孫曉霞，王義春，邵春鳴，王國柱，王 璐

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

再生制動是混合動力車輛與傳統(tǒng)車輛的一個重 要的區(qū)別.所謂再生制動是指在制動時將車輛行駛的慣性能量通過傳動系統(tǒng)傳遞給電機(jī)，電機(jī)以發(fā)電方式工作，為動力電池等儲能元件充電，實(shí)現(xiàn)制動能量的再生利用.與此同時，產(chǎn)生的電機(jī)制動力矩又可通過傳動系統(tǒng)對驅(qū)動輪施加制動力.由于再生制動利用了原本被消耗于摩擦制動的能量，因而可降低混合動力車輛的能耗，改善車輛的燃油經(jīng)濟(jì)性.在目前的混合動力車輛技術(shù)研究中，再生制動已成為一種降低能耗、提高燃油經(jīng)濟(jì)性進(jìn)而提高車輛續(xù)駛里程的重要技術(shù)手段.但是在高強(qiáng)度制動或連續(xù)制動過程中，由于電池等儲能元件容量的限制，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，通過制動電阻將多余的能量轉(zhuǎn)化為熱能消耗掉，以保證整車的安全性和可靠性，如圖1所示.混合動力特種車輛(例如工程車輛、農(nóng)業(yè)機(jī)械車輛、裝甲車輛等)工作環(huán)境惡劣，有高速急剎，下長坡連續(xù)剎車或減速行駛等工況，因此其對于部件的安全性和可靠性有更高的要求.

過去對制動電阻的研究通常集中于電力機(jī)車的制動中［1-4］，在該過程中能量轉(zhuǎn)化形式為動能-電能-熱能，最后將能量散到空氣中.隨著全世界混合動力技術(shù)的迅猛發(fā)展，混合動力車用能耗制動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)主要集中在制動電阻的開關(guān)控制，以及控制穩(wěn)定性方面［5-6］，幾乎沒有關(guān)于其傳熱特性方面的研究.因此本研究以混合動力特種車輛用能耗制動電阻為研究對象，通過試驗(yàn)研究其傳熱冷卻性能.

圖1 電制動過程示意圖

1 制動電阻特性

1.1 制動電阻材料和結(jié)構(gòu)

根據(jù)混合動力特種車輛運(yùn)行特點(diǎn)，確定某型具有先進(jìn)熱管理系統(tǒng)的混合動力特種車輛制動電阻散熱功率為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)均與車上實(shí)物所用材料相同，具體見表1.制動電阻的具體結(jié)構(gòu)形式如圖2所示.

圖2 制動電阻結(jié)構(gòu)簡圖

表1 鎳鉻合金材料物性參數(shù)

1.2 制動電阻工作過程分析

根據(jù)制動電阻的具體結(jié)構(gòu)，制動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)動空氣流過制動電阻，并帶走制動電阻工作時產(chǎn)生的熱量.風(fēng)從電阻片的短側(cè)流過，可以有效抑制邊界的形成，使流態(tài)處于層流和過渡流階段.當(dāng)制動電阻工作時，電阻通電發(fā)熱，隨著負(fù)荷的增加和時間的推進(jìn)，電阻溫度逐漸升高.同時電阻通過強(qiáng)制通風(fēng)向環(huán)境散熱，在任一瞬時，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)于一個有內(nèi)熱源的導(dǎo)熱問題.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化為矩形通道內(nèi)平行平板間的換熱，電阻片的散熱過程以通過空氣的強(qiáng)制對流換熱為主.對于該模型的傳熱，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，電阻片對空氣的輻射換熱也是不可忽略的.鑒于輻射換熱過程的復(fù)雜性，現(xiàn)今還沒有對該類輻射問題的統(tǒng)一解決方法，因此試驗(yàn)研究成為研究制動電阻散熱這一復(fù)雜換熱過程的有效方法.

2 試驗(yàn)研究

2.1 試驗(yàn)裝置

制動電阻臺架試驗(yàn)系統(tǒng)按照J(rèn)B2293—78汽車拖拉機(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;功率通過變壓器調(diào)節(jié)電壓來控制;冷卻風(fēng)量通過變頻器調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速來控制，其示意圖如圖3所示.

圖3 制動電阻臺架試驗(yàn)原理圖

2.2 參數(shù)測量及計算方法

1)迎面風(fēng)速的測量.試驗(yàn)中通過讀取YYT－200斜管壓力計的液柱高度，利用公式(1)計算迎面風(fēng)速［13-14］.

式中:u為測量段冷卻流體流經(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'為斜管壓力計所用液體的容重，N/m;γ為流動氣體本身的容重，N/m;hv為斜管壓力計測量液注長度的垂直分量，m.

2)冷卻空氣進(jìn)出口溫度的測量.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)行測量，并將結(jié)果直接輸入溫度采集箱，其可以同時讀取多路溫度，通過計算取平均值，該測量可以減少時間造成的誤差.Pt100鉑電阻溫度傳感器標(biāo)定后的精度為0.1℃.

3)制動電阻表面溫度的測量.由于制動電阻表面溫度低于900 K，因此試驗(yàn)中采用鎳鎘-鎳硅熱電偶，通過UJ33A型直流電位差計測量鎳鎘-鎳硅熱電偶絲在冷熱兩端形成的微電流的大小，利用測量到的微電流的大小，通過鎳鎘-鎳硅分度表可以推算出制動電阻片的表面溫度.該類型熱電偶能夠承受1300℃左右的高溫，所以完全能夠滿足試驗(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)定時間約30 min.熱平衡偏差＜5%，重復(fù)性試驗(yàn)滿足國家標(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，溫度的下降趨勢比較平緩，最小降幅為0.3%.同時從圖上還可以看到，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，溫度的下降趨勢比較平緩，最小降幅為1.8%.同時從圖上還可以看到，在風(fēng)速一定的情況下，制動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

通過分析3.1節(jié)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對樣車情況進(jìn)行具體分析可得:車輛在行駛中，由于特種車輛內(nèi)部空間的限制和整個散熱系統(tǒng)空氣流量的分配要求，實(shí)際制動電阻迎面風(fēng)速小于20 m/s.現(xiàn)今對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，需要簡單、便捷、直觀的方法來預(yù)測溫度的變化，因此通過對試驗(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)，各個功率條件下，冷卻空氣出口溫度和制動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

通過樣車跑車試驗(yàn)證明，在臺架電阻試驗(yàn)功率和樣車電阻使用功率成比例對應(yīng)的情況下，該試驗(yàn)擬合關(guān)聯(lián)式可以很好地預(yù)測樣車制動電阻的溫升變化，從而通過冷卻排風(fēng)扇調(diào)節(jié)制動電阻箱迎面風(fēng)速，合理地控制溫度變化范圍，使得制動電阻在自身溫度變化允許范圍內(nèi)滿足車輛再生制動過程中的過剩能量消耗，保證了整車行駛的安全性和可靠性.

4 結(jié)論

通過臺架實(shí)驗(yàn)，得到了制動電阻散熱過程中冷卻空氣出口溫度和制動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)制動電阻散熱功率一定時，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，溫度降低的趨勢逐漸趨于平緩.

2)當(dāng)制動電阻迎面風(fēng)速一定時，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其的影響.

3)在以上分析的基礎(chǔ)上，對試驗(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.兩個關(guān)聯(lián)式的誤差范圍均在－2%～2%范圍內(nèi).通過樣車跑車試驗(yàn)證明該關(guān)聯(lián)式可以很好地預(yù)測混合動力車輛電制動過程中制動電阻的溫度變化.

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