通過強(qiáng)化柔性導(dǎo)線的性能提高汽車座椅加熱系統(tǒng)的安全性和功能

魯棒的布線、熱監(jiān)測(cè)和控制能夠避免導(dǎo)線斷裂、阻燃并防止火災(zāi)，但是，所需要的設(shè)計(jì)工程方法卻常常與直覺背道而馳。

汽車電子布線的作用除了把電源或控制及傳感器信號(hào)從汽車內(nèi)的一點(diǎn)連接到另外一點(diǎn)之外，其中一種應(yīng)用就是座椅加熱器的布線。如果在這個(gè)部位出故障，就可能導(dǎo)致座椅無法加熱或者引起燃燒和火災(zāi)。為座椅加熱器設(shè)計(jì)一種加熱導(dǎo)線面臨許多挑戰(zhàn)，首要挑戰(zhàn)就是機(jī)械可撓性和溫度控制，目前最常用的兩種材料是碳酸纖維和純銅線束。

導(dǎo)線的絕緣材料有氟樹脂和搪瓷。典型情況下，導(dǎo)線要密封在一種纖維/泡沫塑料之中，以在導(dǎo)線的兩邊創(chuàng)建外殼，最后，通常用粘合劑保護(hù)起來。

導(dǎo)線的動(dòng)態(tài)特性

乘員進(jìn)出座位的過程中需要在側(cè)墊上滑動(dòng)，這個(gè)動(dòng)作對(duì)側(cè)墊的內(nèi)部加熱導(dǎo)線產(chǎn)生一種漸進(jìn)的摩擦和刮擦，誘導(dǎo)出相當(dāng)大的壓力。在座位中翹曲和挪動(dòng)的人也會(huì)對(duì)導(dǎo)線產(chǎn)生壓力。

對(duì)于金屬導(dǎo)線，邏輯上建議采用橫截面積大的導(dǎo)線，拉力越大，伸縮性能就越強(qiáng)。任何解決方案都不能脫離實(shí)際。

拉力很重要，但是，導(dǎo)線的柔軟性也同等重要。在現(xiàn)有采用純銅線的座椅加熱器中可以看到這一點(diǎn)。這樣的加熱器由許多直徑很小的導(dǎo)線綁在一起而構(gòu)成，這些較細(xì)的導(dǎo)線比具有同樣電阻的粗導(dǎo)線更為柔軟；不幸的是，導(dǎo)線繩因在縱向擰成，其柔軟性不夠優(yōu)化。

為此，要把導(dǎo)線的設(shè)計(jì)調(diào)整為圍繞柔性線芯來螺旋纏繞導(dǎo)線。這種纏繞方法增強(qiáng)了導(dǎo)線的柔軟性，極大地提高了導(dǎo)線的動(dòng)態(tài)性能。螺旋纏繞的導(dǎo)線的性能比純導(dǎo)線的性能提高了10倍。

熱電纜具有其自身的柔性測(cè)試方法(見下圖)。這種測(cè)試的目標(biāo)是在努力設(shè)計(jì)螺旋纏繞導(dǎo)線的過程中應(yīng)用更為魯棒和嚴(yán)格的測(cè)試，使之適合于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際使用環(huán)境對(duì)動(dòng)態(tài)性能的要求。這種測(cè)試已經(jīng)被添加到國際電子技術(shù)委員會(huì)(IEC)測(cè)試規(guī)范之中。

下圖所示為導(dǎo)線開始著火的一張座椅的例子。防止這些座椅著火的第一步是提高導(dǎo)線的簡單機(jī)械能力，使之達(dá)到經(jīng)重復(fù)彎曲而不過早斷列的性能。第二步是精確地監(jiān)測(cè)導(dǎo)線的溫度。

過熱保護(hù)

通過單一溫度調(diào)節(jié)裝置，可以控制現(xiàn)有座椅加熱器內(nèi)的加熱導(dǎo)線。毫無疑問，單一溫度調(diào)節(jié)裝置的“熱檢測(cè)面積”是有限的，特別是在本地過熱熱點(diǎn)出現(xiàn)的位置遠(yuǎn)離溫度調(diào)節(jié)裝置的情況下。

為了簡化過熱保護(hù)，可能要采用溫度傳感聚合體；這種溫度傳感聚合體會(huì)在預(yù)先設(shè)定的、比座椅的燃燒溫度要低的溫度熔斷。傳統(tǒng)上，人們采用熔斷層來創(chuàng)建一個(gè)極低的電阻，該電阻從電源吸取大量電流并燒斷保險(xiǎn)費(fèi)。然而，為了達(dá)到座椅加熱所需要的電阻，要并聯(lián)附加兩個(gè)螺旋纏繞的單元線。在這種情況下，熔斷層不再引起電流的增加，因?yàn)閮蓚€(gè)導(dǎo)線之間的電壓與每一個(gè)導(dǎo)線上的每一點(diǎn)的電壓相同。

為了有效地利用熔斷層，要暫時(shí)切斷兩導(dǎo)線之間的連接，僅僅留出并聯(lián)電阻一端的結(jié)合點(diǎn)附加到電源上。如果在此期間監(jiān)測(cè)到電流流過結(jié)合點(diǎn)，那么，它應(yīng)該比正常數(shù)值要小得多；在可熔斷層熔斷的情形下，如果吸取的電流仍然較高，那么，就表示出現(xiàn)了過熱的情形。

溫度監(jiān)測(cè)

通過采用也是熱敏電阻的導(dǎo)線，可以精確地控制溫度。因此，溫度傳感可以在導(dǎo)線本身上被測(cè)量出。下圖顯示了具有NTC熱敏電阻層的螺旋纏繞的導(dǎo)線(負(fù)溫度系數(shù))。

該導(dǎo)線具有兩個(gè)已加熱的、由一個(gè)NTC熱敏電阻塑料材料隔離的電路。NTC層具有兩個(gè)功能：

1. 監(jiān)測(cè)整個(gè)溫度

2. 檢測(cè)熱點(diǎn)

在設(shè)計(jì)反饋傳感器導(dǎo)線的過程中，要考慮的重要一點(diǎn)是熱敏電阻聚合體的長期穩(wěn)定性。控制模塊的電子電路從具有窄帶容差的導(dǎo)線重復(fù)地接收一致的信號(hào)是至關(guān)重要的。這種一致性是通過采用受控加工工藝技術(shù)對(duì)熱敏電阻聚合體的加工而實(shí)現(xiàn)的。

NTC和PTC(正溫度系數(shù))技術(shù)容許控制器分別確定過熱局部面積和平均元件溫度。但是，這種依賴于溫度變化的技術(shù)會(huì)造成電阻產(chǎn)生可重復(fù)和可預(yù)見的變化。在低頻時(shí)。NTC隔離層可以采用多個(gè)并聯(lián)電阻來建模，如下圖所示。

每一個(gè)電阻的數(shù)值以算術(shù)函數(shù)的形式所溫度變化。因此，如果兩個(gè)導(dǎo)線由它們之間的一層NTC材料電阻隔離，那么，就可以采用下列等式計(jì)算兩導(dǎo)線之間的電阻： 

其中，a和b是常數(shù)，取決于NTC材料的用量、導(dǎo)線之間的接觸表面積、NTC材料和單位長度，其中T是NTC材料的溫度。整個(gè)NTC電阻是所有單位長度總和的倒數(shù)。

當(dāng)電阻并聯(lián)時(shí)，如果電阻具有比其它電阻低得多的電阻，那么，總電阻可以被近似為最低電阻。

因此可見，如果NTC材料的一部分的溫度增加，那么，兩導(dǎo)線之間的整個(gè)電阻的溫度就大約等于NTC材料最熱那部分的電阻。對(duì)于由NTC材料構(gòu)成的短線(即小于20m)，單元線(例如小于0.5米)的一小段溫度升高了30度，那么，就會(huì)對(duì)整個(gè)NTC材料導(dǎo)線的電阻產(chǎn)生顯著的影響。因此，通過監(jiān)測(cè)NTC隔離層的電阻，如果電阻的數(shù)值大幅度減少的話，控制器就可以確定本地存在溫度上升的過熱區(qū)域。

測(cè)量NTC的電阻

有可能采用幾種方法來測(cè)量NTC的電阻，其優(yōu)勢(shì)各有不同，在設(shè)計(jì)這種電路的時(shí)候，需要考慮采用哪種方法。首先，要注意低溫時(shí)NTC材料的固有電阻非常高，是幾十兆歐數(shù)量級(jí)；根據(jù)歐姆定律，在低壓時(shí)(如汽車應(yīng)用中的12V)該固有電阻等于通過隔離層的非常低的電流。例如，如果NTC隔離層的電阻在20度時(shí)為30兆歐，那么，在12V時(shí)流過隔離層的電流為0.4mA。測(cè)量NTC電阻的一種方法是采用不同的放大器和具有NTC層的小數(shù)值串聯(lián)電阻(見下圖)。 
 

還有一種測(cè)量NTC電阻的方法，那就是創(chuàng)建一個(gè)RC濾波器，其中固定電容與NTC電阻串聯(lián)。隨著NTC層的電阻的改變，濾波器的轉(zhuǎn)移函數(shù)將相應(yīng)地改變。

因此，對(duì)于合適頻率的交流信號(hào)(當(dāng)NTC材料工作于20度時(shí)，接近濾波器的截止頻率)，隨著NTC材料溫度的增加，根據(jù)濾波器的配置，截止頻率要么變低，要么變高。該交流信號(hào)也將受相移的影響，相移的影響，并依賴于溫度的變化。這就引入兩種測(cè)量NTC電阻的方法。

測(cè)量PTC的阻抗

PTC技術(shù)采用已知溫度系數(shù)的特殊金屬材料電阻，以便計(jì)算平均元件溫度。隨著金屬溫度的增加，電阻也以線性關(guān)系增加。NTC隔離層則相反，PTC線的模型由串聯(lián)起來的許多電阻構(gòu)成。這就產(chǎn)生一種效應(yīng)：任何本區(qū)域的過熱都將對(duì)整個(gè)已測(cè)PTC電阻產(chǎn)生負(fù)面影響。

測(cè)量PTC電阻最簡單的方法是讓PTC導(dǎo)線流過恒定的電流。隨著導(dǎo)線溫度的增加，電阻也會(huì)增加；根據(jù)歐姆定律，PTC導(dǎo)線兩端的電壓將減小。PTC導(dǎo)線的端電壓可以由微處理器上的模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器來監(jiān)測(cè)，然后，根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果計(jì)算元件的溫度。

經(jīng)濟(jì)性

上述電熱調(diào)節(jié)器導(dǎo)線和控制模塊的總體技術(shù)比現(xiàn)有座椅加熱技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性更有競(jìng)爭(zhēng)力，產(chǎn)品的設(shè)計(jì)更為魯棒，使用更安全。