純電動客車集成控制器凝露形成機理與測試研究

李磊磊，趙廣達，劉珂，李子越，申江衛，顏文勝

（650500 云南省 昆明市 昆明理工大學 交通工程學院）

0 引言

隨著新能源汽車市場的迅猛發展，電動汽車的銷量節節攀升，但是車輛在不同地域的實際運行環境復雜多變，電動汽車集成控制器內部不斷變化的溫度條件易引起凝露產生，給電動汽車的穩定可靠工作帶來了巨大的挑戰。凝露對高壓電路設備的危害主要表現在其導致電氣絕緣性能下降，引發設備絕緣“閃絡”和對零部件腐蝕，使之喪失絕緣性能等方面[1]。電動汽車因集成控制器內部凝露產生短路而引起的整車故障時有發生[2]。

當前，相關人員集中于對電力系統戶外設備受凝露影響特征、凝露生成機理以及防治措施開展試驗與仿真模擬研究[3-4]，加深了對電氣設備凝露生成過程及原因的理解，然而車用集成控制器的內部構造復雜、溫度變化迅速且使用地域廣泛，使用環境亦是千差萬別，這使得其與電力系統戶外設備相比，內部產生凝露的形成特征與機理研究更加難以實施和開展。

目前，尚未有針對車用集成控制器凝露現象開展較系統的試驗研究，亦缺少能夠有效監測凝露生成變化的裝置措施，無法明確給出控制器在運行過程中凝露生成的條件、過程及理論，因此，搭建控制器內部凝露觀測和外部環境模型系統，觀測凝露發展過程及易發部位，模擬不同地域復雜氣候，快速有效研究車輛集成控制器凝露形成特征與機理，對提升電動汽車集成控制器可靠性具有非常重要的研究意義。

1 控制器結構及凝露生成機理

1.1 控制器結構

本文以某型號純電動客車用多合一集成控制器為研究測試對象，其集成了雙電機控制、雙DCAC，DCDC 電源和整車控制器等功能模塊，布局緊湊，其內部結構簡圖如圖1 所示。

控制器外廓尺寸呈900 mm×500 mm×250 mm的不規則長方體形狀，內部中間承臺部分承載控制器集成電路板，近控制器上表面有上層層板承載其他附加設施，左側凸出部分為線束接入接出部位。工作過程中，箱體內電子元器件產生的熱損耗會導致內部溫度升高。同時，該型號控制器滿足IP67 防水等級[5]，僅在前后兩側對稱布置有2 個防水呼吸閥與外部環境相通連。

圖1 集成控制器內部結構簡圖Fig.1 Internal structure of integrated controller

1.2 凝露生成機理

當電氣設備箱體內壁表面溫度降到露點溫度以下時，水蒸氣便會從濕空氣中以凝結水的形式析出，內壁表面發生水珠凝結現象。凝露是一種氣液導熱現象，發展過程遵循傅里葉定律[6]，即

式中：JT——熱流密度，W/m2；?T/?r ——熱傳輸方向上的溫度梯度；K——熱導率，W/(m·K)。

該定律表明，單位時間內，通過給定截面的熱量與法向截面面積和溫度變化率成正比。而熱量傳遞方向則與溫度降低方向一致。

影響凝露形成的因素主要有：箱體內溫度、濕度；環境溫度、濕度和露點溫度。當箱體內相對濕度越高或箱體內外溫差越大時，箱體內壁面越容易出現凝露[7]。

2 試驗平臺搭建及測試方案

2.1 試驗觀測平臺搭建

本文以溫濕度交變試驗箱等設備搭建試驗平臺，綜合考慮集成控制器在實際運行過程中所處的高溫高濕、低溫高濕等氣候環境及車輛運行、停機的使用環境，研究車用集成控制器在不同溫濕度條件下的內部凝露凝結部位、凝露產生過程，研究控制器內部溫度、濕度變化下的凝露發展規律。

試驗平臺由以下3 個部分組成：

（1）控制器外部環境模擬模塊。采用溫濕度交變試驗箱模擬集成控制器所處的外部環境，按試驗方案實時調節溫度和濕度。

（2）控制器內部環境模擬模塊。實際工作過程中，控制器內部發熱情況不能忽視，參考集成控制器在實際運行中的熱損耗情況，根據實際電路板尺寸定制兩塊170 mm×90 mm×20 mm 的鋁制可控溫加熱板放置于控制器內部，并模擬集成電路板在控制器內部的安裝方法放置加熱板的位置。

（3）試驗結果顯示及監測模塊。為全程監測凝露形成前后箱體內部的溫濕度條件及實際生成情況，在控制器箱體上蓋板表面粘貼水分檢測試紙，檢測試紙遇水會由白色變成紅色；箱體內不同位置分散布置4 只溫濕度記錄儀并編號；在適當區域布置廣角USB 攝像頭對粘貼試紙區域進行實時圖像監測。整體測試平臺如圖2 所示。

圖2 凝露觀測系統布置圖Fig.2 Condensation observation system layout

2.2 試驗測試方案

為更加全面地探究控制器內部凝露形成的實際邊界條件，本文利用搭建的環境試驗平臺模擬集成控制器的工作條件，還原控制器從未開始工作—開始工作—結束工作的全過程。試驗過程中所要控制的變量有：集成控制器所處環境的溫度、濕度條件，集成控制器內部加熱模塊溫度條件及開啟、關閉時機。

考慮中國主要城市標準年氣象數據[8]、整車實際運行條件及凝露形成機理，確定試驗相對濕度范圍為60%～90%，溫度范圍為10～40 ℃。根據實測車載應用時控制器內部溫度分布情況，經反復測試將集成控制器內部加熱模塊溫度值設定為150℃，可使實驗室測試條件下控制器內部工作溫度與實車工作時基本一致。

試驗共進行16 組，溫濕度交變試驗箱所模擬的外部環境溫濕度情況如表1 所示。

表1 試驗溫濕度組合Tab.1 Test temperature and humidity combination

調節溫濕度交變試驗箱內的溫濕度，從而形成設備的內、外環境差，以模擬集成控制器所處的外部氣候環境。適時控制控制器內部加熱模塊的開啟與關閉時機，模擬車輛的實際運行情況。實驗具體實施步驟如圖3 所示。

圖3 試驗流程圖Fig.3 Test flow chart

3 試驗結果

圖4 為表1 所述試驗條件下控制器內部凝露生成情況。

由圖4 可知：當溫度一定時，外部環境相對濕度越高，越容易出現凝露現象。試驗中，當外部環境濕度達到90%以上時，在10～40 ℃環境條件下控制器內部均有凝露產生；在相對濕度一定時，環境溫度越低，越容易導致控制器內部凝露生成。當外部環境溫度低于20 ℃時，在空氣濕度高于70%條件下，控制器內部均有凝露產生。

圖4 試驗凝露情況Fig.4 Test condensation

為進一步分析試驗過程中控制器內部不同位置的溫濕度變化情況，對控制器內4 個不同位置溫濕度變化過程進行了分析。圖5—圖8 為外部環境溫度10 ℃，相對濕度70%條件下，控制器箱體內4 只溫濕度記錄儀所記錄的試驗過程中的溫濕度變化數據。

圖5 1號溫濕度記錄儀數據Fig.5 No.1 temperature and humidity recorder data

圖6 2 號溫濕度記錄儀數據Fig.6 No.2 temperature and humidity recorder data

圖7 3 號溫濕度記錄儀數據Fig.7 No.3 temperature and humidity recorder data

圖8 4 號溫濕度記錄儀數據Fig.8 No.4 temperature and humidity recorder data

根據試驗結果可知：（1）控制器在未通電工作狀態下，需要近2 h 完成內外部溫濕度交換并達到穩定均一的平衡狀態，原因是防水呼吸閥的通量較小，箱體內部與外界的空氣交換進行需要更多的時間；開啟加熱模塊后，箱體內各處溫度迅速升高，很快達到平衡并保持穩定，但箱體內各處穩定溫度值有所差異：（2）1 號、3 號溫濕度記錄儀所處位置溫度較低，2 號、4 號所處位置穩定溫度較高，箱體內相對濕度隨著加熱時間的延長呈持續下降趨勢。考慮不同溫濕度記錄儀與加熱模塊互有遠近，因此各處的溫度不同，而箱體內空氣容納水蒸氣的能力隨著溫度的增加而提高，相對濕度值則隨之降低；（3）箱體內不同位置的濕度環境在開啟加熱模塊前后有不同的變化過程：1 號和3 號溫濕度記錄儀所處位置的相對濕度在開啟加熱模塊后的30 min 內有明顯的急劇升高再下降的過程，且1 號更為明顯，亦在此時測得整個試驗過程中的最高濕度值；2 號與4 號位置的濕度在開始加熱后隨即下降。產生此現象的原因可歸結為：加熱模塊開啟后，1、3號記錄儀位置的溫度增幅較小，與2、4 號位置有近2 倍的差距，所以1、3 號位置空氣容納水蒸氣的能力較弱，在同樣的絕對濕度情況下，表現為相對濕度的劇烈增加。之后，隨著箱體內部與外界環境的交換融合，相對濕度亦隨之降低。

對照試驗實測結果和箱體內部視頻數據可知，箱體內部在測得最高濕度值時，集成控制器箱體靠近防水呼吸閥一側邊緣部分存在凝露產生，如圖9、圖10 所示。其所示位置對應控制器內部1，3 號溫濕度記錄儀監測位置。表2 為箱體內測得最高濕度值時內部溫濕度情況。

圖9 視頻監控下內部凝露情況Fig.9 Internal condensation under video surveillance

圖10 控制器內部凝露情況Fig.10 Condensation inside the controller

由表2 可知，1 號記錄儀所處位置記錄到最高濕度值時，4 號記錄儀所處位置濕度最低。而在試驗平臺的布置中，1 號、3 號溫濕度記錄儀所處位置靠近控制器箱體邊緣，距離加熱模塊較遠，2 號、4 號距離則較近。這表明，在加熱模塊開啟后，控制器內部距離熱源越遠的位置相對濕度越高，凝露出現概率越大，反之概率較小。

表2 箱體內最高濕度值及對應溫度Tab.2 Maximum humidity in the cabinet and corresponding temperature

4 結論

為探究純電動客車集成控制器在恒溫恒濕條件下的凝露規律，搭建凝露試驗觀測系統，模擬集成控制器實際的工作過程，進行多種溫濕度條件下的試驗。根據試驗結果可得以下結論：（1）在10～40℃環境溫度下，當環境相對濕度高于80%時，集成控制器工作一段時間后均會導致內部凝露產生；而當環境相對濕度低于60%時，整個工作過程中集成控制器內部不會生成凝露；（2）集成控制器開始工作后，內部器件開始放熱，近發熱源位置的溫度較高不易生成凝露，但在遠離發熱源，靠近防水呼吸閥邊緣位置，會出現濕度突然上升的現象，從而引發凝露生成。

根據上述結論，針對集成控制器在實際運行過中產生凝露威脅行車安全的問題，可采取以下措施進行防治：（1）合理設計集成控制器箱體散熱模塊，盡可能降低箱體不同部位的溫差，阻斷凝露形成的條件；（2）在集成控制器箱體靠近防水呼吸閥邊緣位置投放可循環使用的吸濕材料，達到調節內部濕度的作用，從而降低形成凝露的概率；（3）對控制器內部的重要電氣接口涂敷疏水材料，避免水汽沾染，從而保證電氣設備的正常使用。