一种水热PTC加热器及其控制算法

一种水热ptc加热器及其控制算法
技术领域
1.本发明涉及加热器技术领域，具体涉及一种水热ptc加热器及其控制算法。


背景技术：

2.在地球资源逐渐减少的情况下，相对于传统的燃油汽车，作为新能源的电动汽车受到大力的推广，因而电动车所需要的ptc加热器的进步也越来越快。
3.传统汽车采用汽车发动机的冷却液作为汽车空调暖风的热来源，而对于普通的电动车，只能采用电动的ptc加热器来作为其暖风的热来源。但单纯的电动ptc加热存在着一定的风险。
4.现有水热ptc加热器工作原理为，ptc组件或者ptc发热片的热量通过传热流道将热量传递到冷却液中。因ptc片较重，为了传热快以及高强度，往往选用流道壁厚较厚的铸铝结构，或者用传统铝壳ptc组件，传热流道选用质量相对较轻的微通道铝管，通过导热胶粘接导致铝壳、铝管和胶又增加了热阻，不利于传热。因此，为了解决上述问题，需要一种水热ptc加热器及其控制算法。


技术实现要素：

5.本发明针对现有技术的不足，为解决现有水热ptc传热不好、重量重、体积大的问题，本发明通过让ptc组件和冷却液直接接触，使得本发明的ptc加热器重量更轻、传热更好、体积小。因此，提出一种水热ptc加热器及其控制算法。
6.其中，一种水热ptc加热器，具体技术方案如下：
7.一种水热ptc加热器，包括电路板，其特征在于：还包括第一壳体、第二壳体、ptc组件和盖板；
8.所述ptc组件安装在所述第二壳体中，在所述第二壳体上分别开设有进液口和出液口，所述第一壳体安装在所述第二壳体上，所述盖板安装在所述第一壳体上；
9.在所述第二壳体内底部均匀设置有限位槽，所述ptc组件包括与限位槽数量一致的ptc加热棒；
10.在所述第一壳体底部均匀设置有与所述限位槽数量一致的连接孔，环绕每个连接孔设置有闭合的密封胶槽结构；
11.该ptc加热棒的底部安装在限位槽内，在所述ptc加热棒的顶部外周设置有密封板，所述密封板贴合在所述密封胶槽结构上，在所述密封板和所述密封胶胶槽之间填充有密封组件，所述ptc组件的电极部从所述连接孔中插入连接到电路板上。
12.为更好的实现本发明，可进一步为，所述ptc加热棒包括支撑壳体，该支撑壳体一端开口，在该支撑壳体内分别安装有发热片、两块绝缘陶瓷板和电极片，两块电极片相对设置在发热片的两侧，在铝电极片的外侧分别安装有绝缘陶瓷板，在该支撑壳体的两侧分别设置有散热鳞片；
13.在所述支撑壳体的开口端外周设置有密封板，所述电极片的电极端子从所述支撑
壳体的开口端内伸出。
14.进一步地，在所述第一壳体上分别开设有高压接插槽和低压接插槽，所述高压接插件安装在所述高压接插槽中，所述低压接插件安装在所述低压接插槽中。
15.进一步地，在限位槽内设沿长度方向均匀设置有弹性凸点。
16.进一步地，所述密封胶槽为矩形结构。
17.进一步地，在电路板上设置有igbt组件，该igbt组件由igbt压板固定，所述igbt组件靠近进液口。
18.其中，一种水热ptc加热器控制算法，其特征在于：包括如下步骤：
19.s1：将控制系统中参数初始化；
20.s2：控制器分别采集到进水口温度r(k)和出水口温度c(k)；
21.s3：计算误差e(k)＝r(k)-c(k)；
22.两次误差变化量ec(k)＝e2(k)-e1(k)；
23.s4：如果控制系统判断e(k)》2℃，则进入s5，如果e(k)≤2℃，进入到步骤s7；
24.s5：控制系统通过查询模糊规则表确定输出u(k)；
25.s6：控制系统驱动igbt动作，控制ptc通断，来达到升高或降低冷却液的温度，使之在控制在e(k)≤2℃精度之内；
26.s7：；若e(k)＜1℃，则进入s8，若系统判断1℃≤e(k)≤2℃，则进入s9；
27.s8：控制系统直接计算pid控制参数得到输出u(k)，控制ptc通断，来达到升高或降低冷却液的温度，使之在保持在e(k)≤1℃精度之内，进入s10；
28.s9：则控制系统判断先进性积分器分立，令ki＝0，则进行pd控制，计算分离积分器后的pd控制参数，通过确定pd控制算出输出u(k)，控制ptc通断，来达到升高或降低冷却液的温度，使之在保持在e(k)≤1℃精度之内；
29.s10：重复s1-s9，调节ptc进水温度和出水温度，使得误差保持在1℃以内，达到控制要求。
30.本发明的有益效果为：本发明解决了现有ptc传热不好、重量重、体积大的问题，本发明让ptc组件的发热部和冷却液直接进行接触，使得ptc加热器重量更轻，传热更好，加热器的体积小。把控制规则做成一张表，只要检测系统的数量，根据查表来确定系统的控制输出即可，这样也可以增强系统的实时性。采用的pid控制算法具有结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便等优点。
附图说明
31.图1为本发明爆炸示意图；
32.图2为第一壳体结构图；
33.图3为本发明俯视图；
34.图4为图3的c-c剖视图；
35.图5为本发明去盖板结构图；
36.图6为第二壳体内部结构图；
37.图7为图6中的a放大图；
38.图8为加热棒结构图；
39.图9为整体流程图；
40.图10为e(k)、ec(k)、u(k)的隶属度函数曲线；
41.图11为模糊控制规则表；
42.图12为模糊控制系统框图；
43.图13为为采用模糊pid控制后，实测进水口和出水口各温度点的情况；
44.图中附图说明为，电路板1、盖板2、第二壳体3、第一壳体4、ptc加热棒5、支撑壳体5-1、发热片5-2、绝缘陶瓷板5-3、电极片5-4、电极保护套5-5、密封板5-6、密封胶槽6、密封组件6-1、连接孔7、限位槽8、进液口9、出液口10、igbt组件11、igbt压板12、高压接插件13、低压接插件14、散热翅片15、弹性凸点16。
具体实施方式
45.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
46.本发明的描述中，需要说明的是，术语“竖直”、“上”、“下”、“水平”等指示的方位或者位置关系为基于附图所示的方位或者位置关系，仅是为了便于描述本实用和简化描述，而不是指示或者暗示所指的装置或者元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，“第一”、“第二”、“第三”、“第四”仅用于描述目的，而不能理解为指示或者暗示相对重要性。
47.如图1至图8所示为一种水热ptc加热器的技术方案，具体如下描述：
48.一种水热ptc加热器，包括电路板1、第一壳体4、第二壳体3、ptc组件和盖板2；
49.ptc组件安装在第二壳体3中，在第二壳体3上分别开设有进液口9和出液口10，ptc组件对第二壳体3中的冷却液进行快速加热。
50.第一壳体4安装在第二壳体3上，盖板2安装在第一壳体4上；
51.在第二壳体3内底部设置有6个限位槽8，在每个限位槽8内设沿长度方向均匀设置有弹性凸点16。
52.其中，ptc组件包括6个ptc加热棒5，在第一壳体4底部均匀设置有6个连接孔7，该连接孔7采用阶梯孔结构，环绕每个连接孔7设置有矩形的密封胶槽6，在密封胶槽6内填充有密封胶。
53.其中ptc加热棒5包括支撑壳体5-1，该支撑壳体5-1一端开口，该支撑壳体5-1采用铝材料，在该支撑壳体5-1内分别安装有发热片5-2、两块绝缘陶瓷板5-3和电极片5-4，两块电极片5-4相对设置在发热片5-2的两侧，在电极片5-4的外侧分别安装有绝缘陶瓷板5-3，设置该绝缘陶瓷板5-3避免支撑壳体5-1导电，在该支撑壳体5-1的两侧分别设置有散热鳞片。该散热鳞片包括导热板和散热翅片15，该导热板固定在支撑壳体5-1，该散热翅片15倾斜设置在导热板上。在铝电极片5-4的外端上套有电极保护套5-5，该电极保护套5-5用于避免电极过长导致电极断裂。
54.在该支撑壳体5-1的开口端外周设置有密封板5-6。在组装时，ptc加热棒5的底部安装在限位槽8内，将ptc组件的电极部从连接孔7中插入连接到电路板1上；
55.由于在限位槽8内均匀设置有弹性凸台，在弹性凸台的作用下，密封板5-6完全贴合在第一壳体4的底部，在密封板5-6和密封胶胶槽6之间填充有密封胶。确保密封板5-6完全将密封胶槽6进行密封，避免冷却液进入到第一壳体4内。
56.在第一壳体4上分别开设有高压接插槽和低压接插槽，高压接插件13安装在高压接插槽中，低压接插件14安装在低压接插槽中。
57.在电路板1上设置有igbt组件11，该igbt组件11安装在绝缘导热胶垫上，该igbt组件11由igbt压板12固定，igbt组件11靠近进液口9，3个igbt组件11分组对6个ptc加热棒进行独立控制，相对传统结构，减少了汇流板结构，对结构进行简化。
58.本发明通过将ptc组件与第一壳体4内的液体直接接触，使得加热器重量轻，传热效果更好。
59.如图9至图13所示，为本发明一种水热ptc加热器控制算法的技术方案，具体如下所述：
60.一种水热ptc加热器控制算法，包括如下步骤：
61.s1：将控制系统中参数初始化；
62.s2：控制器分别采集到进水口温度r(k)和出水口温度c(k)；
63.s3：计算误差e(k)＝r(k)-c(k)；
64.两次误差变化量ec(k)＝e2(k)-e1(k)；
65.s4：如果控制系统判断e(k)》2℃，则进入s5，如果e(k)≤2℃，进入到步骤s7；
66.s5：控制系统通过查询模糊规则表确定输出u(k)；
67.s6：控制系统驱动igbt动作，控制ptc通断，来达到升高或降低冷却液的温度，使之在控制在e(k)≤2℃精度之内；
68.s7：若e(k)＜1℃，则进入s8，若系统判断1℃≤e(k)≤2℃，则进入s9；
69.s8：控制系统直接计算pid控制参数，通过确定pid控制得到输出u(k)，控制ptc通断，来达到升高或降低冷却液的温度，使之在保持在e(k)≤1℃精度之内，进入s10；
70.s9：则控制系统判断先进性积分器分立，令ki＝0，则进行pd控制，计算分离积分器后的pd控制参数，通过确定pd控制算出输出u(k)，控制ptc通断，来达到升高或降低冷却液的温度，使之在保持在e(k)≤1℃精度之内；
71.s10：重复s1-s9，调节ptc进水温度和出水温度，使得误差保持在1℃以内，达到控制要求。
72.其中s5中具体采用的模糊pid控制算法，包括如下过程：
73.s51、确定模糊语言变量。
74.需要确定的语言变量有5个：误差e(k)、误差变化e
c(k)
输入、系统输出量u(k)、进水温度值为r(k)和出水温度值为c(k)。
75.则误差e(k)＝r(k)-c(k)，取其语言变量为e，物理论域e(k)∈[-10,10]，转化为模糊离散论域e＝{-3，-2
…
, 2, 3}，则量化因子ke＝0.15。论域上模糊子集是a＝{nb，nm，ns，z，ps，pm，pb}。分别表示出水温度c(k)相对进水温度r(k)：“极高”、“很高”、“偏高”、“正好”、“偏低”、“很低”、“极低”。
[0076]
系统温度误差前后两次采样值变化量是ec(k)＝e2(k)-e1(k)，取其语言变量为ec，物理论域ec(k)＝[-1， 1]，模糊离散论域ec＝{-3，-2，-1，0， 1， 2， 3}，量化因子k
ec
＝5。论
域上的模糊子集是b＝{nb，nm，ns，z，ps，pm，pb}。分别表示当前温度变化为：“快速上升”、“上升”、“缓慢上升”、“不变”、“缓慢下降”、“下降”、“快速下降”。
[0077]
系统输出控制量u(k)，取其语言变量为u，物理论域u(k)＝[-20,20]，模糊离散论域u＝{-3，-2，-1，0， 1， 2， 3}，比例因子ku＝0.15。论域上的模糊子集是c＝{nb，nm，ns，z，ps，pm，pb}。分别表示当前igbt变化为：“多关”、“关”、“少关”、“保持”、“少开”、“开”、“多开”。
[0078]
s52、确定语言值隶属度函数。对上面各语言之给定其模糊化的隶属度函数，这里为简单起见选择三角形函数。
[0079]
s53、可以得出偏差e(k)及其变化率ec(k)与输出u(k)变量的控制规则如图7中的表。
[0080]
通过计算机实时控制中，为了减轻控制器的计算量，把控制规则做成一张表，只要检测系统的数量，根据查表来确定系统的控制输出即可，这样也可以增强系统的实时性。
[0081]
其中s9中pid控制算法如下：
[0082]
pid控制规律如式(1)所示：
[0083][0084]
式中，u(t)为控制器输出；e(t)为控制器设定值与反馈值之差；kc为控制器放大系数，及比例增益；ti为控制器积分常数；td为控制器微分时间常数。pid控制算法的思想就是调节kc、ti、td，使系统达到稳态。
[0085]
本设计中采用单片机作为控制系统的cpu，由于单片机控制是一种采样控制，需根据采样时刻的偏差值计算控制量，因此在该控制系统中，首先应对(1)式进行离散化处理，即用数字形式的差分方程代替连续系统的微积分方程，此时(1)式中积分项和微分项可用求和及增量式表示：
[0086][0087][0088]
将(2)(3)带入(1)中，便可得离散的pid表达式：
[0089][0090]
式中，δt＝t为采样周期，由采样定理可知，必须使t足够小，才能保证系统有一定的精度；e(k)为系统第k次采样时的偏差值，e(k-1)为系统第k-1次采样时的偏差值；u(k)为控制器第k次采样时的输出。
[0091]
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权
利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
[0092]
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。