體溫度的變化呈現(xiàn)階躍性變化的特性，電阻是PTC產(chǎn)品的壽命特征參數(shù)，試驗(yàn)過程中應(yīng)著重監(jiān)控。

根據(jù)新能源汽車標(biāo)準(zhǔn)15年壽命即運(yùn)行300 000 km或17 084 h，通過換算可得平均每天運(yùn)行基于試驗(yàn)周期限制，試驗(yàn)運(yùn)行167個(gè)循環(huán)即4 008 h，若無故障產(chǎn)生相當(dāng)于產(chǎn)品壽命3.52年。

4.2試驗(yàn)控制

試驗(yàn)過程中需安裝溫度采集，重點(diǎn)關(guān)注處理器、功率管IGBT的溫度數(shù)據(jù)，保存實(shí)驗(yàn)通訊報(bào)文，高低壓輸出數(shù)據(jù)等，依靠多傳感器數(shù)據(jù)采集以及綜合數(shù)據(jù)保存系統(tǒng)將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)按時(shí)間存儲(chǔ)。

試驗(yàn)過程設(shè)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(shù)據(jù)采集模塊、環(huán)境加載單元等[7,8]。

圖2 設(shè)備原理圖

4.3檢測(cè)時(shí)機(jī)與項(xiàng)目

每個(gè)樣品每48 h檢測(cè)1次,檢測(cè)項(xiàng)目見表3所示。

表3 檢測(cè)項(xiàng)目表

4.4試驗(yàn)結(jié)果分析

將PTC產(chǎn)品試驗(yàn)過程中的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行整理和數(shù)據(jù)擬合，如圖3所示。

基于數(shù)據(jù)擬合結(jié)果和PTC指標(biāo)閥值，計(jì)算產(chǎn)品可運(yùn)行工作時(shí)間為14 560 h，結(jié)合新能源汽車1天運(yùn)行時(shí)間約3.12 h，則運(yùn)行14 560 h相當(dāng)于壽命112 000 h即約12.78年。

5 結(jié)語

本文給出了新能源汽車PTC加熱器的產(chǎn)品介紹、主要失效模式及機(jī)理，為PTC加熱器進(jìn)行故障分析和設(shè)計(jì)改進(jìn)提供信息依據(jù)。此外本文在產(chǎn)品使用環(huán)境調(diào)研和產(chǎn)品故障分析的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一套用于評(píng)估PTC加熱器壽命的試驗(yàn)方法，并對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了擬合分析得出產(chǎn)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(yàn)證，提供快捷有效的方法。