馮水安
(廈門金龍旅行車有限公司, 福建 廈門 361000)
混合動力客車作為新能源汽車的重要成員,對節(jié)能減排起著重要的作用?;旌蟿恿夹g日趨成熟,對電機冷卻系統(tǒng)的技術要求越來越高。整套冷卻系統(tǒng)優(yōu)化設計可以有效地提高整車節(jié)油率、控制成本及大大延長冷卻部件的使用壽命。
某市場上運行的一批混合動力城市客車,在夏季,車輛運行后ATS系統(tǒng)的電機冷卻風扇很快在中高速運轉,每個風扇功率380 W,電機冷卻系統(tǒng)有2個電子風扇運行,不僅耗電嚴重,而且長期全速運轉影響風扇的使用壽命[1-2]。
經(jīng)過現(xiàn)場排查分析,發(fā)現(xiàn)該路線車輛由于路況原因常處于低速運行,驅動電機長期處于工作狀態(tài),電機水溫在夏天較高環(huán)境溫度下很快達到50 ℃。由于原車電機冷卻風扇啟動控制水溫為45~55 ℃,因此造成風扇常在中高速運轉。由此判定電機冷卻風扇的水溫控制限值的設置偏低。
混合動力散熱器采用三并聯(lián)結構,電機水箱布置于中冷器與發(fā)動機水箱之間,但中冷器、電機水箱、發(fā)動機水箱共用1個組合安裝的護風罩。
部分車輛的電子風扇出現(xiàn)磨損甚至斷裂,嚴重影響車輛的運行。經(jīng)過分析,電子風扇葉片與扇框間隙很小,對安裝平面的水平度要求極高。護風罩平面制作不平整,或者安裝無法保證水平的情況下,易影響風扇運行時的動平衡,特別是高速運轉下,由于安裝應力的存在,路面振動也會造成風扇的應力集中位置疲勞斷裂。原車風扇安裝面采用整體式結構,整個風扇安裝板焊接于框架上,6個風扇安裝在同一個平面上,如圖1所示。整個風扇安裝面較大,風罩的制作、運輸、車間的裝配等諸多因素均影響風扇安裝的水平度。現(xiàn)場發(fā)現(xiàn),部分風扇用手撥動的時候就會出現(xiàn)葉片與扇框摩擦的現(xiàn)象,從而影響風扇的運行壽命[3-5]。
圖1 舊結構護風罩
客戶反饋電機冷卻系統(tǒng)循環(huán)水泵長期全速運行,導致部分車輛電機冷卻水泵出現(xiàn)損壞,從而進一步引起電機水溫偏高,影響車輛運行。
實車水泵只要啟動鑰匙到ON擋就全速運行,該水泵電路目前僅有通斷控制,水泵消耗功率為260 W,由于沒有調速控制,造成車輛耗能較大,噪聲較大,也影響水泵自身使用壽命。
原車水溫傳感器安裝于上水室即水箱進水口處,風扇啟動控制水溫為45~55 ℃。由于電機進水口溫度限值60 ℃,即要求水箱出水口溫度不高于60 ℃,所以在滿足電機冷卻的條件下,可以適當延遲風扇啟動。分析同狀態(tài)樣車測試報告,電機水箱進水口的溫度比出水口高5 ℃。為了延遲風扇起始運行控制水溫點,將進水口處的水溫傳感器拆下,安裝于水箱出水口,此時由于電機水箱進出水口的溫差,風扇會相對延遲5 ℃再開始運行。
通過整改后驗證,電子風扇轉速迅速下降很多,工作時幾乎都在低速運轉,風扇耗電大大減少,同時也保證了電機冷卻效果。
為了解決因風罩結構造成風扇葉片與扇框磨損或者斷裂的問題,對護風罩進行結構優(yōu)化,由原來的6個風扇共用1個安裝平面結構改用單個風扇獨立沖壓座結構,風扇獨立沖壓安裝座再焊接于整個平板上,更好保證平面度及強度。即使整個風罩上平面不平整,由于各個風扇是獨立的安裝座,也不會影響風扇運行的動平衡。新結構護風罩如圖2所示。
圖2 新結構護風罩
針對2種結構進行應變分析,為了保證劃分網(wǎng)格的質量,在劃分網(wǎng)格前先進行模型處理,去掉邊角圓、面角圓;由于固定風扇的圓孔較小,網(wǎng)格尺寸要控制得比較精細,綜合考慮,網(wǎng)格劃分尺寸采用3 mm,網(wǎng)格單元101 750個。
根據(jù)仿真分析結果顯示,舊結構護風罩形式應力集中較多,對風扇的安裝影響很大;新結構護風罩形式受力較為均勻,有利于風扇的運行,延長風扇運行壽命[6]。
經(jīng)過實車更換新結構護風罩后再次驗證,發(fā)現(xiàn)重新安裝電子風扇后均容易保證風扇水平安裝,手撥動時均沒有出現(xiàn)風扇葉片與扇框摩擦的現(xiàn)象,整改后至今也沒有接到出現(xiàn)電子風扇磨損或斷裂等現(xiàn)象的反饋,該問題得到有效解決。
改進水泵控制使之能夠隨著電機運行狀態(tài)而進行調速,隨著負荷的變化而變化;同時要求帶有過載、堵轉等故障反饋功能。水泵通過BSD及PWM信號控制調速,BSD和PWM信號具有優(yōu)先級關系。
BSD數(shù)據(jù)總線控制具有錯誤反饋功能[7]。BSD信號具有高優(yōu)先級,可由水泵自動探知。如水泵在2 s內沒有接收到BSD信號,信號源將切換到PWM信號模式,即按照PWM控制模式進行調速;當再次接收到BSD信號后,水泵立即切換到BSD模式;當無法接到BSD及PWM信號時水泵啟動100%轉速運行,保證系統(tǒng)安全運行。
PWM信號控制水泵的輸出,不具有報錯反饋功能,控制信號的電壓范圍為0~3.3 V,其控制信號的輸入和水泵的輸出之間的關系如圖3所示。PWM信號結合驅動電機系統(tǒng)水溫進行設計,電機出水溫度為50~60 ℃,對應水泵13%~85%進行線性調速。
圖3 PWM信號的輸入和水泵的輸出之間的關系
實車更換水泵及增加水泵調速線束,控制水泵調速,實車電機溫度基本處于50~60 ℃之間,滿足電機進水口溫度限值60 ℃要求,此時水泵13%~85%的轉速運行,發(fā)現(xiàn)水泵噪聲明顯降低,有效解決水泵始終高速運轉,減少車輛用電的同時,有效延長水泵運行壽命,也大大降低噪聲。經(jīng)過優(yōu)化調整后,目前該批次車輛的水泵無故障[8]。
通過調整風扇溫度控制限值,優(yōu)化風扇護風罩結構,增加水泵調速功能,有效解決車輛耗電、風扇磨框或斷裂及水泵損壞等問題,為我司其他新能源車型冷卻系統(tǒng)的研發(fā)設計提供較大的幫助[9-10]。