复杂气候条件下纯电动客车集成控制器凝露测试研究

申江卫，李子越，刘珂，李磊磊，赵广达

（650500 云南省 昆明市 昆明理工大学 交通工程学院）

0 引言

纯电动客车集成控制器内部集成了电机及整车控制器、DC/AC、DC/DC 电源等多个集成电路控制原件，具有体积小、质量轻、高功率密度、可靠性高等特点，是未来的发展趋势。我国幅员辽阔，汽车复杂多变的实际运行环境对集成控制器的稳定运行提出了极大挑战，其中亚热带季风气候常有的高温高湿和低温高湿环境更是催生凝露产生的主要环境。凝露导致电气件的绝缘性能降低，造成电气设备闪络和零部件腐蚀[1]。

电动汽车因集成控制器内部凝露短路而引起的事故时有发生，严重威胁行车安全。目前研究人员针对电力系统户外设备受凝露影响、凝露生成机理以及如何防治凝露的生成做出了大量试验与仿真模拟研究，加深了对电气设备凝露生成过程及原因的理解[2]。文献[3]研究了环网柜不同环境温湿度条件下的凝露情况。

虽然在电气设备领域已有学者针对凝露产生开展了一定研究，但目前暂未发现针对电动汽车集成控制器凝露生成与测试的相关研究。电动汽车运行环境复杂多变，与户外电力设备有较大差异，且电动汽车保有量日益增大，对于提高运行可靠性有强烈需求，因此对于集成控制器凝露相关问题的分析研究有着重要意义。

为总结典型气候条件下集成控制器内部凝露形成特点，本文研究了我国典型城市气候特征，选择具有亚热带季风气候特点和易发凝露的典型城市，基于其全年实际温湿度数据构建典型气候条件测试工况，然后搭建了可模拟复杂气候条件和车载环境的集成控制器凝露测试试验台，分析了典型气候条件下凝露的形成条件、形成时间、形成位置，为电动汽车集成控制器凝露的防控提供参考。

1 控制器结构及凝露生成机理

1.1 控制器结构

本文的研究测试对象为某型纯电动客车用集成控制器，其结构如图1 所示。该控制器集成电机控制、DC/AC、DC/DC 电源和整车控制器等功能模块整合集成，其内部结构较为复杂。控制器箱体外轮廓呈900 mm×500 mm×250 mm 的阶梯形状，内部下层层板上端承载控制器集成电路板，上层层板承载其它附加设施，左侧凸出部分完成线束的接入接出，控制器工作室内部电子元器件产生热损耗，从而导致内部温度升高。同时仅在前后两侧对称布置有两个防水呼吸阀与外界环境进行空气交换。

1.2 凝露生成机理

电气系统中，凝露指的是各种设备的柜体内壁表面温度下降到露点温度以下，内壁表面发生水珠凝结的现象，而相对湿度是决定凝露生成的重要参数，当空气中相对湿度达到100%时即有凝露产生。相对湿度是绝对湿度和最高湿度的比值，计算公式[1]为

式中：ρω——绝对湿度，g/m3；ρω，max——最高湿度，g/m3；e——蒸汽压，Pa；Rω——水的气体常数，461.52 J/(kg·K) ；T——温度，K。

在一定的温度条件下，空气中的相对湿度越高，凝露的温度越接近环境温度，凝露越容易发生，因此凝露的发生主要取决于外部温度、内部温度、相对湿度以及露点温度[2]。

2 凝露试验观测平台搭建及凝露实验设计

2.1 城市工况的选用

我国气候复杂多变，亚热带季风气候区域在我国覆盖范围巨大，该气候区域常有高温高湿、低温高湿和剧烈温湿度变化等气象特征，对集成控制器的安全运行带来了巨大的挑战，本文选取易发凝露的亚热带季风气候条件进行凝露测试研究。根据气象数据[4-5]，本文选取具有典型亚热带季风气候的昆明和广州构建凝露测试温湿度测试工况，开展凝露测试与形成机理研究。昆明常有强降水和极端温度天气发生，蒸发旺盛，降雨集中，温湿度变化快；广州地处沿海，水蒸气丰富，空气含湿量大，年平均相对湿度达78%左右，多半年都呈现高温高湿状态，易达到凝露条件。根据纯电动汽车的使用特点，本文将2 城四季6:00～18:00 的平均温湿度数据设定为实验测试工况。图2 为本文选定的广州市春季全天的温湿度变化数据。

2.2 凝露试验观测平台搭建

本文以温湿度交变试验箱为实验平台的主要设备，结合温湿度传感器、可控温加热金属板等设备，模拟集成控制器在实际运行过程中的温湿环境，实验观测平台搭建如图3 所示。具体步骤如下：

（1）将集成控制器箱体放置于温湿度交变试验箱中，通过温湿度交变试验箱模拟大气环境温湿度变化，实验过程中集成控制器箱体与实验箱内壁保留一定距离，避免触碰试验箱内壁；

（2）为模拟实际汽车运行中元器件的发热情况，根据电路板实际尺寸定制了2 块铝制可控温加热板（170 mm×90 mm×20 mm），将其固定在原集成电路板位置，与箱体无直接接触。为接近集成控制器的实际工作情况，根据实际车载应用下采集数据的集成控制器内部温度，将内部可控温加热板温度设为150 ℃，可使本平台实验条件下温度与实际车载基本一致；

（3）在箱体内部分散布置4 个温湿度传感器探头，对不同位置的探头进行编号，设置为每隔10 s 记录一次内部温湿度数据；

（4）在箱体顶盖上粘贴试纸，该试纸遇水会变红，作为凝露形成点的判断依据。通过USB 摄像头观测水分检测试剂，记录凝露产生时间。

2.2.1 实验流程与参数设置

通过调节温湿度交变试验箱的温湿度，在设备内部相对密闭环境和外界之间形成温度差，以模拟城市工况的气候环境。实验过程与步骤如下：

（1）设置高低温试验箱温度和湿度为选定城市早上6:00 温湿度并保持不变，将集成控制器放置在温箱中静置4 h，使控制器内外温湿度条件达到平衡状态；

（2）实验开始4 h 后设置高低温试验箱按照城市6:00～22:00 温湿度条件自动调节，模拟清晨车辆放置时集成控制器内外部温湿度交换；

（3）实验开始6 h后启动集成控制器内加热板，控温加热板温度设置为最高150℃，模拟车辆启动后内部元器件工作发热过程；

（4）实验开始20 h 后关闭集成控制器内加热板，使其自然降温，模拟车辆停车内部电子元器件停止工作和发热过程；

（5）实验开始22 h 后关闭高低温试验箱，打开集成控制器，拍照检查内部凝露生成位置和面积，并保存实验过程中摄像头和温湿度传感器采集图像和数据，一次实验结束；

（6）分别选择昆明和广州四季各一天数据进行凝露生成测试，每组温湿度工况重复进行3 次实验。

3 凝露试验结果与分析

为总结分析集成控制器在昆明、广州不同季节试验条件下的凝露规律，本文对上述试验结果进行了统计。图4 为两城市在不同季节温湿度工况条件下控制器内部凝露生成情况。

从图4 中可以看到：

（1）在所选城市中，春季和冬季均容易出现凝露现象。在3 次重复试验中，昆明和广州在春季和冬季的城市工况下均出现了轻微凝露。夏季和秋季仅有昆明产生大量凝露，广州无凝露产生；

（2）对昆明和广州的总体凝露情况进行比较发现，昆明全年均出现了凝露现象，广州只在春季和冬季出现凝露现象；两城都具有夏秋不分明的特点，夏秋两季的凝露情况较为一致。

深入分析试验时城市工况下控制器内部的温湿度变化。图5 为广州春季城市工况条件下控制器箱体内4 只温湿度记录仪所记录的试验过程中的温湿度变化过程。

根据试验结果可知：

（1）未开启加热模块时，箱体内相对温度约2 h 达到稳定；开启加热模块后，箱体内各处温度迅速呈现不同程度的升高，1、3 号传感器区域温度平均升高10 ℃左右，2、4 号传感器升温幅度约30℃，箱体内温度随着工况程序的运行呈持续上升趋势，约30 min 达到平衡并保持稳定，关闭加热后4 只传感器温度均迅速下降；

（2）未开启加热模块时，箱体内相对湿度约2 h 达到稳定，接近防水呼吸阀的1、3 号传感器相对湿度约75%，2、4 号传感器相对湿度约65%；

（3）开启加热模块后，1、3 号传感器所在区域的相对湿度有明显的先升高再迅速下降的过程，其中1 号传感器更为明显，并采集到该城市工况下的湿度最大值。通过观察箱体内部视频数据可知，此时内部1、3 号记录仪位置出现凝露现象；2、4号传感器相对湿度则开始迅速下降，在相对湿度下降到一定水平后开始以较缓的速率降低。

综合分析认为：

（1）未开启加热模块时，箱体内温度低于外界环境温度，通过空气和箱体热传递，内部温度会逐渐达到平衡状态；开启加热模块后，所有区域温度持续上升，越靠近发热源区域温升更多，此时控制器内温度环境迅速达到平衡；关闭加热后平衡被破坏，温度迅速降低；

（2）未开启加热模块时，箱体内所有区域相对湿度会迅速达到平衡，靠近防水呼吸阀区域更易于湿空气输送，因此相对湿度较内部区域更高；

（3）开启加热模块后，靠近防水呼吸阀附近区域相对湿度有明显的先升高再迅速下降的过程，此时控制器内部空气温度快速升高，而控制器内壁温度则受外界环境温度影响变化较小，内部湿热空气接触到较冷的控制器内壁后产生凝露。

4 结论

为探究纯电动汽车集成控制器内部的凝露产生规律，搭建了城市工况凝露试验观测系统，模拟了集成控制器在城市实际温湿度条件下的工作过程，并进行了2 个城市的四季试验。根据试验结果可得以下结论：

（1）昆明、广州两城在夏、秋两季均为高温且湿度大幅度变化，昆明温度较广州更低且湿度变化大，广州温度更高但湿度变化范围较小，昆明有明显凝露而广州无凝露产生；

（2）昆明和广州在春季和冬季温湿度变化幅度巨大，急剧的温度变化冲击集成控制器箱体内部环境的稳定，在高湿度的环境下箱体内部温度没有环境温度变化迅速，内部极易产生凝露；

（3）试验中，凝露易产生于高湿且温度变化幅度大的气候环境，且多在开启加热模块后的短时间内出现在靠近呼吸阀的一侧内壁上，对应实际情况中为集成控制器开启工作后的短时间内，凝露多在靠近呼吸阀的一侧产生。