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(shù)日趨成熟，對電機冷卻系統(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 電機冷卻系統(tǒng)問題及分析

1.1 電機冷卻風(fēng)扇耗電問題

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(fēng)扇很快在中高速運轉(zhuǎn)，每個風(fēng)扇功率380 W,電機冷卻系統(tǒng)有2個電子風(fēng)扇運行，不僅耗電嚴重，而且長期全速運轉(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行，驅(qū)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(fēng)扇啟動控制水溫為45～55 ℃，因此造成風(fēng)扇常在中高速運轉(zhuǎn)。由此判定電機冷卻風(fēng)扇的水溫控制限值的設(shè)置偏低。

1.2 風(fēng)扇磨損斷裂

混合動力散熱器采用三并聯(lián)結(jié)構(gòu)，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(fēng)罩。

部分車輛的電子風(fēng)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(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)扇運行時的動平衡，特別是高速運轉(zhuǎn)下，由于安裝應(yīng)力的存在，路面振動也會造成風(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)，整個風(fēng)扇安裝板焊接于框架上，6個風(fēng)扇安裝在同一個平面上，如圖1所示。整個風(fēng)扇安裝面較大，風(fēng)罩的制作、運輸、車間的裝配等諸多因素均影響風(fēng)扇安裝的水平度。現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)，部分風(fēng)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(fēng)扇的運行壽命[3-5]。

圖1 舊結(jié)構(gòu)護風(fēng)罩

1.3 電機冷卻水泵噪聲大及損壞

客戶反饋電機冷卻系統(tǒng)循環(huán)水泵長期全速運行，導(dǎo)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(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 改進設(shè)計及驗證

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水口處，風(fēng)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(dāng)延遲風(fēng)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(fēng)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(fēng)扇會相對延遲5 ℃再開始運行。

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

2.2 護風(fēng)罩結(jié)構(gòu)改進

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，對護風(fēng)罩進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，由原來的6個風(fēng)扇共用1個安裝平面結(jié)構(gòu)改用單個風(fēng)扇獨立沖壓座結(jié)構(gòu)，風(fēng)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(fēng)罩上平面不平整，由于各個風(fēng)扇是獨立的安裝座，也不會影響風(fēng)扇運行的動平衡。新結(jié)構(gòu)護風(fēng)罩如圖2所示。

圖2 新結(jié)構(gòu)護風(fēng)罩

針對2種結(jié)構(gòu)進行應(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，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(jié)果顯示，舊結(jié)構(gòu)護風(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)護風(fēng)罩形式受力較為均勻，有利于風(fēng)扇的運行，延長風(fēng)扇運行壽命[6]。

經(jīng)過實車更換新結(jié)構(gòu)護風(fēng)罩后再次驗證，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，手撥動時均沒有出現(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

改進水泵控制使之能夠隨著電機運行狀態(tài)而進行調(diào)速，隨著負荷的變化而變化；同時要求帶有過載、堵轉(zhuǎn)等故障反饋功能。水泵通過BSD及PWM信號控制調(diào)速，BSD和PWM信號具有優(yōu)先級關(guān)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(nèi)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(diào)速；當(dāng)再次接收到BSD信號后，水泵立即切換到BSD模式；當(dāng)無法接到BSD及PWM信號時水泵啟動100%轉(zhuǎn)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(guān)系如圖3所示。PWM信號結(jié)合驅(qū)動電機系統(tǒng)水溫進行設(shè)計，電機出水溫度為50～60 ℃，對應(yīng)水泵13%～85%進行線性調(diào)速。

圖3 PWM信號的輸入和水泵的輸出之間的關(guān)系

實車更換水泵及增加水泵調(diào)速線束，控制水泵調(diào)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(zhuǎn)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(zhuǎn)，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(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)計提供較大的幫助[9-10]。