Application and test analysis of infrared thermal imaging technology in the optimization of automobile heating system

紅外熱成像技術(shù)在汽車加熱系統(tǒng)優(yōu)化中的應(yīng)用與測(cè)試分析

引言

隨著新能源汽車和智能座艙的快速發(fā)展，座椅與方向盤(pán)加熱系統(tǒng)的性能驗(yàn)證成為車輛冬季測(cè)試的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)接觸式測(cè)溫方法存在空間覆蓋不足、動(dòng)態(tài)響應(yīng)滯后等缺陷，而紅外熱成像技術(shù)憑借其非接觸、全場(chǎng)測(cè)溫的特性，正在成為熱管理優(yōu)化的核心工具。本文將深入解析紅外熱像儀在低溫加熱系統(tǒng)測(cè)試中的技術(shù)原理與工程實(shí)踐，結(jié)合實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)揭示其技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

一、紅外熱成像技術(shù)原理與系統(tǒng)構(gòu)成

1.1 熱輻射與溫度場(chǎng)重建原理

紅外熱像儀基于普朗克黑體輻射定律，通過(guò)檢測(cè)物體表面8-14μm波段的紅外輻射能量，建立輻射通量與溫度值的定量關(guān)系?，F(xiàn)代非制冷型微測(cè)輻射熱計(jì)（Microbolometer）采用氧化釩（VOx）或非晶硅材料，在10μm波長(zhǎng)處實(shí)現(xiàn)>90%的響應(yīng)率，滿足-40℃至550℃的汽車級(jí)測(cè)溫需求。

典型系統(tǒng)包含以下核心模塊：

• 光學(xué)鏡頭：鍺材料透鏡保證85%以上的中紅外透過(guò)率

• 焦平面陣列：640×480分辨率下NETD可達(dá)40mK

• 信號(hào)處理電路：14bit ADC確保±0.5℃的**測(cè)溫精度

• 輻射補(bǔ)償算法：基于環(huán)境溫濕度動(dòng)態(tài)修正發(fā)射率參數(shù)

二、汽車加熱系統(tǒng)測(cè)試的技術(shù)挑戰(zhàn)

2.1 低溫環(huán)境的熱傳導(dǎo)特性

在-20℃條件下，座椅加熱墊的啟動(dòng)電流可達(dá)8-12A，但皮革/織物覆蓋層的存在會(huì)形成顯著熱阻。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，表面溫度達(dá)到舒適區(qū)間（35-40℃）需要4-7分鐘，期間存在12-18℃的層間溫差。

2.2 動(dòng)態(tài)溫度場(chǎng)的量化分析

方向盤(pán)的環(huán)形加熱帶易產(chǎn)生熱分布不均現(xiàn)象。通過(guò)?？滴⒂跋盗袩嵯駜x實(shí)測(cè)發(fā)現(xiàn)，在15W加熱功率下，輻條連接處的溫度較其他區(qū)域低6.2 ±1.3℃，這是傳統(tǒng)點(diǎn)式傳感器難以捕捉的異常熱點(diǎn)。

三、熱成像測(cè)試方案設(shè)計(jì)與實(shí)施

3.1 測(cè)試系統(tǒng)架構(gòu)

采用HIKMICRO ThermoScope Pro搭建多通道監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，技術(shù)參數(shù)包括：

• 測(cè)溫范圍：-40℃~+150℃（可擴(kuò)展至550℃）

• 熱靈敏度：≤0.03℃@30℃

• 幀頻：30Hz（高速模式可達(dá)120Hz）

• 空間分辨率：1.1mrad（配備25mm鏡頭時(shí)）

3.2 測(cè)試流程標(biāo)準(zhǔn)化

1. 環(huán)境預(yù)處理：在氣候箱中將樣品降溫至-30℃并穩(wěn)定2小時(shí)

2. 基準(zhǔn)參數(shù)采集：記錄初始溫度分布及*大溫差

3. 動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)階段：以5秒間隔采集溫度矩陣數(shù)據(jù)

4. 特征參數(shù)提取：

• 區(qū)域升溫速率（℃/min）

• 溫度均勻性指數(shù)（σ/μ）

• *大溫差（Tmax-Tmin）

四、典型測(cè)試結(jié)果與工程應(yīng)用

4.1 加熱性能評(píng)估指標(biāo)

通過(guò)超過(guò)200組樣品測(cè)試得出：

• 上等加熱系統(tǒng)應(yīng)滿足：

• 表面溫度標(biāo)準(zhǔn)差σ≤1.5℃（穩(wěn)態(tài)階段）

• 10分鐘內(nèi)達(dá)到設(shè)定溫度±2℃

• 熱滯后時(shí)間≤45秒（功率變化響應(yīng)）

4.2 失效模式診斷案例

某車型座椅在-25℃測(cè)試中出現(xiàn)局部過(guò)熱，熱像儀捕捉到加熱絲彎折處溫度達(dá)58℃，超出設(shè)計(jì)限值42%。故障分析顯示是導(dǎo)線布局缺陷導(dǎo)致電流密度異常。

五、技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)與行業(yè)影響

5.1 智能化檢測(cè)系統(tǒng)集成

結(jié)合機(jī)器視覺(jué)與深度學(xué)習(xí)算法，新一代系統(tǒng)已實(shí)現(xiàn)：

• 自動(dòng)識(shí)別加熱元件輪廓（精度>98%）

• 預(yù)測(cè)性熱失效分析（提前15秒預(yù)警）

• 三維溫度場(chǎng)重構(gòu)（誤差<0.3℃）

5.2 行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)演進(jìn)

參照SAE J3082-2023《車載加熱裝置紅外檢測(cè)規(guī)范》，建議企業(yè)建立：

• 溫度均勻性分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

• 動(dòng)態(tài)響應(yīng)評(píng)價(jià)體系

• 長(zhǎng)期老化測(cè)試數(shù)據(jù)庫(kù)

六、技術(shù)文檔與延伸閱讀

《車載紅外檢測(cè)技術(shù)白皮書(shū)》詳細(xì)論述了熱像儀在汽車電子領(lǐng)域的20種**應(yīng)用場(chǎng)景，其中包含加熱系統(tǒng)測(cè)試的完整協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。

http://m.yunsimu.cn/puitech_Product_2065124597.html

國(guó)際紅外成像協(xié)會(huì)（Infrared Training Center）的研究顯示，采用熱成像技術(shù)可使加熱系統(tǒng)開(kāi)發(fā)周期縮短30%，驗(yàn)證成本降低45%以上。

結(jié)語(yǔ)

紅外熱成像技術(shù)正在重塑汽車熱管理系統(tǒng)研發(fā)范式。隨著1600×1200分辨率傳感器的量產(chǎn)和AI溫度預(yù)測(cè)算法的成熟，該技術(shù)將在新能源汽車的電池?zé)峁芾?、電機(jī)冷卻等更多領(lǐng)域發(fā)揮關(guān)鍵作用。建議行業(yè)建立跨學(xué)科技術(shù)團(tuán)隊(duì)，將熱成像數(shù)據(jù)深度融入產(chǎn)品開(kāi)發(fā)全流程，持續(xù)提升系統(tǒng)的**性與用戶體驗(yàn)。