加热座椅内部结构及工作原理详解

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最近在浏览宝马i3论坛时，我看到了一张用红外热成像相机拍摄的照片，如上图所示。这张照片展示了加热座椅内部加热元件的图案，因此我想向大家展示这些座椅内部的构造以及它们的工作原理。

摄影师Kurt Edelbach拍摄了他宝马i3驾驶座的照片，并将其发布在Facebook的宝马i3页面上。“加热座椅图案，开启等级3约20秒后拍摄。等级1已经足够热了。”他写道。“顶部看起来像驼鹿角——是不是一个瑞典工程师的幽默设计？”确实，这些图案看起来像驼鹿角：

那么，我们到底在看什么？加热座椅的工作原理其实很简单。每当电流通过材料时，就会产生所谓的“I^2R”损耗。这实际上是材料（在这种情况下是电线或“电缆”）的内部电阻将电能转化为热能。如果你使用过电炉或空间加热器，或者任何其他使用“加热元件”的东西，你可能已经明白了这个概念。

加热座椅垫基本上就是一些电线，这些电线被精心排列在座椅垫上（如上图所示），将你通过空调面板上的开关控制的电流转化为臀部和背部的温暖。

这些加热图案的图案非常有趣：

电缆由各种材料制成。座椅供应商Bekaert提供了三种不同的电缆：

所以基本上，你有不锈钢；含镍、锌或铜的钢；或某种织物和某种导体的混合物。

当然，加热座椅不仅仅是嵌入在毛毡垫中的电线。还有控制器和负温度系数（NTC）热敏电阻（热敏电阻是一种其电阻随温度变化的设备；控制器可以检测这种电阻变化来确定座椅的温度）。传感器公司“Amphenol”有一份很好的PDF文件描述了这一切是如何工作的；你可以在这里查看。Amphenol有一段话：

加热座椅的温度由嵌入座椅泡沫垫之间的NTC热敏电阻测量。热敏电阻监测座椅的温度并将这些信息反馈给控制器，控制器调节座椅的温度。

下面的视频给出了反馈回路的一个非常一般的概述：

在为这篇文章进行研究时，我找到了一些“黄金”。例如，原来现代汽车制造商Hyundai向美国政府申请了EPA积分，因为更高效的加热座椅系统可以节省大量燃料：

所以实际上，Hyundai申请的是利用气流和热电装置（TED）更高效加热/冷却乘客的复杂加热/冷却系统的碳积分。热电装置是我帮助开发Jeep Wrangler JL轻度混合动力车的混合电池包时使用的一种装置：它基本上是使用电流在冷却板的两侧产生温差：

固态加热和冷却公司Promethient在其品牌“Thermavelence”的网页上解释了这一点：

固态热泵是通过一种特殊的半导体——热电装置（TED）来实现的。TED利用电子流在半导体中产生珀尔帖效应。珀尔帖效应是在两种半导体元素（P型和N型）之间层压在两个陶瓷板之间产生的。当施加电压并流过电流时，一个板会加热，而另一个板会冷却。当施加电压的极性反转时，热流也会反转。

如果你对这种类型的加热/冷却座椅感兴趣，这里有一个YouTube视频可以让你了解更多信息：

我在研究过程中还发现了更多内容。例如，这里有一份关于加热座椅伤害的完整文档：

加热座椅伤害概述：自20世纪70年代以来，汽车中就安装了加热座椅。如今，它们在大约30%的2010年美国车辆中很常见。尽管它们越来越普遍，但加热座椅并没有设计为任何自愿或强制性行业标准，导致一些制造商将加热座椅的最大温度设置为超过人类的热耐受度。其他制造商没有包括自动定时断电开关。虽然大多数乘客能够察觉到座椅加热器已经超过了人类的极限，但因瘫痪、糖尿病和神经病变导致下肢感觉缺失的乘客则处于风险之中。这些设计缺陷导致了残疾车辆乘客的严重烧伤——这一问题已被消费者投诉、医学文献和测试所验证。

如果你对加热座椅在汽车行业中的重要性非常感兴趣，想要了解其在整体市场中的重要性，市场研究和管理咨询公司Lucintel有非常深入的研究。这里有一段话：

预计到2030年，全球汽车加热座椅市场将达到约17亿美元，年复合增长率为3.6%（2024年至2030年）。这一市场的主要驱动力是汽车产量的增加和对舒适性和安全功能需求的增长。汽车加热座椅市场主要使用加热线（镍铬合金）、硅基或聚合物基加热垫以及各种类型的纺织品或皮革作为座椅覆盖物。价格根据加热元件的复杂性和与电子控制的集成程度而有所不同；基本的加热座椅相对便宜，而具有可调温度设置和更快加热时间的高级系统则更昂贵。总体成本受材料质量、技术和生产量的影响。
• Lucintel预测，碳纤维网状编织加热垫在整个预测期内将保持较大的市场份额，因为其具有出色的强度和低电压加热能力。
• 在这一市场中，轿车将是最大的细分市场。

天哪！碳纤维网状编织！Lucintel提到，这为传统的金属电缆式加热座椅设置提供了潜在的效率优势。碳纤维加热元件看起来是这样的：

哇，我掉进了一个兔子洞。我只是想分享那些来自热成像相机的彩色图片！
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