混合動(dòng)力車(chē)用制動(dòng)電阻散熱性能試驗(yàn)研究

孫曉霞，王義春，邵春鳴，王國(guó)柱，王 璐

(1.中國(guó)北方車(chē)輛研究所 100072 北京2.北京理工大學(xué)機(jī)械與車(chē)輛學(xué)院 100081 北京)

再生制動(dòng)是混合動(dòng)力車(chē)輛與傳統(tǒng)車(chē)輛的一個(gè)重 要的區(qū)別.所謂再生制動(dòng)是指在制動(dòng)時(shí)將車(chē)輛行駛的慣性能量通過(guò)傳動(dòng)系統(tǒng)傳遞給電機(jī)，電機(jī)以發(fā)電方式工作，為動(dòng)力電池等儲(chǔ)能元件充電，實(shí)現(xiàn)制動(dòng)能量的再生利用.與此同時(shí)，產(chǎn)生的電機(jī)制動(dòng)力矩又可通過(guò)傳動(dòng)系統(tǒng)對(duì)驅(qū)動(dòng)輪施加制動(dòng)力.由于再生制動(dòng)利用了原本被消耗于摩擦制動(dòng)的能量，因而可降低混合動(dòng)力車(chē)輛的能耗，改善車(chē)輛的燃油經(jīng)濟(jì)性.在目前的混合動(dòng)力車(chē)輛技術(shù)研究中，再生制動(dòng)已成為一種降低能耗、提高燃油經(jīng)濟(jì)性進(jìn)而提高車(chē)輛續(xù)駛里程的重要技術(shù)手段.但是在高強(qiáng)度制動(dòng)或連續(xù)制動(dòng)過(guò)程中，由于電池等儲(chǔ)能元件容量的限制，回收得到的電能不能被完全吸收，該情況下則需要采用能耗制動(dòng)，通過(guò)制動(dòng)電阻將多余的能量轉(zhuǎn)化為熱能消耗掉，以保證整車(chē)的安全性和可靠性，如圖1所示.混合動(dòng)力特種車(chē)輛(例如工程車(chē)輛、農(nóng)業(yè)機(jī)械車(chē)輛、裝甲車(chē)輛等)工作環(huán)境惡劣，有高速急剎，下長(zhǎng)坡連續(xù)剎車(chē)或減速行駛等工況，因此其對(duì)于部件的安全性和可靠性有更高的要求.

過(guò)去對(duì)制動(dòng)電阻的研究通常集中于電力機(jī)車(chē)的制動(dòng)中［1-4］，在該過(guò)程中能量轉(zhuǎn)化形式為動(dòng)能-電能-熱能，最后將能量散到空氣中.隨著全世界混合動(dòng)力技術(shù)的迅猛發(fā)展，混合動(dòng)力車(chē)用能耗制動(dòng)電阻的研究也受到了普遍的關(guān)注，但是目前的關(guān)注點(diǎn)主要集中在制動(dòng)電阻的開(kāi)關(guān)控制，以及控制穩(wěn)定性方面［5-6］，幾乎沒(méi)有關(guān)于其傳熱特性方面的研究.因此本研究以混合動(dòng)力特種車(chē)輛用能耗制動(dòng)電阻為研究對(duì)象，通過(guò)試驗(yàn)研究其傳熱冷卻性能.

圖1 電制動(dòng)過(guò)程示意圖

1 制動(dòng)電阻特性

1.1 制動(dòng)電阻材料和結(jié)構(gòu)

根據(jù)混合動(dòng)力特種車(chē)輛運(yùn)行特點(diǎn)，確定某型具有先進(jìn)熱管理系統(tǒng)的混合動(dòng)力特種車(chē)輛制動(dòng)電阻散熱功率為300 kW，考慮到現(xiàn)有的試驗(yàn)條件和試驗(yàn)的可行性，選取試驗(yàn)?zāi)Ｐ捅壤秊閷?shí)際設(shè)備散熱功率的十二分之一.因此模型的最大散熱功率為25 kW.試驗(yàn)件箱體為鋁質(zhì)箱體，電阻帶材料為鎳鉻合金，其物性參數(shù)均與車(chē)上實(shí)物所用材料相同，具體見(jiàn)表1.制動(dòng)電阻的具體結(jié)構(gòu)形式如圖2所示.

圖2 制動(dòng)電阻結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

表1 鎳鉻合金材料物性參數(shù)

1.2 制動(dòng)電阻工作過(guò)程分析

根據(jù)制動(dòng)電阻的具體結(jié)構(gòu)，制動(dòng)電阻片單元為一片片平行電阻片串聯(lián)組成.風(fēng)道前端布置的冷卻風(fēng)扇驅(qū)動(dòng)空氣流過(guò)制動(dòng)電阻，并帶走制動(dòng)電阻工作時(shí)產(chǎn)生的熱量.風(fēng)從電阻片的短側(cè)流過(guò)，可以有效抑制邊界的形成，使流態(tài)處于層流和過(guò)渡流階段.當(dāng)制動(dòng)電阻工作時(shí)，電阻通電發(fā)熱，隨著負(fù)荷的增加和時(shí)間的推進(jìn)，電阻溫度逐漸升高.同時(shí)電阻通過(guò)強(qiáng)制通風(fēng)向環(huán)境散熱，在任一瞬時(shí)，電阻可以達(dá)到某一暫態(tài)平衡溫度.電阻帶的瞬態(tài)溫度值取決于熱負(fù)荷、迎面風(fēng)速、環(huán)境空氣溫度以及電阻本身的結(jié)構(gòu)和材料物性等因素的綜合影響.

電阻散熱相當(dāng)于一個(gè)有內(nèi)熱源的導(dǎo)熱問(wèn)題.伴隨著負(fù)荷的變化，電阻內(nèi)發(fā)熱量也是瞬態(tài)變化的.其內(nèi)部電阻片的傳熱模型可以簡(jiǎn)化為矩形通道內(nèi)平行平板間的換熱，電阻片的散熱過(guò)程以通過(guò)空氣的強(qiáng)制對(duì)流換熱為主.對(duì)于該模型的傳熱，前人做了許多研究［7-11］.但是由于實(shí)際中電阻片表面粗糙度和電阻片本身的高溫輻射影響，電阻片對(duì)空氣的輻射換熱也是不可忽略的.鑒于輻射換熱過(guò)程的復(fù)雜性，現(xiàn)今還沒(méi)有對(duì)該類(lèi)輻射問(wèn)題的統(tǒng)一解決方法，因此試驗(yàn)研究成為研究制動(dòng)電阻散熱這一復(fù)雜換熱過(guò)程的有效方法.

2 試驗(yàn)研究

2.1 試驗(yàn)裝置

制動(dòng)電阻臺(tái)架試驗(yàn)系統(tǒng)按照J(rèn)B2293—78汽車(chē)拖拉機(jī)風(fēng)洞試驗(yàn)方法搭建［12］.試驗(yàn)裝置主要由風(fēng)洞、離心式風(fēng)機(jī)、溫度采集系統(tǒng)及電壓控制裝置組成.試驗(yàn)采用吸入式風(fēng)洞.其中，風(fēng)洞入口裝有整流格柵;功率通過(guò)變壓器調(diào)節(jié)電壓來(lái)控制;冷卻風(fēng)量通過(guò)變頻器調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速來(lái)控制，其示意圖如圖3所示.

圖3 制動(dòng)電阻臺(tái)架試驗(yàn)原理圖

2.2 參數(shù)測(cè)量及計(jì)算方法

1)迎面風(fēng)速的測(cè)量.試驗(yàn)中通過(guò)讀取YYT－200斜管壓力計(jì)的液柱高度，利用公式(1)計(jì)算迎面風(fēng)速［13-14］.

式中:u為測(cè)量段冷卻流體流經(jīng)截面的流速，即迎面風(fēng)速，m/s;φ為經(jīng)試驗(yàn)校正的流速系數(shù);γ'為斜管壓力計(jì)所用液體的容重，N/m;γ為流動(dòng)氣體本身的容重，N/m;hv為斜管壓力計(jì)測(cè)量液注長(zhǎng)度的垂直分量，m.

2)冷卻空氣進(jìn)出口溫度的測(cè)量.由于冷卻空氣進(jìn)出口溫度低于400 K，因此試驗(yàn)中采用Pt100鉑電阻溫度傳感器進(jìn)行測(cè)量，并將結(jié)果直接輸入溫度采集箱，其可以同時(shí)讀取多路溫度，通過(guò)計(jì)算取平均值，該測(cè)量可以減少時(shí)間造成的誤差.Pt100鉑電阻溫度傳感器標(biāo)定后的精度為0.1℃.

3)制動(dòng)電阻表面溫度的測(cè)量.由于制動(dòng)電阻表面溫度低于900 K，因此試驗(yàn)中采用鎳鎘-鎳硅熱電偶，通過(guò)UJ33A型直流電位差計(jì)測(cè)量鎳鎘-鎳硅熱電偶絲在冷熱兩端形成的微電流的大小，利用測(cè)量到的微電流的大小，通過(guò)鎳鎘-鎳硅分度表可以推算出制動(dòng)電阻片的表面溫度.該類(lèi)型熱電偶能夠承受1300℃左右的高溫，所以完全能夠滿(mǎn)足試驗(yàn)要求.

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集是在工況穩(wěn)定后進(jìn)行的，每次工況穩(wěn)定時(shí)間約30 min.熱平衡偏差＜5%，重復(fù)性試驗(yàn)滿(mǎn)足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求.

3 結(jié)果分析及討論

3.1 散熱功率和迎面風(fēng)速對(duì)溫度的影響

如圖4所示，在散熱功率一定的情況下，冷卻空氣出口溫度隨風(fēng)速的增大而降低.在5～10 m/s的低流速階段，空氣出口溫度隨迎面風(fēng)速的增加大幅下降，最大降幅為13.7%;在迎面風(fēng)速為10～25 m/s的中高流速階段，溫度的下降趨勢(shì)比較平緩，最小降幅為0.3%.同時(shí)從圖上還可以看到，在風(fēng)速一定的情況下，冷卻空氣出口溫度隨散熱功率的增大而升高;而且溫度增加的幅度隨迎面風(fēng)速的增大而減小，分別平均為:5 m/s增幅5.3%，10 m/s增幅2.4%，15 m/s增幅1.6%，20 m/s增幅1.1%以及25 m/s增幅0.9%.

如圖5所示，在散熱功率一定的情況下，制動(dòng)電阻表面溫度隨風(fēng)速的增大而降低.在5～10 m/s的低流速階段，空氣出口溫度隨迎面風(fēng)速的增加大幅下降，最大降幅為26.4%;在迎面風(fēng)速為10～25 m/s的中高流速階段，溫度的下降趨勢(shì)比較平緩，最小降幅為1.8%.同時(shí)從圖上還可以看到，在風(fēng)速一定的情況下，制動(dòng)電阻表面溫度隨散熱功率的增大而升高.而且溫度增加的幅度隨迎面風(fēng)速的增大而減小，分別平均為:5 m/s增幅17.4%，10 m/s增幅13.8%，15 m/s增幅12.0%，20 m/s增幅10.4%以及25 m/s增幅9.6%.

圖4 不同功率下冷卻空氣出口溫度隨迎面風(fēng)速變化曲線

圖5 不同功率下制動(dòng)電阻表明溫度隨迎面風(fēng)速變化曲線

3.2 工程用關(guān)聯(lián)式擬合

通過(guò)分析3.1節(jié)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)樣車(chē)情況進(jìn)行具體分析可得:車(chē)輛在行駛中，由于特種車(chē)輛內(nèi)部空間的限制和整個(gè)散熱系統(tǒng)空氣流量的分配要求，實(shí)際制動(dòng)電阻迎面風(fēng)速小于20 m/s.現(xiàn)今對(duì)傳熱方面的研究已有許多以雷諾數(shù)為橫坐標(biāo)的試驗(yàn)關(guān)聯(lián)式，但在實(shí)際工程應(yīng)用中，需要簡(jiǎn)單、便捷、直觀的方法來(lái)預(yù)測(cè)溫度的變化，因此通過(guò)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)的分析，擬合了風(fēng)速在5～20 m/s范圍內(nèi)，各個(gè)功率條件下，冷卻空氣出口溫度和制動(dòng)電阻表面溫度隨迎面風(fēng)速變化的工程用試驗(yàn)關(guān)聯(lián)式(2)，式中的各項(xiàng)參數(shù)分別見(jiàn)表2和表3.

表2 不同功率條件下，冷卻空氣出口溫度隨風(fēng)速變化試驗(yàn)關(guān)聯(lián)式的參數(shù)取值

表3 不同功率條件下，制動(dòng)電阻表面溫度隨風(fēng)速變化試驗(yàn)關(guān)聯(lián)式的參數(shù)取值

通過(guò)樣車(chē)跑車(chē)試驗(yàn)證明，在臺(tái)架電阻試驗(yàn)功率和樣車(chē)電阻使用功率成比例對(duì)應(yīng)的情況下，該試驗(yàn)擬合關(guān)聯(lián)式可以很好地預(yù)測(cè)樣車(chē)制動(dòng)電阻的溫升變化，從而通過(guò)冷卻排風(fēng)扇調(diào)節(jié)制動(dòng)電阻箱迎面風(fēng)速，合理地控制溫度變化范圍，使得制動(dòng)電阻在自身溫度變化允許范圍內(nèi)滿(mǎn)足車(chē)輛再生制動(dòng)過(guò)程中的過(guò)剩能量消耗，保證了整車(chē)行駛的安全性和可靠性.

4 結(jié)論

通過(guò)臺(tái)架實(shí)驗(yàn)，得到了制動(dòng)電阻散熱過(guò)程中冷卻空氣出口溫度和制動(dòng)電阻表面溫度隨散熱功率和迎面風(fēng)速的變化規(guī)律，得到了相應(yīng)的試驗(yàn)關(guān)聯(lián)式.得到結(jié)論如下:

1)當(dāng)制動(dòng)電阻散熱功率一定時(shí)，冷卻出口空氣溫度和電阻表面溫度隨迎面風(fēng)速的增加而降低.在低流速階段(5～10 m/s)，溫度降低幅度較為巨大:冷卻空氣出口溫度的最大降幅為13.7%，電阻表面溫度的最大降幅為26.4%.隨著流速的增加，溫度降低的趨勢(shì)逐漸趨于平緩.

2)當(dāng)制動(dòng)電阻迎面風(fēng)速一定時(shí)，冷卻空氣出口溫度和電阻表面溫度隨散熱功率的增加而增加，而且增長(zhǎng)幅度隨風(fēng)速的增加而降低.在5～10 m/s，溫度增幅迅速下降;在10～25 m/s，溫度的增幅呈線性緩慢下降.在大功率低流速階段(5～10 m/s)，迎面風(fēng)速對(duì)冷卻空氣出口溫度和電阻表面溫度的影響大于散熱功率對(duì)其的影響.

3)在以上分析的基礎(chǔ)上，對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行擬合分別得到不同功率下冷卻空氣出口溫度和電阻表面溫度隨風(fēng)速變化的試驗(yàn)關(guān)聯(lián)式.兩個(gè)關(guān)聯(lián)式的誤差范圍均在－2%～2%范圍內(nèi).通過(guò)樣車(chē)跑車(chē)試驗(yàn)證明該關(guān)聯(lián)式可以很好地預(yù)測(cè)混合動(dòng)力車(chē)輛電制動(dòng)過(guò)程中制動(dòng)電阻的溫度變化.

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