無人裝甲車輛散熱技術(shù)發(fā)展趨勢

劉 洋， 張佳卉， 曹元福， 石 軍， 籍 力

(中國北方車輛研究所，北京 100072)

無人裝甲車相比傳統(tǒng)車輛，其傳動形式由機械傳動發(fā)展為電傳動，電機、控制器、動力電池、電磁懸掛、綜合電子信息系統(tǒng)等電器部件的增加，導(dǎo)致整車熱源分布復(fù)雜、目標(biāo)溫度呈現(xiàn)兩級分化.此外無人車對極端環(huán)境的適應(yīng)性有更高要求，整車的小型化、緊湊型布置使得單位體積的散熱量不斷提高.散熱系統(tǒng)匹配設(shè)計難度增大，部件性能、可靠性要求提升，散熱技術(shù)面臨越來越多挑戰(zhàn).

1 散熱系統(tǒng)匹配技術(shù)發(fā)展

散熱系統(tǒng)設(shè)計的最終目標(biāo)是盡可能提高散熱單元的熱流密度、減小功耗，其典型特征是與動力傳動裝置的一體化集成設(shè)計.傳統(tǒng)車輛散熱系統(tǒng)其設(shè)計三要素為：水、油、氣，即冷卻液、機油、傳動油、液壓油、增壓空氣和冷卻空氣.散熱系統(tǒng)的設(shè)計、優(yōu)化和匹配，包括強化傳熱、流場協(xié)同等全部圍繞水、油、氣三要素進(jìn)行.無人車輛的散熱系統(tǒng)設(shè)計最終目標(biāo)沒有變，仍然是盡可能提高散熱單元的熱流密度、減小功耗，但其特征由集成化向多元化、集成化和智能化方向發(fā)展.

首先，無人車的熱源呈現(xiàn)多元化，除了發(fā)動機和傳動油等高溫?zé)嵩赐猓衷黾恿税l(fā)電機、電機、控制器、動力電池等低溫?zé)嵩?，增加了系統(tǒng)的技術(shù)難度和復(fù)雜度.直接導(dǎo)致散熱系統(tǒng)設(shè)計要素轉(zhuǎn)換為水、油、氣、電四要素，即增加了電子元件的散熱需求.其次，傳統(tǒng)散熱系統(tǒng)一般為單泵單循環(huán)，主要由發(fā)動機水套、中冷器、機油冷卻器、散熱器、水泵和膨脹水箱等組成.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，可調(diào)控的溫度范圍較窄.無人車輛由于增加了相當(dāng)數(shù)量的電機和控制器等低溫散熱源，散熱系統(tǒng)呈現(xiàn)雙泵雙循環(huán)、三泵三循環(huán)、甚至多泵多循環(huán)的發(fā)展態(tài)勢，系統(tǒng)復(fù)雜度大幅上升，集成化設(shè)計難度增大，圖1為單泵單循環(huán)原理，圖2為多泵多循環(huán)原理圖.最后，與傳統(tǒng)裝甲車輛相比，無人車的工況需求更為復(fù)雜，要求車輛能夠?qū)Τ掷m(xù)多變的使用工況快速響應(yīng)，同時還要滿足動力性、經(jīng)濟(jì)性、可靠性，保證足夠的使用時間.傳統(tǒng)的散熱系統(tǒng)設(shè)計，不能動態(tài)響應(yīng)車輛工況的瞬態(tài)變化，不能滿足各項性能指標(biāo)[1].智能化散熱技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)實時工況管理，即根據(jù)監(jiān)測的水、油、氣、電以及環(huán)境溫度及發(fā)動機轉(zhuǎn)速、油門開度等參數(shù)隨車輛工況變化而調(diào)整系統(tǒng)本身的散熱能力，實現(xiàn)冷卻介質(zhì)溫度的精準(zhǔn)控制、進(jìn)氣溫度的精準(zhǔn)控制、關(guān)鍵部件的熱負(fù)荷控制[2]，達(dá)到與動力系統(tǒng)的合理匹配，為無人裝甲車的可靠工作提供足夠的保證，圖3為某智能化散熱技術(shù)的控制原理圖.

圖1 單泵單循環(huán)原理圖

圖2 多泵多循環(huán)原理圖

圖3 某智能化散熱技術(shù)的控制原理圖

以上發(fā)展趨勢使得散熱系統(tǒng)的總體設(shè)計發(fā)生很大變化，與傳統(tǒng)散熱系統(tǒng)設(shè)計相比，部件選型設(shè)計和試驗驗證環(huán)節(jié)變化較大.部件選型設(shè)計方面，由于增加了發(fā)電機、電機、控制器、動力電池等低溫散熱需求，水散熱器由單一散熱變?yōu)楦邷睾偷蜏厣?，新增了冷板、冷凝器等散熱部件以及制冷機組部件，風(fēng)扇和水泵的驅(qū)動方式由原先的機械式或液力液壓式變?yōu)殡婒?qū)式.導(dǎo)致冷卻液流量分配試驗環(huán)節(jié)試驗驗證必須充分考慮各循環(huán)支路的均衡性，即增加了冷卻液流量分配試驗環(huán)節(jié).圖4為基于電傳動車輛的散熱系統(tǒng)設(shè)計開發(fā)流程圖.

圖4 基于電傳動車輛的散熱系統(tǒng)設(shè)計開發(fā)流程圖

2 散熱部件技術(shù)發(fā)展趨勢

2.1 電子風(fēng)扇

風(fēng)扇是散熱系統(tǒng)的核心部件，目前無人裝甲車輛上搭載的風(fēng)扇主要是電子風(fēng)扇，與傳統(tǒng)車輛機械、液力驅(qū)動相比，實現(xiàn)了與發(fā)動機解耦，具有無極調(diào)速特點，可根據(jù)發(fā)動機負(fù)荷大小，提供合適的風(fēng)量，解決了車輛在發(fā)動機低速、大扭矩工況下散熱能力不足問題[3].

目前裝備的電子風(fēng)扇只能滿足低功率散熱需求.隨著發(fā)動機功率的不斷提高，動力單元的散熱量會成倍增加，而散熱器的散熱面積受到車輛動力艙的空間限制，不可能大幅度地增加，只有提高風(fēng)扇轉(zhuǎn)速來增加空氣流量，才能滿足散熱需求.轉(zhuǎn)速提高的同時，風(fēng)扇消耗功率也會提高，影響到整車的能量分配、續(xù)航里程，等等.因此，開發(fā)高轉(zhuǎn)速、低功耗、新型葉輪的電子風(fēng)扇是未來的發(fā)展趨勢.圖5為某電子風(fēng)扇結(jié)構(gòu)圖.

圖5 某電子風(fēng)扇結(jié)構(gòu)圖

2.2 電子水泵

為了應(yīng)對無人裝甲車輛低溫?zé)嵩捶N類多，分布點布置的特點，電子水泵得到了廣泛的應(yīng)用.電子水泵可以使整個散熱系統(tǒng)與發(fā)動機解耦，系統(tǒng)散熱能力不再受發(fā)動機轉(zhuǎn)速的限制.高轉(zhuǎn)速(6 000～12 000 r/min)設(shè)計，使水泵的外形尺寸大幅減小，安裝更加簡便.

電子水泵的發(fā)展，關(guān)鍵在于水泵電機技術(shù)的提升.一方面，電機功率的提升，必然會帶來熱量的增加，嚴(yán)重影響電機的可靠性和壽命.另一方面，裝甲車輛封閉的動力艙高溫環(huán)境對水泵電機及控制器的耐溫性提出考驗.因此，開發(fā)電子水泵新型散熱技術(shù)，提高電子水泵可靠性，將是未來電子水泵發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù).圖6為某屏蔽式電子水泵結(jié)構(gòu)圖.

圖6 某屏蔽式電子水泵結(jié)構(gòu)圖

2.3 電子節(jié)溫器

目前搭載柴油機裝配的機械式節(jié)溫器是將感應(yīng)溫度的石蠟結(jié)構(gòu)浸泡在發(fā)動機冷卻液中，當(dāng)冷卻液溫度升高后，石蠟受熱膨脹將節(jié)溫器的閥門打開，從而開啟大循環(huán).機械式節(jié)溫器的弊端在于長時間使用后，表面會有水垢沉積，不能靈敏地感應(yīng)溫度，影響開啟速度，造成過熱.

電子節(jié)溫器是通過ECU發(fā)送信號加熱電阻來實現(xiàn)石蠟的加熱膨脹，從而開啟大循環(huán).與傳統(tǒng)節(jié)溫器相比，電子節(jié)溫器響應(yīng)更快，溫度調(diào)節(jié)范圍更寬.有試驗證明更換電子節(jié)溫器的柴油機，在低負(fù)荷工況下能節(jié)省2%～6%的油耗[4].未來電子節(jié)溫器將會廣泛應(yīng)用于無人裝甲車散熱系統(tǒng)中.

2.4 電子冷板

冷板在設(shè)計應(yīng)用時主要控制冷板安裝表面的溫度，以保證電子器件工作在允許溫度范圍內(nèi)，達(dá)到冷卻散熱的目的[5].由于車載電子冷板的工作環(huán)境惡劣，且熱耗散功率較大，冷板表面溫度極不均勻，尤其對于大功率、高熱流密度的電器散熱，普通冷板已難以滿足其散熱需求.例如，某無人車搭載控制器散熱量高達(dá)20～30 kW,冷板表面溫度接近100 ℃，距離電器設(shè)備理想工作溫度80 ℃～90 ℃有很大差距，普通冷板達(dá)不到要求.

采用以冷板為基體，增加相變結(jié)構(gòu)的復(fù)合水冷板是解決該問題的有效方法.其利用相變材料的高導(dǎo)熱特性，將局部熱量進(jìn)行快速擴(kuò)散，實現(xiàn)集中熱源沿冷板表面的熱擴(kuò)展，達(dá)到整個冷板表面的溫度均勻，從而充分利用冷板本體的散熱面積，有效降低電器設(shè)備發(fā)熱端的熱流密度.系統(tǒng)工作時，電器設(shè)備熱量一邊通過相變結(jié)構(gòu)的蒸發(fā)端向冷凝端快速擴(kuò)散，一邊通過冷板直接換熱進(jìn)入系統(tǒng)冷卻流體中，兩種熱量傳遞途徑互相耦合，一同提升了冷板的換熱性能.圖7為某相變結(jié)構(gòu)與冷板復(fù)合技術(shù)基本原理圖.目前常見的相變結(jié)構(gòu)有均熱板、熱管，等等，其當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)可達(dá)到2 000 W/m·k，熱流密度可達(dá)200 W/m2，工作溫度范圍5～100 ℃，最小厚度可達(dá)1.5 mm.未來脈動熱管、微通道等更為先進(jìn)的技術(shù)會應(yīng)用在無人裝甲車上，進(jìn)一步提高系統(tǒng)散熱性能.

圖7 相變結(jié)構(gòu)與冷板復(fù)合技術(shù)基本原理圖

2.5 3D打印風(fēng)道、管路

裝甲車散熱風(fēng)道、管路等部件多采用焊接、鑄造等傳統(tǒng)技術(shù)實現(xiàn).傳統(tǒng)焊接技術(shù)，產(chǎn)品抗振動沖擊性能差，在復(fù)雜路況下使用后，焊縫處很容易開裂，結(jié)構(gòu)強度差，而且外觀較差.傳統(tǒng)鑄造技術(shù)，工藝復(fù)雜，模具加工難度大，不能鑄造薄壁件以及空間異形風(fēng)道、管路，不利于產(chǎn)品試制.

使用光固化樹脂焙燒結(jié)合精密鑄造工藝，能夠有效解決以上問題.首先通過3D打印技術(shù)進(jìn)行部件樹脂原型的制造，經(jīng)過后處理、紫外線光固化后進(jìn)行制殼、脫蠟、焙燒后制成型殼，最后通過澆注、清理形成最終部件.此種方法加工的風(fēng)道、管路外觀良好，重量輕、抗沖擊振動效果好，能夠有效提高系統(tǒng)的輕量化和可靠性指標(biāo).圖8為應(yīng)用3D打印技術(shù)的某無人車風(fēng)道結(jié)構(gòu)圖.

圖8 某無人車風(fēng)道結(jié)構(gòu)圖

3 結(jié)束語

從無人裝甲車輛與傳統(tǒng)車輛熱源散熱需求對比分析入手，從系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)、部件技術(shù)發(fā)展以及智能化散熱技術(shù)等方面介紹了無人裝甲車輛散熱技術(shù)的未來發(fā)展，指出了其設(shè)計開發(fā)流程、系統(tǒng)工作原理的變化，以及關(guān)鍵部件電子風(fēng)扇、電子水泵、電子節(jié)溫器和電子冷板等的技術(shù)走向.

1)無人裝甲車輛新增加了電機和控制器等低溫?zé)嵩矗@些新熱源帶來了散熱技術(shù)的新發(fā)展，散熱系統(tǒng)工作原理向著多泵多循環(huán)方向發(fā)展；

2)電子風(fēng)扇、電子水泵和電器設(shè)備復(fù)合結(jié)構(gòu)冷板等新型部件是無人車輛散熱系統(tǒng)的重要組成，因此無人裝甲車輛散熱系統(tǒng)設(shè)計開發(fā)時在部件選型和試驗驗證環(huán)節(jié)變化較大；

3)智能化散熱技術(shù)將是無人車輛散熱系統(tǒng)的基本特征；

4)3D打印等先進(jìn)制造技術(shù)將廣泛應(yīng)用于無人裝甲車輛.