淺談24V車載空調(diào)外機(jī)結(jié)構(gòu)的電氣安全設(shè)計

汪楠 劉乾坤

廣東美的制冷設(shè)備有限公司 廣東佛山 528311

1 引言

車載空調(diào)也叫駐車空調(diào)，是安裝在卡車上重要的溫度調(diào)節(jié)裝置[1-2]。本文所介紹的24 V車載空調(diào)，屬于分體式空調(diào)，其性能、參數(shù)與常規(guī)的220 V家用空調(diào)相比能力偏低，功率在2000 W左右，為保證安全性選擇使用非可燃性制冷劑。最大不同之處是所有的電器元件如電機(jī)、壓縮機(jī)均為24 V啟動規(guī)格。與普通的家用空調(diào)對比，車載空調(diào)面臨更惡劣的使用場景。因?yàn)檐囕d空調(diào)需要隨著車體運(yùn)行，長期承受來自車體的顛簸和震動，遇見惡劣路況，承受的破壞更多[3]。同時車載空調(diào)需要在日曬或雨淋等惡劣環(huán)境下長期運(yùn)轉(zhuǎn)。比如日曬導(dǎo)致腔體溫度過高以及24 V元器件本身額定電流增大，線組和電控元器件的規(guī)格相應(yīng)增大，導(dǎo)致發(fā)熱過高引起的溫升超標(biāo)、電控異常問題；淋雨引發(fā)的腔體進(jìn)水、線體短路等電氣安全問題；震動引起的外機(jī)斷裂、強(qiáng)度不足問題。因此車載空調(diào)對可靠性的要求特別嚴(yán)苛。在所有的破壞因素中，電控方面的因素最為關(guān)鍵，極其可能導(dǎo)致空調(diào)運(yùn)行失效。同時淋雨、灼燒、溫升三個試驗(yàn)合格的條件是相互制約的，比如腔體密封利于淋雨、灼燒，但是不利于溫升散熱。增加海綿改善淋雨，又額外給灼燒增加了可燃物。所以本文重點(diǎn)討論淋雨、灼燒、溫升三個方面的可靠性以及如何尋找一個平衡的最優(yōu)解。

2 淋雨測試的必要性以及解決辦法

2.1 淋雨試驗(yàn)的測試方案以及條件

與常規(guī)的空調(diào)外機(jī)對比，車載空調(diào)外機(jī)所面臨的環(huán)境更加的惡劣，因?yàn)榭ㄜ囆旭偟穆窙r、角度、方向都會導(dǎo)致外殼某一個角度防水失效，使雨水進(jìn)入腔體。因此要模擬車輛行駛過程中的爬坡、轉(zhuǎn)彎等特殊條件下的實(shí)際情況。爬坡和轉(zhuǎn)彎的時候可以讓空調(diào)外機(jī)失去平衡，形成一定的角度，給了水滴運(yùn)動的動力。凝結(jié)的水珠在傾斜的零部件上流動，同樣存在電氣安全隱患。暴風(fēng)雨天氣，空調(diào)停止使用，但是外機(jī)的風(fēng)會導(dǎo)致風(fēng)扇反轉(zhuǎn)，同樣會導(dǎo)致水流向壓縮機(jī)腔。實(shí)驗(yàn)室主要參照GB/T 4208-2017標(biāo)準(zhǔn)中的IPX4級防水要求進(jìn)行試驗(yàn)[4]，同時可以自定義加測非標(biāo)試驗(yàn)，比如模擬爬坡、轉(zhuǎn)彎，以及模擬反轉(zhuǎn)加長測試時間等輔助評估。

2.2 淋雨試驗(yàn)的解決方案

常規(guī)淋雨測試合格后，需要模擬空調(diào)在不通電情況下軸流風(fēng)葉受外部風(fēng)力影響下引起的反轉(zhuǎn)淋雨情況，以及此狀態(tài)下的爬坡、轉(zhuǎn)彎情況。通過測試發(fā)現(xiàn)，反轉(zhuǎn)的時候部分雨水會通過如圖1箭頭所示路徑，以及頂蓋與電器盒之間的間隙流入壓縮機(jī)腔。而壓縮機(jī)腔內(nèi)有包含壓縮機(jī)接線端子、內(nèi)外機(jī)連接線端子以及各種線體，此類端子、線體均不可以出現(xiàn)水滴，否則有嚴(yán)重的電氣安全隱患。反轉(zhuǎn)時雨水運(yùn)行路徑，如圖1所示。

圖1 反轉(zhuǎn)測試雨水傳播路徑

反轉(zhuǎn)即是風(fēng)葉在外力作用下順時針運(yùn)轉(zhuǎn)，風(fēng)葉會把水滴打散成霧狀再吹向壓縮機(jī)腔。如圖2所示，電控盒以及線體會匯集很多細(xì)小的水珠，以及飄落的水霧凝結(jié)成的水滴。為了解決此問題，必須在水滴流動路徑上進(jìn)行阻隔，并且要考慮散熱，確保不影響溫升。

圖2 淋雨測試異常實(shí)況圖

針對以上異常，同時兼顧溫升的散熱情況，設(shè)計方案的時候要確保一個原則，即過風(fēng)不過水的原則。因此要將能夠進(jìn)水的，特別是鈑金件工藝缺口造成的縫隙，使用海綿進(jìn)行填補(bǔ)。針對電控盒上表面與頂蓋之間的間隙，需要利用圖3中的海綿，確保雨水被攔在電控盒的左側(cè)，無法進(jìn)入端子以及線體。海綿可以與電機(jī)支架本身的海綿合并成一塊，既起到了頂蓋與電機(jī)支架之間隔音的作用，又起到了隔水的作用。

圖3 頂蓋海綿粘貼示意圖

特別注意，在冷凝器與電控盒支架之間預(yù)留了一條過風(fēng)的路徑，主要是為了不影響冷凝器換熱。因?yàn)槔淠魇峭ㄟ^翅片與空氣實(shí)現(xiàn)熱交換，如若被電控盒擋住，冷凝器對應(yīng)的位置，不會有風(fēng)流通，沒有腔體外空氣流入帶走熱量，就會影響散熱。因此必須在電控盒跟冷凝器之間留有一定的距離，確保空氣流通。但是試驗(yàn)表明，風(fēng)葉反轉(zhuǎn)的時候此處極易出現(xiàn)進(jìn)水，所以需要增加如圖4所示的黑色海綿，既保證了風(fēng)的流通，又阻礙了水的流動路徑。綜上，按此方案可以解決車載空調(diào)在特殊環(huán)境中的反轉(zhuǎn)、爬坡、拐彎中的防淋雨問題。

圖4 冷凝器海綿粘貼示意圖

3 灼燒試驗(yàn)的必要性以及解決辦法

3.1 灼燒試驗(yàn)的測試方案以及重要性

車載空調(diào)固定在卡車的車頭位置，緊靠著駕駛室，因此防火可靠性是安全因素中的重中之重。一旦出現(xiàn)燃燒現(xiàn)象，將危及車體以及駕駛者人身安全，因此務(wù)必保證車載外機(jī)的防火性能。實(shí)驗(yàn)室中主要通過以下三種方法引燃外機(jī)進(jìn)行驗(yàn)證，測試方法以及檢測標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)通用安全標(biāo)準(zhǔn)IEC 60335-1以及企業(yè)內(nèi)部測試標(biāo)準(zhǔn)QMK-J074.0050-2017。

3.1.1 電熱絲引燃強(qiáng)制燃燒試驗(yàn)方法

在產(chǎn)品的試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)對象部位（如強(qiáng)電端子連接部位等）用鎳鉻合金電熱絲，令目標(biāo)對象上升到起火的溫度進(jìn)行強(qiáng)制燃燒試驗(yàn)。

3.1.2 燃燒劑強(qiáng)制燃燒試驗(yàn)方法

在產(chǎn)品的試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)對象部位（帶電部件保持固定或直接接觸-鄰近零件材料，如變壓器、馬達(dá)、線組附帶的連接器等）設(shè)置甲醇系的固體酒精，用點(diǎn)火加熱裝置點(diǎn)火進(jìn)行強(qiáng)制燃燒試驗(yàn)。

3.1.3 電解液污染拉弧起燃強(qiáng)制燃燒試驗(yàn)方法

在產(chǎn)品的試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)對象部位（如電路板、接線座異電極間、溫控器等存在污染可能起火的部位）采用5%濃度的氯化銨溶液進(jìn)行噴灑后對機(jī)器進(jìn)行通電，直至帶電部位電極間發(fā)生拉弧起火進(jìn)行強(qiáng)制燃燒試驗(yàn)。

3.2 灼燒試驗(yàn)的現(xiàn)狀以及異常分析

模擬測試的時候發(fā)現(xiàn)，壓縮機(jī)腔的大量線體、壓縮機(jī)隔音棉、接線端子均為可燃物。雖然線體、隔音棉等已經(jīng)使用阻燃材料，但是阻燃材料并不能徹底解決灼燒風(fēng)險。外機(jī)壓縮機(jī)腔是一個相對封閉的腔體，但是出風(fēng)格柵處卻有大量的空氣，加上空調(diào)運(yùn)轉(zhuǎn)的時候會形成一個空氣從壓縮機(jī)腔向格柵處流動的趨勢，形成負(fù)壓。火焰會隨著空氣的流動通過頂蓋上的可燃物流動到電機(jī)一側(cè)，進(jìn)而燒穿格柵。因此解決方案是切斷火焰的燃燒路徑。

3.3 灼燒試驗(yàn)的解決方案

如何保證空氣流通同時阻斷火勢蔓延的可能是個關(guān)鍵問題。首先要從源頭減少可燃物的數(shù)量，比如減少線體、減少隔音棉。線體護(hù)套以及接線端子改為防火等級更高的材料。其次要切斷火勢蔓延的途徑。火勢都是借著可燃物行走的，因此頂蓋海綿如圖5所示粘貼。1號海綿和2號海綿之間保留一定的距離，形成隔離帶。所以即便空氣流通，沒有可燃物也無法把火焰?zhèn)鬟f到電機(jī)一側(cè)。此處特別注意，也要選用帶有阻燃性能的海綿。此處距離需要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行設(shè)計，因此設(shè)計方案已經(jīng)進(jìn)行專利保護(hù)，相關(guān)細(xì)節(jié)不再贅述。

圖5 灼燒試驗(yàn)頂蓋海綿粘貼指導(dǎo)

4 溫升

4.1 溫升測試的意義

車輛在行駛過程中不斷給蓄電池充電，蓄電池保持著充足的電量。駐車時間，蓄電池給空調(diào)供電過程中電壓會不斷下降，當(dāng)空調(diào)檢測到電池電壓偏低時，進(jìn)入低功耗模式，維持空調(diào)持續(xù)運(yùn)行。空調(diào)器的過壓、過流、過熱保護(hù)功能，保證整個運(yùn)行過程中的安全可靠。這一切的控制指令源于空調(diào)外機(jī)控制器中的電控盒，電控盒相當(dāng)于人類的大腦，負(fù)責(zé)接收、實(shí)施指令。電控盒內(nèi)側(cè)布有很多重要的元器件。本文將元器件分為兩大類，Ⅰ類：電容、電感、風(fēng)機(jī)模塊；Ⅱ類：整流橋、IGBT、二極管、IPM。Ⅰ類在壓縮機(jī)腔體，Ⅱ類在散熱器。此類元器件在樣機(jī)運(yùn)行的時候會出現(xiàn)發(fā)熱的現(xiàn)象，為了保證其正常工作。必須利用散熱器將熱量導(dǎo)出，本文中的電控盒主要是利用盒體本身進(jìn)行導(dǎo)熱。因此，此電控盒的擺放位置顯得尤其重要。

4.2 溫升的影響因素

熱量傳遞主要有三種基本方式：導(dǎo)熱、對流和熱輻射。因此通過分析并合理的利用三個因素，就可以找到解決溫升的最優(yōu)解[5]。

4.2.1 導(dǎo)熱

導(dǎo)熱是依靠分子、原子及自由電子等微觀粒子的運(yùn)動而產(chǎn)生的熱運(yùn)動。導(dǎo)熱現(xiàn)象的規(guī)律被總結(jié)為傅里葉定律。傅立葉定律是傳熱學(xué)中的一個基本定律，由法國著名科學(xué)家傅里葉于1822年提出。傅里葉定律的文字表述：在導(dǎo)熱現(xiàn)象中，單位時間內(nèi)通過給定截面的熱量，正比于垂直于該截面方向上的溫度變化率和截面面積，而熱量傳遞的方向則與溫度升高的方向相反。傅里葉定律用熱流密度JT表示時形式如下：

可以用來計算熱量的傳導(dǎo)量。其中熱流密度JT（W/m2）是在與傳輸方向相垂直的單位面積上，在x方向上的傳熱速率。它與該方向上的溫度梯度dt/dx成正比。比例常數(shù)λ是一個輸運(yùn)特性，稱為熱導(dǎo)率（也稱為導(dǎo)熱系數(shù)），單位是W/(m?K)。也可以表述如下：

式（2）中：

dt/dx（Q上一點(diǎn)）為導(dǎo)熱速率，單位為W；

A為直于熱流方向的截面積，單位為m2；

λ為導(dǎo)熱系數(shù)，材料導(dǎo)熱性能優(yōu)劣的參數(shù)；

t為溫度，單位為K；

x為在導(dǎo)熱面上的坐標(biāo)，單位為m；

上述式中負(fù)號表示傳熱方向與溫度梯度方向相反。

4.2.2 對流傳熱

對流傳熱是在流體流動進(jìn)程中發(fā)生的熱量傳遞的現(xiàn)象，熱能從一處傳遞到另一處的過程。對流傳熱通常用牛頓冷卻定律來描述，即當(dāng)主體溫度為tf的流體被溫度為tw的熱壁加熱時，單位面積上的加熱量可以表示為：

當(dāng)主體溫度為tf的流體被溫度為tw的冷壁冷卻時，單位面積上的加熱量可以表示為：

式（3）和（4）中：

h為比例系數(shù)，稱為對流傳熱系數(shù)，單位為W/(m2?℃)；

A為固體壁面換熱面積，單位為m2。

牛頓冷卻公式表明，單位面積上的對流傳熱速率與溫差成正比關(guān)系。

4.2.3 熱輻射

輻射換熱是各個物體之間不斷發(fā)出和吸收熱輻射過程的綜合結(jié)果。任何物體，只要溫度高于絕對0度，就會不停地向周圍空間發(fā)出熱輻射，其基本公式可按斯忒藩-玻爾茲曼定律來計算：

式（5）中：

ε為物體發(fā)射率（又稱黑度）；

A為輻射表面積，單位為m2；

σ為斯忒藩-玻爾茲曼常量，5.67×10-8W(m2?K4)；

T為黑體的熱力學(xué)溫度，單位為K。

因此需要利用熱成像儀器分析出腔體內(nèi)熱輻射高的元器件，通過分析發(fā)現(xiàn)腔體內(nèi)有三處溫度較高的發(fā)熱源，分別是軸流風(fēng)葉電機(jī)、冷凝器、壓縮機(jī)，通過對比測試發(fā)現(xiàn)電控盒放置在遠(yuǎn)離冷凝器等熱源的位置散熱效果更佳理想。同時通過圖6可以看出，冷凝器不僅發(fā)熱嚴(yán)重，并且隔板拐角的地方風(fēng)速最低，換熱最差，導(dǎo)致周邊的空氣溫度高于電控盒本身的發(fā)熱，因此通過冷凝器進(jìn)來的風(fēng)不僅不能輔助散熱，還會把熱量傳遞給電控盒。因此需要通過絕熱材料進(jìn)行阻斷熱輻射，試驗(yàn)表明可以使溫度降低3℃左右。

4.3 溫升的改善措施

分析發(fā)現(xiàn)，電控盒涉及3個方面的熱量交換，比如電控盒內(nèi)部元器件通過盒體本身的外表面熱傳遞出來的熱量Q1；壓縮機(jī)腔體流向電機(jī)腔體時產(chǎn)生的對流傳熱熱量Q2；以及外冷凝器產(chǎn)生的熱輻射熱量Q3。通過熱成像儀發(fā)現(xiàn)，Q3處的熱量高于Q1和Q2，說明在外界空氣通過冷凝器后不能起到協(xié)助電控盒散熱的作用，還會提高溫升。因此電控盒必須遠(yuǎn)離冷凝器，同時設(shè)置屏障阻隔在冷凝器與電控盒之間。溫升測試腔體內(nèi)部熱量分布示意圖如圖7所示。

圖7 溫升測試腔體內(nèi)部熱量分布示意圖

4.4 溫升的理論分析

此類電器盒的散熱主要是依靠流動空氣帶走熱量，以及溫度熱傳遞由高溫向低溫傳遞的物理特性。因此電器盒的擺放位置極其重要，是影響溫升的重要因素。由風(fēng)量公式Q=VA可以看出，在截面積A一致的情況下，風(fēng)量主要受風(fēng)速影響，根據(jù)圖8可以看出，風(fēng)葉的葉片中心是風(fēng)速度最小的，切向力方向的風(fēng)速最大。

圖8 三維流線示意圖

如圖9所示，電控盒需要抬起一定角度，根據(jù)空間情況，盡量接近切向力的方向。同時要保證高度不要超過電機(jī)支架，以免影響到頂蓋的裝配。此時電控盒上方與頂蓋留有間隙，下側(cè)與隔板形成夾角，同樣留有間隙，有效的實(shí)現(xiàn)了軸流風(fēng)葉腔與壓縮機(jī)腔的空氣流通。此處已經(jīng)進(jìn)行專利保護(hù)，相關(guān)細(xì)節(jié)不再贅述。

圖9 電控盒擺放位置示意圖

綜上，電控盒依據(jù)以上理論分析，擺放在腔體中最有利于散熱的位置。屏蔽熱量傳播途徑，同步優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計，可以有效的提高散熱效率，確保各個元器件正常工作。

5 結(jié)語

通過對理論分析與相關(guān)測試標(biāo)準(zhǔn)的試驗(yàn)驗(yàn)證，得出如下結(jié)論：

（1）24 V車載空調(diào)外機(jī)受使用環(huán)境的影響，面臨更大的可靠性挑戰(zhàn)。電氣安全關(guān)乎車載空調(diào)的使用壽命，也包含使用者的安全，是產(chǎn)品設(shè)計中最重要的一個環(huán)節(jié)。

（2）電氣安全相關(guān)的淋雨、溫升、灼燒三個測試合格條件是相互制約的，設(shè)計者需要通過理論計算、軟件分析以及結(jié)合測試驗(yàn)證找到一個最優(yōu)解。

（3）電控組件的擺放位置很重要，一定要結(jié)合風(fēng)場的分析進(jìn)行布局，同時還要考慮其防水問題。

（4）對于車載空調(diào)，常規(guī)試驗(yàn)得出的測試結(jié)果，一定要結(jié)合實(shí)際使用情況加嚴(yán)模擬測試，產(chǎn)品的可靠性才更具說服力。

本文從車載空調(diào)的介紹、可靠性電氣安全方面具備的條件、相關(guān)的測試方法以及改善方向等進(jìn)行了綜合性的分析與論述。文中都是作者自身的工作經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，可能存在一定的缺失與不足，歡迎交流與指正。