混合动力城市客车电机冷却系统改进

2018-12-14冯水安

客车技术与研究 2018年6期

关键词：冷却系统水箱水温

冯水安

(厦门金龙旅行车有限公司，福建厦门 361000)

混合动力客车作为新能源汽车的重要成员，对节能减排起着重要的作用。混合动力技术日趋成熟，对电机冷却系统的技术要求越来越高。整套冷却系统优化设计可以有效地提高整车节油率、控制成本及大大延长冷却部件的使用寿命。

1 电机冷却系统问题及分析

1.1 电机冷却风扇耗电问题

某市场上运行的一批混合动力城市客车，在夏季，车辆运行后ATS系统的电机冷却风扇很快在中高速运转，每个风扇功率380 W,电机冷却系统有2个电子风扇运行，不仅耗电严重，而且长期全速运转影响风扇的使用寿命[1-2]。

经过现场排查分析，发现该路线车辆由于路况原因常处于低速运行，驱动电机长期处于工作状态，电机水温在夏天较高环境温度下很快达到50 ℃。由于原车电机冷却风扇启动控制水温为45～55 ℃，因此造成风扇常在中高速运转。由此判定电机冷却风扇的水温控制限值的设置偏低。

1.2 风扇磨损断裂

混合动力散热器采用三并联结构，电机水箱布置于中冷器与发动机水箱之间，但中冷器、电机水箱、发动机水箱共用1个组合安装的护风罩。

部分车辆的电子风扇出现磨损甚至断裂，严重影响车辆的运行。经过分析，电子风扇叶片与扇框间隙很小，对安装平面的水平度要求极高。护风罩平面制作不平整，或者安装无法保证水平的情况下，易影响风扇运行时的动平衡，特别是高速运转下，由于安装应力的存在，路面振动也会造成风扇的应力集中位置疲劳断裂。原车风扇安装面采用整体式结构，整个风扇安装板焊接于框架上，6个风扇安装在同一个平面上，如图1所示。整个风扇安装面较大，风罩的制作、运输、车间的装配等诸多因素均影响风扇安装的水平度。现场发现，部分风扇用手拨动的时候就会出现叶片与扇框摩擦的现象，从而影响风扇的运行寿命[3-5]。

图1 旧结构护风罩

1.3 电机冷却水泵噪声大及损坏

客户反馈电机冷却系统循环水泵长期全速运行，导致部分车辆电机冷却水泵出现损坏，从而进一步引起电机水温偏高，影响车辆运行。

实车水泵只要启动钥匙到ON挡就全速运行，该水泵电路目前仅有通断控制，水泵消耗功率为260 W，由于没有调速控制，造成车辆耗能较大，噪声较大，也影响水泵自身使用寿命。

2 改进设计及验证

2.1 风扇控制温度调整

原车水温传感器安装于上水室即水箱进水口处，风扇启动控制水温为45～55 ℃。由于电机进水口温度限值60 ℃，即要求水箱出水口温度不高于60 ℃，所以在满足电机冷却的条件下，可以适当延迟风扇启动。分析同状态样车测试报告，电机水箱进水口的温度比出水口高5 ℃。为了延迟风扇起始运行控制水温点，将进水口处的水温传感器拆下，安装于水箱出水口，此时由于电机水箱进出水口的温差，风扇会相对延迟5 ℃再开始运行。

通过整改后验证，电子风扇转速迅速下降很多，工作时几乎都在低速运转，风扇耗电大大减少，同时也保证了电机冷却效果。

2.2 护风罩结构改进

为了解决因风罩结构造成风扇叶片与扇框磨损或者断裂的问题，对护风罩进行结构优化，由原来的6个风扇共用1个安装平面结构改用单个风扇独立冲压座结构，风扇独立冲压安装座再焊接于整个平板上，更好保证平面度及强度。即使整个风罩上平面不平整，由于各个风扇是独立的安装座，也不会影响风扇运行的动平衡。新结构护风罩如图2所示。

图2 新结构护风罩

针对2种结构进行应变分析，为了保证划分网格的质量，在划分网格前先进行模型处理，去掉边角圆、面角圆；由于固定风扇的圆孔较小，网格尺寸要控制得比较精细，综合考虑，网格划分尺寸采用3 mm，网格单元101 750个。

根据仿真分析结果显示，旧结构护风罩形式应力集中较多，对风扇的安装影响很大；新结构护风罩形式受力较为均匀，有利于风扇的运行，延长风扇运行寿命[6]。

经过实车更换新结构护风罩后再次验证，发现重新安装电子风扇后均容易保证风扇水平安装，手拨动时均没有出现风扇叶片与扇框摩擦的现象，整改后至今也没有接到出现电子风扇磨损或断裂等现象的反馈，该问题得到有效解决。

2.3 水泵调速改进

改进水泵控制使之能够随着电机运行状态而进行调速，随着负荷的变化而变化；同时要求带有过载、堵转等故障反馈功能。水泵通过BSD及PWM信号控制调速，BSD和PWM信号具有优先级关系。

BSD数据总线控制具有错误反馈功能[7]。BSD信号具有高优先级，可由水泵自动探知。如水泵在2 s内没有接收到BSD信号，信号源将切换到PWM信号模式，即按照PWM控制模式进行调速；当再次接收到BSD信号后，水泵立即切换到BSD模式；当无法接到BSD及PWM信号时水泵启动100%转速运行，保证系统安全运行。

PWM信号控制水泵的输出，不具有报错反馈功能，控制信号的电压范围为0～3.3 V，其控制信号的输入和水泵的输出之间的关系如图3所示。PWM信号结合驱动电机系统水温进行设计，电机出水温度为50～60 ℃，对应水泵13%～85%进行线性调速。

图3 PWM信号的输入和水泵的输出之间的关系

实车更换水泵及增加水泵调速线束，控制水泵调速，实车电机温度基本处于50～60 ℃之间，满足电机进水口温度限值60 ℃要求，此时水泵13%～85%的转速运行，发现水泵噪声明显降低，有效解决水泵始终高速运转，减少车辆用电的同时，有效延长水泵运行寿命，也大大降低噪声。经过优化调整后，目前该批次车辆的水泵无故障[8]。