混合动力车用制动电阻散热性能试验研究

孙晓霞，王义春，邵春鸣，王国柱，王 璐

(1.中国北方车辆研究所 100072 北京2.北京理工大学机械与车辆学院 100081 北京)

再生制动是混合动力车辆与传统车辆的一个重 要的区别.所谓再生制动是指在制动时将车辆行驶的惯性能量通过传动系统传递给电机，电机以发电方式工作，为动力电池等储能元件充电，实现制动能量的再生利用.与此同时，产生的电机制动力矩又可通过传动系统对驱动轮施加制动力.由于再生制动利用了原本被消耗于摩擦制动的能量，因而可降低混合动力车辆的能耗，改善车辆的燃油经济性.在目前的混合动力车辆技术研究中，再生制动已成为一种降低能耗、提高燃油经济性进而提高车辆续驶里程的重要技术手段.但是在高强度制动或连续制动过程中，由于电池等储能元件容量的限制，回收得到的电能不能被完全吸收，该情况下则需要采用能耗制动，通过制动电阻将多余的能量转化为热能消耗掉，以保证整车的安全性和可靠性，如图1所示.混合动力特种车辆(例如工程车辆、农业机械车辆、装甲车辆等)工作环境恶劣，有高速急刹，下长坡连续刹车或减速行驶等工况，因此其对于部件的安全性和可靠性有更高的要求.

过去对制动电阻的研究通常集中于电力机车的制动中［1-4］，在该过程中能量转化形式为动能-电能-热能，最后将能量散到空气中.随着全世界混合动力技术的迅猛发展，混合动力车用能耗制动电阻的研究也受到了普遍的关注，但是目前的关注点主要集中在制动电阻的开关控制，以及控制稳定性方面［5-6］，几乎没有关于其传热特性方面的研究.因此本研究以混合动力特种车辆用能耗制动电阻为研究对象，通过试验研究其传热冷却性能.

图1 电制动过程示意图

1 制动电阻特性

1.1 制动电阻材料和结构

根据混合动力特种车辆运行特点，确定某型具有先进热管理系统的混合动力特种车辆制动电阻散热功率为300 kW，考虑到现有的试验条件和试验的可行性，选取试验模型比例为实际设备散热功率的十二分之一.因此模型的最大散热功率为25 kW.试验件箱体为铝质箱体，电阻带材料为镍铬合金，其物性参数均与车上实物所用材料相同，具体见表1.制动电阻的具体结构形式如图2所示.

图2 制动电阻结构简图

表1 镍铬合金材料物性参数

1.2 制动电阻工作过程分析

根据制动电阻的具体结构，制动电阻片单元为一片片平行电阻片串联组成.风道前端布置的冷却风扇驱动空气流过制动电阻，并带走制动电阻工作时产生的热量.风从电阻片的短侧流过，可以有效抑制边界的形成，使流态处于层流和过渡流阶段.当制动电阻工作时，电阻通电发热，随着负荷的增加和时间的推进，电阻温度逐渐升高.同时电阻通过强制通风向环境散热，在任一瞬时，电阻可以达到某一暂态平衡温度.电阻带的瞬态温度值取决于热负荷、迎面风速、环境空气温度以及电阻本身的结构和材料物性等因素的综合影响.

电阻散热相当于一个有内热源的导热问题.伴随着负荷的变化，电阻内发热量也是瞬态变化的.其内部电阻片的传热模型可以简化为矩形通道内平行平板间的换热，电阻片的散热过程以通过空气的强制对流换热为主.对于该模型的传热，前人做了许多研究［7-11］.但是由于实际中电阻片表面粗糙度和电阻片本身的高温辐射影响，电阻片对空气的辐射换热也是不可忽略的.鉴于辐射换热过程的复杂性，现今还没有对该类辐射问题的统一解决方法，因此试验研究成为研究制动电阻散热这一复杂换热过程的有效方法.

2 试验研究

2.1 试验装置

制动电阻台架试验系统按照JB2293—78汽车拖拉机风洞试验方法搭建［12］.试验装置主要由风洞、离心式风机、温度采集系统及电压控制装置组成.试验采用吸入式风洞.其中，风洞入口装有整流格栅;功率通过变压器调节电压来控制;冷却风量通过变频器调节风机转速来控制，其示意图如图3所示.

图3 制动电阻台架试验原理图

2.2 参数测量及计算方法

1)迎面风速的测量.试验中通过读取YYT－200斜管压力计的液柱高度，利用公式(1)计算迎面风速［13-14］.

式中:u为测量段冷却流体流经截面的流速，即迎面风速，m/s;φ为经试验校正的流速系数;γ'为斜管压力计所用液体的容重，N/m;γ为流动气体本身的容重，N/m;hv为斜管压力计测量液注长度的垂直分量，m.

2)冷却空气进出口温度的测量.由于冷却空气进出口温度低于400 K，因此试验中采用Pt100铂电阻温度传感器进行测量，并将结果直接输入温度采集箱，其可以同时读取多路温度，通过计算取平均值，该测量可以减少时间造成的误差.Pt100铂电阻温度传感器标定后的精度为0.1℃.

3)制动电阻表面温度的测量.由于制动电阻表面温度低于900 K，因此试验中采用镍镉-镍硅热电偶，通过UJ33A型直流电位差计测量镍镉-镍硅热电偶丝在冷热两端形成的微电流的大小，利用测量到的微电流的大小，通过镍镉-镍硅分度表可以推算出制动电阻片的表面温度.该类型热电偶能够承受1300℃左右的高温，所以完全能够满足试验要求.

试验数据采集是在工况稳定后进行的，每次工况稳定时间约30 min.热平衡偏差＜5%，重复性试验满足国家标准要求.

3 结果分析及讨论

3.1 散热功率和迎面风速对温度的影响

如图4所示，在散热功率一定的情况下，冷却空气出口温度随风速的增大而降低.在5～10 m/s的低流速阶段，空气出口温度随迎面风速的增加大幅下降，最大降幅为13.7%;在迎面风速为10～25 m/s的中高流速阶段，温度的下降趋势比较平缓，最小降幅为0.3%.同时从图上还可以看到，在风速一定的情况下，冷却空气出口温度随散热功率的增大而升高;而且温度增加的幅度随迎面风速的增大而减小，分别平均为: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%.

如图5所示，在散热功率一定的情况下，制动电阻表面温度随风速的增大而降低.在5～10 m/s的低流速阶段，空气出口温度随迎面风速的增加大幅下降，最大降幅为26.4%;在迎面风速为10～25 m/s的中高流速阶段，温度的下降趋势比较平缓，最小降幅为1.8%.同时从图上还可以看到，在风速一定的情况下，制动电阻表面温度随散热功率的增大而升高.而且温度增加的幅度随迎面风速的增大而减小，分别平均为: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%.

图4 不同功率下冷却空气出口温度随迎面风速变化曲线

图5 不同功率下制动电阻表明温度随迎面风速变化曲线

3.2 工程用关联式拟合

通过分析3.1节试验数据，对样车情况进行具体分析可得:车辆在行驶中，由于特种车辆内部空间的限制和整个散热系统空气流量的分配要求，实际制动电阻迎面风速小于20 m/s.现今对传热方面的研究已有许多以雷诺数为横坐标的试验关联式，但在实际工程应用中，需要简单、便捷、直观的方法来预测温度的变化，因此通过对试验数据点的分析，拟合了风速在5～20 m/s范围内，各个功率条件下，冷却空气出口温度和制动电阻表面温度随迎面风速变化的工程用试验关联式(2)，式中的各项参数分别见表2和表3.

表2 不同功率条件下，冷却空气出口温度随风速变化试验关联式的参数取值

表3 不同功率条件下，制动电阻表面温度随风速变化试验关联式的参数取值

通过样车跑车试验证明，在台架电阻试验功率和样车电阻使用功率成比例对应的情况下，该试验拟合关联式可以很好地预测样车制动电阻的温升变化，从而通过冷却排风扇调节制动电阻箱迎面风速，合理地控制温度变化范围，使得制动电阻在自身温度变化允许范围内满足车辆再生制动过程中的过剩能量消耗，保证了整车行驶的安全性和可靠性.

4 结论

通过台架实验，得到了制动电阻散热过程中冷却空气出口温度和制动电阻表面温度随散热功率和迎面风速的变化规律，得到了相应的试验关联式.得到结论如下:

1)当制动电阻散热功率一定时，冷却出口空气温度和电阻表面温度随迎面风速的增加而降低.在低流速阶段(5～10 m/s)，温度降低幅度较为巨大:冷却空气出口温度的最大降幅为13.7%，电阻表面温度的最大降幅为26.4%.随着流速的增加，温度降低的趋势逐渐趋于平缓.

2)当制动电阻迎面风速一定时，冷却空气出口温度和电阻表面温度随散热功率的增加而增加，而且增长幅度随风速的增加而降低.在5～10 m/s，温度增幅迅速下降;在10～25 m/s，温度的增幅呈线性缓慢下降.在大功率低流速阶段(5～10 m/s)，迎面风速对冷却空气出口温度和电阻表面温度的影响大于散热功率对其的影响.

3)在以上分析的基础上，对试验数据点进行拟合分别得到不同功率下冷却空气出口温度和电阻表面温度随风速变化的试验关联式.两个关联式的误差范围均在－2%～2%范围内.通过样车跑车试验证明该关联式可以很好地预测混合动力车辆电制动过程中制动电阻的温度变化.

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