小型斷路器確保電動車加熱器安全(1)

供稿單位: Bourns
2023 年 12 月 04 日

加熱系統正快速成為目前大多數車型的標準配備。在電動車中,這些系統通常由加熱元件和/或電子控制裝置供電。由於製造商專注於能源效率的優化,這為有效的「溫度管理」增加挑戰。

電動車的發展帶來了更多設計上的挑戰,需要新的技術來支援電動車許多極端環境下的可靠運作、遵守越來越嚴格的排放法規,以及研擬出更好解決方案來符合不斷發展中的標準。隨著消費者對車內舒適性的要求不斷增加,這些挑戰變得越來越複雜。

由於電動車沒有內燃機(ICE)作為熱源,電動車設計人員需要尋找其他加熱方法。他們選擇的加熱方法必須能夠為乘客,提供可靠、安全且舒適的車內系統,且需有除霜功能來提高能見度,同時盡量延長電池的壽命和效能。

用來加熱方向盤、座椅、面板、感測器、後照鏡和電池的系統正快速成為目前大多數車型的標準配備。在電動車中,這些系統通常由加熱元件和/或電子控制裝置供電,目的在提供宜人且舒適的表面溫度。例如,可以將一個長條的加熱元件放置在座椅材料的下方,當啟動電源時,電流會加熱該元件,進而加熱座椅。由於製造商專注於能源效率的優化,這為有效的「溫度管理」增加了挑戰,包括取代傳統過熱保護解決方案。

隨著使用者對於高階汽車座椅舒適性的要求與日俱增,精準的溫度測量和保護是非常重要的設計元素。而上述需求優化攸關能源效率,且在加熱元件故障時,可確保駕駛和乘客的安全。一級和二級的過熱保護是必要的,可以防止潛在的危險短路,因為這些短路可能導致車輛損壞,且可能傷害駕駛或乘客。

加熱器電路

加熱器設計有多種選擇,因為必須考量諸多因素,例如額定功率、瓦特密度和所需的表面溫度。為此,加熱器的電路沒有固定的設計。溫度控制方法也有很大的差異,從恆溫器控制到使用溫度感測器(例如NTC熱敏電阻、PTC熱敏電阻和RTD)、控制IC和開關MOSFET等這類更複雜的控制。一些加熱器設計人員亦選擇使用溫度保護電路,來提供備援的安全保護,例如單熔斷溫度保險絲和恆溫器。其中,與人體接觸的電路,例如座椅加熱器和方向盤加熱器,尤其重要。圖1是這類電路的一個例子。

圖1 使用兩個恆溫器的加熱器電路。恆溫器A:溫度控制;恆溫器 B:溫度保護

在加熱器的設計上,尚未確定理想電路結構的其中一個主要原因,是許多現有的解決方案都存在著潛在的風險。通常來說,加熱器的控制採用雙金屬恆溫器形式,或是近期的NTC熱敏電阻和功率MOSFET(圖2)。採用溫度感測器、控制IC和功率MOSFET的電路可將電路控制在預定的溫度標準,以提高能能源效率。然而,汽車應用中的MOSFET可能帶來某些熱不穩定風險,在最糟糕的情況下,可能會發生異常、故障或導致失敗。使用單熔斷熱保險絲的電路,可能在組裝過程中或在維修時動作(跳脫),且更換成本昂貴。使用帶引線的連接元件代替貼片安裝元件,可以在難以到達的位置提供控制和保護,但由於手動安裝所產生的差異,組裝和維護成本可能會很昂貴。

圖2 使用ECU加上NTC的加熱器電路。NTC為溫度監控,無溫度保護裝置

 

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