1 绪论
1.1 电动汽车加热系统简述
在能源日益枯竭，全球普遍倡导低碳环保的理念下，汽车技术开始向低碳化、信息化的方向逐步发展。随着国家颁布的低碳环保相关法律法规和《汽车与新能源汽车技术路线图》等战略提出，汽车产业的碳排放要求越来越严格，相关部门要求必须提升汽车技术创新体系，汽车及零部件产业必须持续创新，并具备国际竞争力，汽车由传统燃料驱动向电能驱动转变是可持续发展的需求[1]。2018 年 9 月，中国汽车协会发布了电动汽车相关销售量数据：8 月份全国生产量为 10 万辆，销售量为 10.1万辆，与去年同时期相比，两项数据分别增长 40%和 50%。前 8 个月总共销售 60.1万辆，同比增长 88%[2]。新能源汽车的蓬勃发展给相关产业带来巨大的机遇。
电池、电机和传动系统是电动汽车中的三大关键技术。电动汽车内部的加热系统对于电池组、发动机系统、空调系统有着不可或缺的作用。无故障的热启动能够显著提高发动机的使用寿命，在寒冷的冬季，加热系统能够不依靠发动机而给车体提供热量，提升驾驶员与乘客的在车体内部的舒适度，另一方面，车窗上的冰霜能够及时融化，驾驶员不必担心视野造成的潜在危险。相对恒定的工作温度能够使有效提升蓄电池的充放电效率，同时也能够提升蓄电池的使用寿命。众多的优势让电动汽车内部的加热系统成为无法取代的部分[3]。图 1-1 为电动汽车中常见的暖风系统与动力系统布局。
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1.2 PTCR 水暖加热系统
图 1-5 为现代电动汽车 PTC 水暖加热系统示意图，防冻液经过 PTC 加热器加热升温后，由水泵作用分别流入电池系统和空调制热系统。上述分析提到过，特别是在冬季，保证汽车电源系统工作环境的相对恒定温度，对于提高电池工作效率是非常有必要的[7]。流经蒸发器的热防冻液加热车厢内部冷空气，构成空调热系统的一部分。关于选用 PTC 材料作为发热核心组件的原因，是因为 PTC 具有很好的自控温、自恒温的优点。同时，水暖加热的方式更安全更可靠。
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2 热电耦合与流体分析理论
2.1 引言
热电耦合和流体分析是 ANSYS Workbench 仿真中两项基本模块，也是工业模型设计过程的两项重要的分析手段，本文采用有限元分析法，对 U 型管和直插型发热体进行仿真分析，本章针对具体的研究对象建立对应的数学模型，对其热力学和流体学控制方程进行推导，为后续的数值模拟作理论基础。
在对水暖加热器仿真分析的过程中，例如求解 PTC 芯片电压、功率分布等性能式需要添加导热系数，在求解系统温度分布时需要添加系统与外界之间的对流系数等，因此，在仿真之前，分析整个系统、系统与组件、组件与组件之间内在温度、流体变化机制与影响的因素就非常有必要了，一方面让读者了解为什么要导入相关参数，另一方面让作者能够对分析过程有更好的把握。
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2.2 热分析概述
热分析（ThermalAnalysis）是指用热力学参数或物理参数随温度变化的关系进行分析的方法。根据热分析，可以计算出一个系统或一个零部件的热量、温度等物理参数的分布，通过热分析理论，可以为实际生产做出指导。其在工程设计、仿真分析、实体建模等领域有着广泛的应用。
2.2.1 传热基本方式
存在热传递这种现象是由于物体之间有温度差值。当没有外部影响作用存在时，根据热力学第二定律，热量总是自动由温度较高的部分传给温度低的部分实现能量转移。根据传热方式的差异，热量传导的方式有热传导、热对流和热辐射三种[13]。
1、热传导
基本概念：两个直接接触的物体或者同一个物体不同部分间存在温度差时，且相互之间没有相对位移，依靠原子、分子等微观粒子热运动而产生的热量传递的现象称热传导。特点：物体各个部分之间没有相对位移。在导电固体中，自由电子的扩散运动引起热传递；在大部分的液体和绝缘固体中，则是通过振动能在分子之间的传递来引发导热现象；气体中则是由于分子的不规则运动而引起。
导热系数是一种物理特性参数，表示物体导热能力的大小，导热系数值越大，表示热量通过物体传递的效率越快，物体的导热性能越好。导热系数只能实际测定。一般来说，气体的导热系数最小，液体绝缘体导热系数较小，而金属的导热系数最大。
由于 ANSYS 材料库中没有 PTC 材料，这就需要我们手动建立 PTC 材料，导入其应有的物理性能参数，其中有一个重要的参数就是 PTC 材料的导热率。PTC 芯片加压发热后将热量传递给加热体外部，仿真系统通过给定的导热系数计算分析，得出加热体外部温度分布。
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3 PTCR 性能测试与可靠性分析 .............................203.1 引言 ..............................20
3.2 PTCR 伏安特性性能表征 ..............................20
3.3 PTCR 阻温特性性能表征 ............................24
4 系统仿真与实验测试 ....................................31
4.1 引言 .........................31
4.2 加热体与加热体组件模型设计 ......................31
4.3 系统与组件仿真分析 ..........................36
5 总结 ................................................54
5.1 全文总结 ........................................54
5.2 研究展望 .....................................55
4 系统仿真与实验测试
4.1 引言
仿真分析是近几年乃至未来科学研究过程中一项重要的技术手段，它在产品设计的过程中起到举足轻重的地位，能够大大缩短产品研发周期，这对于降低成本代价是无法估量的！ANSYS Workbench 仿真软件具有 Thermal-Electric、CFD 等分析功能，因此成为本课题仿真软件的首选。
本章首先介绍 ANSYS Workbench 中的建模部分 DesignModeler，通过其对 U 型管和新设计的加热器建立模型，接下来通过对 PTC 芯片、水暖加热器 U 形管、即插式发热体、新型加热水箱等模型进行仿真分析，通过导入测量材料参数、添加载荷等形式，模拟出产品在理论条件下工作的功率、热量、温度等参数分布。
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5 总结
5.1 全文总结
动力系统与暖风系统作为电动汽车中最重要的系统之一，提升其工作效率和可靠性一直是汽车生产厂商和客户希望解决的问题。水暖加热系统在提升电动汽车电池组工作效率和除霜除雾等方面起着不可替代的作用。针对现有电动汽车水暖加热器存在的问题，本文分别从理论分析、仿真分析、实验测试等方面，设计出直插式发热体与箱式水暖加热器两种新型水暖加热结构装置，同时指导现有加热器向小型化、高可靠性、高效率等方向发展更新。
首先以具体的公式从热传导、对流、辐射三个方面分析了热交换的方式，分析过程结合仿真过程中需要设置的参数。其次从耗散系数、PTC 居里温度、温度系数、芯片厚度、电极材料等角度分析了其影响加热功率的机理，得出高居里温度、高温度系数能够提高系统发热温度结论，同时芯片厚度越厚，电极材料导热系数越小，系统热传导效率越低。结合阻温测试系统和伏安特性测试系统的测量结果，选出居里温度超过 250℃，击穿电压超过 1000V 的 PTC 芯片。仿真部分通过结合影响加热功率效率的因素设计出直插型发热体与对应水箱结构模型，这种结构的显著特点体现在低水阻、高加热效率两个方面。利用 ANSYS Workbench 仿真软件对组件与加热体分别做热电耦合和流体分析仿真，仿真结果显示，高居里温度 PTC 芯片有利于提高加热体加热功率，单片功率提高 10%，直插型发热体散热效率比 U 形管高 20%。在水阻方面，仿真结果显示，箱式加热器比 U 形管降低 50%以上。在组件材料选型方面，仿真结果显示高居里温度、高导热系数均能有效提高系统发热功率，同时系统与环境之间的对流系数也会影响系统功率效率等，相关趋势曲线能在组件材料选型方面能够给用户一定的参考意见[53]。最后对 U 形管加热器做了部分测试实验，其中水压测试实验结果基本与仿真结果吻合；除霜实验很好的验证了车体除霜除雾的功能特点；可靠性实验则是针对部分改进产品进行，实验结果论证了改进建议的合理性。
参考文献（略）