高温高湿环境对纯电动客车的影响研究

刘 剑， 葛 飞， 王 冉

(安徽安凯汽车股份有限公司, 合肥 230051)

高湿环境一般是指相对湿度在70%以上(正常值则在50%左右)，高温环境是指日最高温度超过35 ℃、最低温度超过25 ℃[1]。本文以全地域、全工况使用环境温度超过60 ℃为高温环境，湿度超过90%为高湿环境。客车夏季在沿海地区运行时，温度湿度达到60 ℃和95%以上的可能性较大。

目前，纯电动客车的耐温耐湿性能不强而造成的高压安全、电池性能衰退、整车能耗偏高等关键技术问题普遍存在,不能满足高温高湿环境的城市运营需求。为了使纯电动客车有更高的环境适应性，本文论述高温高湿环境对纯电动客车的影响及改进措施。

1 高温环境对纯电动客车的影响

纯电动客车的高压设备较多，受高温环境影响较大的是高压电气设备和系统控制线路，使得纯电动客车的行驶性能及系统可靠性都大大降低。

1) 对电机的影响。高温环境运行的电机，其温度会更高，空间较为狭窄，散热效率较低，致使电机性能下降，甚至导致转子退磁现象。电机各部分承受的应力大大增加，使得电机各部件材料加速老化甚至失效。研究发现，电机零部件的寿命特征随温度的上升而呈指数下降，高温使电机的永磁体发生永久性退磁，从而影响电机的性能及运行可靠性[2]。电机的电流随着温度的升高而增大，总的损耗随着温度的升高而加大[3]，各个零件还发生一定程度的热胀效应，导致电机损耗增加，效率也会随之下降，缩短其使用寿命[4]。

2) 对系统控制线路的影响。高压电气设备中系统控制电路网的器件多为塑料外壳、橡胶以及塑料绝缘层，本身的受热性能较低，当环境温度超过绝缘材料所能承受的范围，就会出现变形、烧坏、软化等现象，从而导致爬电距离和电气间隙的减少，器件也会出现发粘、熔化等问题，安全绝缘性能下降或失效，会直接造成设备短路等故障[5]。长时间处于高温环境会加快设备的机件材料以及导线绝缘保护层的老化，造成硬化以及脆化裂纹情况，机械强度迅速降低[6]。

3) 对动力电池的影响。在高温环境下电池内阻变大，产生的焦耳热随之增加，寿命也会随之缩短。电池组内部温度急剧上升，极易导致电池组的热失控，从而引发自燃、爆炸等安全隐患[7]。夏季高温环境下，对锂离子电池的各方面性能也都有影响，进而会影响到电动客车的可靠性、安全性和寿命等[8]。研究还发现，动力电池在60 ℃满充条件下导致电池阻抗增加；溶出的Ni、Mn等过渡金属元素破坏负极表面的SEI膜，从而加速活性锂的消耗，造成动力电池容量降低[9]。

4) 对整车能耗的影响。环境温度对电动车续驶里程的影响非常大。高温环境需求的空调系统制冷能量消耗对整车续驶里程能耗有着直接的影响[10]；电池散热系统能耗在高温环境下附加能耗较大,可使充电负荷的峰值增加20%以上，充电量增长30%以上[11-12]。

2 高湿环境对纯电动客车的影响

1) 对电机的影响。高湿环境很容易导致电机周边的湿度急剧增加，对于电机的影响绝不亚于高温环境。电机会因受到湿气的影响而造成绝缘材料介电强度减弱，从而导致表面被击穿以及漏电的情况发生，特别是电机中高压电路和器件受到湿气的影响，会直接导致电机出现瘫痪的可能。电机内部在潮湿的环境中会结成水珠附着于零部件，尤其是当电器件接触点出现水珠时，会在短时间内造成零件氧化以及腐蚀等情况，会出现接触不良以及火花等问题，严重时会直接造成电机损毁[13]。

2) 对系统控制线路的影响。夏季降雨较多的地区，高湿环境较为严重，客车电器内部可能会出现进水或者进汽的状况，如果程度较轻，会出现高压导线和各辅助高压设备插头以及外接充电口绝缘电阻降低、漏电等问题；如果程度较高，则会导致高压电路和开关以及继电器短路、起火等故障，会对乘车人员的安全和企业的财产造成损失。湿度过高，会造成配电器件与电缆外部的绝缘皮发生霉变，使绝缘漏电流增加，绝缘抗电强度降低，易发生事故[14]。

3) 对动力电池的影响。动力电池水份含量过多，会促进电池内电解液的分解，反应机理如下：

LiPF6----LiF+PF5，PF5+H2O----POF3+2HF

从反应式可以看出，在高湿环境下，电解液分解速率加快，电池厚度增加，电池放电容量衰减加快[15]；同时锌的腐蚀速度加快，析气量加大，使电池内压升高和漏液爬延速度加快，电池的安全性存在很大的隐患[16]。

4) 对整车能耗的影响。研究发现:随湿度变大，传动润滑剂中参杂水份较多，润滑特性变化引起阻力变大；轮胎滚动阻力变大，附着力变大，整车能耗就高；一般是湿度越高，空气密度越大，整车空气阻力越大，整车能耗就高[10]。

3 降低高温高湿环境对整车影响的措施

为降低高温高湿环境对纯电动客车性能的影响,建议采取以下措施:

1) 高压设备制造工艺流程和质量首选上乘，从而保证设备的具体载流量以及在热力和动力方面的稳定性合乎要求。

2) 对电路进行电阻值检测，查看参数是否改变，同时对电路的绝缘强度进行检测。

3) 采用高导热的绝缘材料，在绕组与定子间采用绝缘灌封可以有效降低电机工作时绕组失效率；同时在电机设计中减小损耗，降低温升。

4) 对于电机的选取和制备，相应增加绕组并绕根数，同时增加逆变器的载波比，可有效减小绕组交流损耗。

5) 在电机液冷设计时，50%的乙二醇水溶液防冻液，流量≥25 L/min，水温≤60 ℃，具备在过温、过湿、缺相、失速以及工作时负载突变等情况下即时停机保护功能，同时采用周向螺旋水路或者直槽多水路并联结构，提供合理的水流速度以改善电机散热性能。

6) 高压电源线选用耐温150 ℃以上的高温导线，外加阻燃绝缘护套；接插件的防护等级不低于IP67。

7) 选取带冷却器的高温电机，将电机外壳增加散热翅。增加散热翅的电机绕组温升相对于传统电机有较大的降低(降低约30%)，可以延长电机的运行寿命。

8) 整车线束设计应考虑用电器多、瞬间电流大的情况，合理设计采用单芯或者多芯大电流接插件，并有干燥冷却功能，能自动净化水汽和降温。

9) 电池散热系统采用液冷形式，同时传热管道材料选取高导热的绝缘材料。

10) 电池箱内部采用并行通风方式来布置风机冷却单体电池模块，优化电池组的散热效果。

11) 设计封闭电池箱体，内部布置有冷却元器件蒸发器，利用风扇形成内部循环，对电池组的电池单体进行冷却。

12) 如图1所示，电池箱内采用舱门格栅和舱内局部格栅处理，加大自然通风散热效果，同时引入空调冷风通过风道进入电池舱。风道内填充隔热材料,不干胶吸音垫,风道内增设导流板，确保冷风有效引入电池箱，同时在电池箱内安装湿度检测探头实时监控，当湿度过高时，发出报警并显示在仪表台上，提醒驾驶员检查和处理。

图1 空调引风装置

4 结束语

高温高湿环境纯电动客车的研究有助于提升纯电动客车的可靠性、动力性、安全性等综合性能，从而带动新能源客车在全社会各领域大规模广泛推广。