復(fù)雜氣候條件下純電動(dòng)客車集成控制器凝露測(cè)試研究

申江衛(wèi)，李子越，劉珂，李磊磊，趙廣達(dá)

（650500 云南省 昆明市 昆明理工大學(xué) 交通工程學(xué)院）

0 引言

純電動(dòng)客車集成控制器內(nèi)部集成了電機(jī)及整車控制器、DC/AC、DC/DC 電源等多個(gè)集成電路控制原件，具有體積小、質(zhì)量輕、高功率密度、可靠性高等特點(diǎn)，是未來的發(fā)展趨勢(shì)。我國(guó)幅員遼闊，汽車復(fù)雜多變的實(shí)際運(yùn)行環(huán)境對(duì)集成控制器的穩(wěn)定運(yùn)行提出了極大挑戰(zhàn)，其中亞熱帶季風(fēng)氣候常有的高溫高濕和低溫高濕環(huán)境更是催生凝露產(chǎn)生的主要環(huán)境。凝露導(dǎo)致電氣件的絕緣性能降低，造成電氣設(shè)備閃絡(luò)和零部件腐蝕[1]。

電動(dòng)汽車因集成控制器內(nèi)部凝露短路而引起的事故時(shí)有發(fā)生，嚴(yán)重威脅行車安全。目前研究人員針對(duì)電力系統(tǒng)戶外設(shè)備受凝露影響、凝露生成機(jī)理以及如何防治凝露的生成做出了大量試驗(yàn)與仿真模擬研究，加深了對(duì)電氣設(shè)備凝露生成過程及原因的理解[2]。文獻(xiàn)[3]研究了環(huán)網(wǎng)柜不同環(huán)境溫濕度條件下的凝露情況。

雖然在電氣設(shè)備領(lǐng)域已有學(xué)者針對(duì)凝露產(chǎn)生開展了一定研究，但目前暫未發(fā)現(xiàn)針對(duì)電動(dòng)汽車集成控制器凝露生成與測(cè)試的相關(guān)研究。電動(dòng)汽車運(yùn)行環(huán)境復(fù)雜多變，與戶外電力設(shè)備有較大差異，且電動(dòng)汽車保有量日益增大，對(duì)于提高運(yùn)行可靠性有強(qiáng)烈需求，因此對(duì)于集成控制器凝露相關(guān)問題的分析研究有著重要意義。

為總結(jié)典型氣候條件下集成控制器內(nèi)部凝露形成特點(diǎn)，本文研究了我國(guó)典型城市氣候特征，選擇具有亞熱帶季風(fēng)氣候特點(diǎn)和易發(fā)凝露的典型城市，基于其全年實(shí)際溫濕度數(shù)據(jù)構(gòu)建典型氣候條件測(cè)試工況，然后搭建了可模擬復(fù)雜氣候條件和車載環(huán)境的集成控制器凝露測(cè)試試驗(yàn)臺(tái)，分析了典型氣候條件下凝露的形成條件、形成時(shí)間、形成位置，為電動(dòng)汽車集成控制器凝露的防控提供參考。

1 控制器結(jié)構(gòu)及凝露生成機(jī)理

1.1 控制器結(jié)構(gòu)

本文的研究測(cè)試對(duì)象為某型純電動(dòng)客車用集成控制器，其結(jié)構(gòu)如圖1 所示。該控制器集成電機(jī)控制、DC/AC、DC/DC 電源和整車控制器等功能模塊整合集成，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜?？刂破飨潴w外輪廓呈900 mm×500 mm×250 mm 的階梯形狀，內(nèi)部下層層板上端承載控制器集成電路板，上層層板承載其它附加設(shè)施，左側(cè)凸出部分完成線束的接入接出，控制器工作室內(nèi)部電子元器件產(chǎn)生熱損耗，從而導(dǎo)致內(nèi)部溫度升高。同時(shí)僅在前后兩側(cè)對(duì)稱布置有兩個(gè)防水呼吸閥與外界環(huán)境進(jìn)行空氣交換。

1.2 凝露生成機(jī)理

電氣系統(tǒng)中，凝露指的是各種設(shè)備的柜體內(nèi)壁表面溫度下降到露點(diǎn)溫度以下，內(nèi)壁表面發(fā)生水珠凝結(jié)的現(xiàn)象，而相對(duì)濕度是決定凝露生成的重要參數(shù)，當(dāng)空氣中相對(duì)濕度達(dá)到100%時(shí)即有凝露產(chǎn)生。相對(duì)濕度是絕對(duì)濕度和最高濕度的比值，計(jì)算公式[1]為

式中：ρω——絕對(duì)濕度，g/m3；ρω，max——最高濕度，g/m3；e——蒸汽壓，Pa；Rω——水的氣體常數(shù)，461.52 J/(kg·K) ；T——溫度，K。

在一定的溫度條件下，空氣中的相對(duì)濕度越高，凝露的溫度越接近環(huán)境溫度，凝露越容易發(fā)生，因此凝露的發(fā)生主要取決于外部溫度、內(nèi)部溫度、相對(duì)濕度以及露點(diǎn)溫度[2]。

2 凝露試驗(yàn)觀測(cè)平臺(tái)搭建及凝露實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 城市工況的選用

我國(guó)氣候復(fù)雜多變，亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)域在我國(guó)覆蓋范圍巨大，該氣候區(qū)域常有高溫高濕、低溫高濕和劇烈溫濕度變化等氣象特征，對(duì)集成控制器的安全運(yùn)行帶來了巨大的挑戰(zhàn)，本文選取易發(fā)凝露的亞熱帶季風(fēng)氣候條件進(jìn)行凝露測(cè)試研究。根據(jù)氣象數(shù)據(jù)[4-5]，本文選取具有典型亞熱帶季風(fēng)氣候的昆明和廣州構(gòu)建凝露測(cè)試溫濕度測(cè)試工況，開展凝露測(cè)試與形成機(jī)理研究。昆明常有強(qiáng)降水和極端溫度天氣發(fā)生，蒸發(fā)旺盛，降雨集中，溫濕度變化快；廣州地處沿海，水蒸氣豐富，空氣含濕量大，年平均相對(duì)濕度達(dá)78%左右，多半年都呈現(xiàn)高溫高濕狀態(tài)，易達(dá)到凝露條件。根據(jù)純電動(dòng)汽車的使用特點(diǎn)，本文將2 城四季6:00～18:00 的平均溫濕度數(shù)據(jù)設(shè)定為實(shí)驗(yàn)測(cè)試工況。圖2 為本文選定的廣州市春季全天的溫濕度變化數(shù)據(jù)。

2.2 凝露試驗(yàn)觀測(cè)平臺(tái)搭建

本文以溫濕度交變?cè)囼?yàn)箱為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的主要設(shè)備，結(jié)合溫濕度傳感器、可控溫加熱金屬板等設(shè)備，模擬集成控制器在實(shí)際運(yùn)行過程中的溫濕環(huán)境，實(shí)驗(yàn)觀測(cè)平臺(tái)搭建如圖3 所示。具體步驟如下：

（1）將集成控制器箱體放置于溫濕度交變?cè)囼?yàn)箱中，通過溫濕度交變?cè)囼?yàn)箱模擬大氣環(huán)境溫濕度變化，實(shí)驗(yàn)過程中集成控制器箱體與實(shí)驗(yàn)箱內(nèi)壁保留一定距離，避免觸碰試驗(yàn)箱內(nèi)壁；

（2）為模擬實(shí)際汽車運(yùn)行中元器件的發(fā)熱情況，根據(jù)電路板實(shí)際尺寸定制了2 塊鋁制可控溫加熱板（170 mm×90 mm×20 mm），將其固定在原集成電路板位置，與箱體無直接接觸。為接近集成控制器的實(shí)際工作情況，根據(jù)實(shí)際車載應(yīng)用下采集數(shù)據(jù)的集成控制器內(nèi)部溫度，將內(nèi)部可控溫加熱板溫度設(shè)為150 ℃，可使本平臺(tái)實(shí)驗(yàn)條件下溫度與實(shí)際車載基本一致；

（3）在箱體內(nèi)部分散布置4 個(gè)溫濕度傳感器探頭，對(duì)不同位置的探頭進(jìn)行編號(hào)，設(shè)置為每隔10 s 記錄一次內(nèi)部溫濕度數(shù)據(jù)；

（4）在箱體頂蓋上粘貼試紙，該試紙遇水會(huì)變紅，作為凝露形成點(diǎn)的判斷依據(jù)。通過USB 攝像頭觀測(cè)水分檢測(cè)試劑，記錄凝露產(chǎn)生時(shí)間。

2.2.1 實(shí)驗(yàn)流程與參數(shù)設(shè)置

通過調(diào)節(jié)溫濕度交變?cè)囼?yàn)箱的溫濕度，在設(shè)備內(nèi)部相對(duì)密閉環(huán)境和外界之間形成溫度差，以模擬城市工況的氣候環(huán)境。實(shí)驗(yàn)過程與步驟如下：

（1）設(shè)置高低溫試驗(yàn)箱溫度和濕度為選定城市早上6:00 溫濕度并保持不變，將集成控制器放置在溫箱中靜置4 h，使控制器內(nèi)外溫濕度條件達(dá)到平衡狀態(tài)；

（2）實(shí)驗(yàn)開始4 h 后設(shè)置高低溫試驗(yàn)箱按照城市6:00～22:00 溫濕度條件自動(dòng)調(diào)節(jié)，模擬清晨車輛放置時(shí)集成控制器內(nèi)外部溫濕度交換；

（3）實(shí)驗(yàn)開始6 h后啟動(dòng)集成控制器內(nèi)加熱板，控溫加熱板溫度設(shè)置為最高150℃，模擬車輛啟動(dòng)后內(nèi)部元器件工作發(fā)熱過程；

（4）實(shí)驗(yàn)開始20 h 后關(guān)閉集成控制器內(nèi)加熱板，使其自然降溫，模擬車輛停車內(nèi)部電子元器件停止工作和發(fā)熱過程；

（5）實(shí)驗(yàn)開始22 h 后關(guān)閉高低溫試驗(yàn)箱，打開集成控制器，拍照檢查內(nèi)部凝露生成位置和面積，并保存實(shí)驗(yàn)過程中攝像頭和溫濕度傳感器采集圖像和數(shù)據(jù)，一次實(shí)驗(yàn)結(jié)束；

（6）分別選擇昆明和廣州四季各一天數(shù)據(jù)進(jìn)行凝露生成測(cè)試，每組溫濕度工況重復(fù)進(jìn)行3 次實(shí)驗(yàn)。

3 凝露試驗(yàn)結(jié)果與分析

為總結(jié)分析集成控制器在昆明、廣州不同季節(jié)試驗(yàn)條件下的凝露規(guī)律，本文對(duì)上述試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)。圖4 為兩城市在不同季節(jié)溫濕度工況條件下控制器內(nèi)部凝露生成情況。

從圖4 中可以看到：

（1）在所選城市中，春季和冬季均容易出現(xiàn)凝露現(xiàn)象。在3 次重復(fù)試驗(yàn)中，昆明和廣州在春季和冬季的城市工況下均出現(xiàn)了輕微凝露。夏季和秋季僅有昆明產(chǎn)生大量凝露，廣州無凝露產(chǎn)生；

（2）對(duì)昆明和廣州的總體凝露情況進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)，昆明全年均出現(xiàn)了凝露現(xiàn)象，廣州只在春季和冬季出現(xiàn)凝露現(xiàn)象；兩城都具有夏秋不分明的特點(diǎn)，夏秋兩季的凝露情況較為一致。

深入分析試驗(yàn)時(shí)城市工況下控制器內(nèi)部的溫濕度變化。圖5 為廣州春季城市工況條件下控制器箱體內(nèi)4 只溫濕度記錄儀所記錄的試驗(yàn)過程中的溫濕度變化過程。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可知：

（1）未開啟加熱模塊時(shí)，箱體內(nèi)相對(duì)溫度約2 h 達(dá)到穩(wěn)定；開啟加熱模塊后，箱體內(nèi)各處溫度迅速呈現(xiàn)不同程度的升高，1、3 號(hào)傳感器區(qū)域溫度平均升高10 ℃左右，2、4 號(hào)傳感器升溫幅度約30℃，箱體內(nèi)溫度隨著工況程序的運(yùn)行呈持續(xù)上升趨勢(shì)，約30 min 達(dá)到平衡并保持穩(wěn)定，關(guān)閉加熱后4 只傳感器溫度均迅速下降；

（2）未開啟加熱模塊時(shí)，箱體內(nèi)相對(duì)濕度約2 h 達(dá)到穩(wěn)定，接近防水呼吸閥的1、3 號(hào)傳感器相對(duì)濕度約75%，2、4 號(hào)傳感器相對(duì)濕度約65%；

（3）開啟加熱模塊后，1、3 號(hào)傳感器所在區(qū)域的相對(duì)濕度有明顯的先升高再迅速下降的過程，其中1 號(hào)傳感器更為明顯，并采集到該城市工況下的濕度最大值。通過觀察箱體內(nèi)部視頻數(shù)據(jù)可知，此時(shí)內(nèi)部1、3 號(hào)記錄儀位置出現(xiàn)凝露現(xiàn)象；2、4號(hào)傳感器相對(duì)濕度則開始迅速下降，在相對(duì)濕度下降到一定水平后開始以較緩的速率降低。

綜合分析認(rèn)為：

（1）未開啟加熱模塊時(shí)，箱體內(nèi)溫度低于外界環(huán)境溫度，通過空氣和箱體熱傳遞，內(nèi)部溫度會(huì)逐漸達(dá)到平衡狀態(tài)；開啟加熱模塊后，所有區(qū)域溫度持續(xù)上升，越靠近發(fā)熱源區(qū)域溫升更多，此時(shí)控制器內(nèi)溫度環(huán)境迅速達(dá)到平衡；關(guān)閉加熱后平衡被破壞，溫度迅速降低；

（2）未開啟加熱模塊時(shí)，箱體內(nèi)所有區(qū)域相對(duì)濕度會(huì)迅速達(dá)到平衡，靠近防水呼吸閥區(qū)域更易于濕空氣輸送，因此相對(duì)濕度較內(nèi)部區(qū)域更高；

（3）開啟加熱模塊后，靠近防水呼吸閥附近區(qū)域相對(duì)濕度有明顯的先升高再迅速下降的過程，此時(shí)控制器內(nèi)部空氣溫度快速升高，而控制器內(nèi)壁溫度則受外界環(huán)境溫度影響變化較小，內(nèi)部濕熱空氣接觸到較冷的控制器內(nèi)壁后產(chǎn)生凝露。

4 結(jié)論

為探究純電動(dòng)汽車集成控制器內(nèi)部的凝露產(chǎn)生規(guī)律，搭建了城市工況凝露試驗(yàn)觀測(cè)系統(tǒng)，模擬了集成控制器在城市實(shí)際溫濕度條件下的工作過程，并進(jìn)行了2 個(gè)城市的四季試驗(yàn)。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可得以下結(jié)論：

（1）昆明、廣州兩城在夏、秋兩季均為高溫且濕度大幅度變化，昆明溫度較廣州更低且濕度變化大，廣州溫度更高但濕度變化范圍較小，昆明有明顯凝露而廣州無凝露產(chǎn)生；

（2）昆明和廣州在春季和冬季溫濕度變化幅度巨大，急劇的溫度變化沖擊集成控制器箱體內(nèi)部環(huán)境的穩(wěn)定，在高濕度的環(huán)境下箱體內(nèi)部溫度沒有環(huán)境溫度變化迅速，內(nèi)部極易產(chǎn)生凝露；

（3）試驗(yàn)中，凝露易產(chǎn)生于高濕且溫度變化幅度大的氣候環(huán)境，且多在開啟加熱模塊后的短時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)在靠近呼吸閥的一側(cè)內(nèi)壁上，對(duì)應(yīng)實(shí)際情況中為集成控制器開啟工作后的短時(shí)間內(nèi)，凝露多在靠近呼吸閥的一側(cè)產(chǎn)生。