馮水安

(廈門金龍旅行車有限公司， 福建 廈門 361000)

混合動(dòng)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。混合動(dòng)力技術(shù)日趨成熟，對電機(jī)冷卻系統(tǒng)的技術(shù)要求越來越高。整套冷卻系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)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。

1 電機(jī)冷卻系統(tǒng)問題及分析

1.1 電機(jī)冷卻風(fēng)扇耗電問題

某市場上運(yùn)行的一批混合動(dòng)力城市客車，在夏季，車輛運(yùn)行后ATS系統(tǒng)的電機(jī)冷卻風(fēng)扇很快在中高速運(yùn)轉(zhuǎn)，每個(gè)風(fēng)扇功率380 W,電機(jī)冷卻系統(tǒng)有2個(gè)電子風(fēng)扇運(yùn)行，不僅耗電嚴(yán)重，而且長期全速運(yùn)轉(zhuǎn)影響風(fēng)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(yùn)行，驅(qū)動(dòng)電機(jī)長期處于工作狀態(tài)，電機(jī)水溫在夏天較高環(huán)境溫度下很快達(dá)到50 ℃。由于原車電機(jī)冷卻風(fēng)扇啟動(dòng)控制水溫為45～55 ℃，因此造成風(fēng)扇常在中高速運(yùn)轉(zhuǎn)。由此判定電機(jī)冷卻風(fēng)扇的水溫控制限值的設(shè)置偏低。

1.2 風(fēng)扇磨損斷裂

混合動(dòng)力散熱器采用三并聯(lián)結(jié)構(gòu)，電機(jī)水箱布置于中冷器與發(fā)動(dòng)機(jī)水箱之間，但中冷器、電機(jī)水箱、發(fā)動(dòng)機(jī)水箱共用1個(gè)組合安裝的護(hù)風(fēng)罩。

部分車輛的電子風(fēng)扇出現(xiàn)磨損甚至斷裂，嚴(yán)重影響車輛的運(yùn)行。經(jīng)過分析，電子風(fēng)扇葉片與扇框間隙很小，對安裝平面的水平度要求極高。護(hù)風(fēng)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(fēng)扇運(yùn)行時(shí)的動(dòng)平衡，特別是高速運(yùn)轉(zhuǎn)下，由于安裝應(yīng)力的存在，路面振動(dòng)也會(huì)造成風(fēng)扇的應(yīng)力集中位置疲勞斷裂。原車風(fēng)扇安裝面采用整體式結(jié)構(gòu)，整個(gè)風(fēng)扇安裝板焊接于框架上，6個(gè)風(fēng)扇安裝在同一個(gè)平面上，如圖1所示。整個(gè)風(fēng)扇安裝面較大，風(fēng)罩的制作、運(yùn)輸、車間的裝配等諸多因素均影響風(fēng)扇安裝的水平度?，F(xiàn)場發(fā)現(xiàn)，部分風(fēng)扇用手撥動(dòng)的時(shí)候就會(huì)出現(xiàn)葉片與扇框摩擦的現(xiàn)象，從而影響風(fēng)扇的運(yùn)行壽命[3-5]。

圖1 舊結(jié)構(gòu)護(hù)風(fēng)罩

1.3 電機(jī)冷卻水泵噪聲大及損壞

客戶反饋電機(jī)冷卻系統(tǒng)循環(huán)水泵長期全速運(yùn)行，導(dǎo)致部分車輛電機(jī)冷卻水泵出現(xiàn)損壞，從而進(jìn)一步引起電機(jī)水溫偏高，影響車輛運(yùn)行。

實(shí)車水泵只要啟動(dòng)鑰匙到ON擋就全速運(yùn)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(diào)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。

2 改進(jìn)設(shè)計(jì)及驗(yàn)證

2.1 風(fēng)扇控制溫度調(diào)整

原車水溫傳感器安裝于上水室即水箱進(jìn)水口處，風(fēng)扇啟動(dòng)控制水溫為45～55 ℃。由于電機(jī)進(jìn)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(jī)冷卻的條件下，可以適當(dāng)延遲風(fēng)扇啟動(dòng)。分析同狀態(tài)樣車測試報(bào)告，電機(jī)水箱進(jìn)水口的溫度比出水口高5 ℃。為了延遲風(fēng)扇起始運(yùn)行控制水溫點(diǎn)，將進(jìn)水口處的水溫傳感器拆下，安裝于水箱出水口，此時(shí)由于電機(jī)水箱進(jìn)出水口的溫差，風(fēng)扇會(huì)相對延遲5 ℃再開始運(yùn)行。

通過整改后驗(yàn)證，電子風(fēng)扇轉(zhuǎn)速迅速下降很多，工作時(shí)幾乎都在低速運(yùn)轉(zhuǎn)，風(fēng)扇耗電大大減少，同時(shí)也保證了電機(jī)冷卻效果。

2.2 護(hù)風(fēng)罩結(jié)構(gòu)改進(jìn)

為了解決因風(fēng)罩結(jié)構(gòu)造成風(fēng)扇葉片與扇框磨損或者斷裂的問題，對護(hù)風(fēng)罩進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，由原來的6個(gè)風(fēng)扇共用1個(gè)安裝平面結(jié)構(gòu)改用單個(gè)風(fēng)扇獨(dú)立沖壓座結(jié)構(gòu)，風(fēng)扇獨(dú)立沖壓安裝座再焊接于整個(gè)平板上，更好保證平面度及強(qiáng)度。即使整個(gè)風(fēng)罩上平面不平整，由于各個(gè)風(fēng)扇是獨(dú)立的安裝座，也不會(huì)影響風(fēng)扇運(yùn)行的動(dòng)平衡。新結(jié)構(gòu)護(hù)風(fēng)罩如圖2所示。

圖2 新結(jié)構(gòu)護(hù)風(fēng)罩

針對2種結(jié)構(gòu)進(jìn)行應(yīng)變分析，為了保證劃分網(wǎng)格的質(zhì)量，在劃分網(wǎng)格前先進(jìn)行模型處理，去掉邊角圓、面角圓；由于固定風(fēng)扇的圓孔較小，網(wǎng)格尺寸要控制得比較精細(xì)，綜合考慮，網(wǎng)格劃分尺寸采用3 mm，網(wǎng)格單元101 750個(gè)。

根據(jù)仿真分析結(jié)果顯示，舊結(jié)構(gòu)護(hù)風(fēng)罩形式應(yīng)力集中較多，對風(fēng)扇的安裝影響很大；新結(jié)構(gòu)護(hù)風(fēng)罩形式受力較為均勻，有利于風(fēng)扇的運(yùn)行，延長風(fēng)扇運(yùn)行壽命[6]。

經(jīng)過實(shí)車更換新結(jié)構(gòu)護(hù)風(fēng)罩后再次驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)重新安裝電子風(fēng)扇后均容易保證風(fēng)扇水平安裝，手撥動(dòng)時(shí)均沒有出現(xiàn)風(fēng)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(fēng)扇磨損或斷裂等現(xiàn)象的反饋，該問題得到有效解決。

2.3 水泵調(diào)速改進(jìn)

改進(jìn)水泵控制使之能夠隨著電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)而進(jìn)行調(diào)速，隨著負(fù)荷的變化而變化；同時(shí)要求帶有過載、堵轉(zhuǎn)等故障反饋功能。水泵通過BSD及PWM信號(hào)控制調(diào)速，BSD和PWM信號(hào)具有優(yōu)先級(jí)關(guān)系。

BSD數(shù)據(jù)總線控制具有錯(cuò)誤反饋功能[7]。BSD信號(hào)具有高優(yōu)先級(jí)，可由水泵自動(dòng)探知。如水泵在2 s內(nèi)沒有接收到BSD信號(hào)，信號(hào)源將切換到PWM信號(hào)模式，即按照PWM控制模式進(jìn)行調(diào)速；當(dāng)再次接收到BSD信號(hào)后，水泵立即切換到BSD模式；當(dāng)無法接到BSD及PWM信號(hào)時(shí)水泵啟動(dòng)100%轉(zhuǎn)速運(yùn)行，保證系統(tǒng)安全運(yùn)行。

PWM信號(hào)控制水泵的輸出，不具有報(bào)錯(cuò)反饋功能，控制信號(hào)的電壓范圍為0～3.3 V，其控制信號(hào)的輸入和水泵的輸出之間的關(guān)系如圖3所示。PWM信號(hào)結(jié)合驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)水溫進(jìn)行設(shè)計(jì)，電機(jī)出水溫度為50～60 ℃，對應(yīng)水泵13%～85%進(jìn)行線性調(diào)速。

圖3 PWM信號(hào)的輸入和水泵的輸出之間的關(guān)系

實(shí)車更換水泵及增加水泵調(diào)速線束，控制水泵調(diào)速，實(shí)車電機(jī)溫度基本處于50～60 ℃之間，滿足電機(jī)進(jìn)水口溫度限值60 ℃要求，此時(shí)水泵13%～85%的轉(zhuǎn)速運(yùn)行，發(fā)現(xiàn)水泵噪聲明顯降低，有效解決水泵始終高速運(yùn)轉(zhuǎn)，減少車輛用電的同時(shí)，有效延長水泵運(yùn)行壽命，也大大降低噪聲。經(jīng)過優(yōu)化調(diào)整后，目前該批次車輛的水泵無故障[8]。

3 結(jié)束語

通過調(diào)整風(fēng)扇溫度控制限值，優(yōu)化風(fēng)扇護(hù)風(fēng)罩結(jié)構(gòu)，增加水泵調(diào)速功能，有效解決車輛耗電、風(fēng)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(shè)計(jì)提供較大的幫助[9-10]。