復雜氣候條件下純電動客車集成控制器凝露測試研究

申江衛，李子越，劉珂，李磊磊，趙廣達

（650500 云南省 昆明市 昆明理工大學 交通工程學院）

0 引言

純電動客車集成控制器內部集成了電機及整車控制器、DC/AC、DC/DC 電源等多個集成電路控制原件，具有體積小、質量輕、高功率密度、可靠性高等特點，是未來的發展趨勢。我國幅員遼闊，汽車復雜多變的實際運行環境對集成控制器的穩定運行提出了極大挑戰，其中亞熱帶季風氣候常有的高溫高濕和低溫高濕環境更是催生凝露產生的主要環境。凝露導致電氣件的絕緣性能降低，造成電氣設備閃絡和零部件腐蝕[1]。

電動汽車因集成控制器內部凝露短路而引起的事故時有發生，嚴重威脅行車安全。目前研究人員針對電力系統戶外設備受凝露影響、凝露生成機理以及如何防治凝露的生成做出了大量試驗與仿真模擬研究，加深了對電氣設備凝露生成過程及原因的理解[2]。文獻[3]研究了環網柜不同環境溫濕度條件下的凝露情況。

雖然在電氣設備領域已有學者針對凝露產生開展了一定研究，但目前暫未發現針對電動汽車集成控制器凝露生成與測試的相關研究。電動汽車運行環境復雜多變，與戶外電力設備有較大差異，且電動汽車保有量日益增大，對于提高運行可靠性有強烈需求，因此對于集成控制器凝露相關問題的分析研究有著重要意義。

為總結典型氣候條件下集成控制器內部凝露形成特點，本文研究了我國典型城市氣候特征，選擇具有亞熱帶季風氣候特點和易發凝露的典型城市，基于其全年實際溫濕度數據構建典型氣候條件測試工況，然后搭建了可模擬復雜氣候條件和車載環境的集成控制器凝露測試試驗臺，分析了典型氣候條件下凝露的形成條件、形成時間、形成位置，為電動汽車集成控制器凝露的防控提供參考。

1 控制器結構及凝露生成機理

1.1 控制器結構

本文的研究測試對象為某型純電動客車用集成控制器，其結構如圖1 所示。該控制器集成電機控制、DC/AC、DC/DC 電源和整車控制器等功能模塊整合集成，其內部結構較為復雜。控制器箱體外輪廓呈900 mm×500 mm×250 mm 的階梯形狀，內部下層層板上端承載控制器集成電路板，上層層板承載其它附加設施，左側凸出部分完成線束的接入接出，控制器工作室內部電子元器件產生熱損耗，從而導致內部溫度升高。同時僅在前后兩側對稱布置有兩個防水呼吸閥與外界環境進行空氣交換。

1.2 凝露生成機理

電氣系統中，凝露指的是各種設備的柜體內壁表面溫度下降到露點溫度以下，內壁表面發生水珠凝結的現象，而相對濕度是決定凝露生成的重要參數，當空氣中相對濕度達到100%時即有凝露產生。相對濕度是絕對濕度和最高濕度的比值，計算公式[1]為

式中：ρω——絕對濕度，g/m3；ρω，max——最高濕度，g/m3；e——蒸汽壓，Pa；Rω——水的氣體常數，461.52 J/(kg·K) ；T——溫度，K。

在一定的溫度條件下，空氣中的相對濕度越高，凝露的溫度越接近環境溫度，凝露越容易發生，因此凝露的發生主要取決于外部溫度、內部溫度、相對濕度以及露點溫度[2]。

2 凝露試驗觀測平臺搭建及凝露實驗設計

2.1 城市工況的選用

我國氣候復雜多變，亞熱帶季風氣候區域在我國覆蓋范圍巨大，該氣候區域常有高溫高濕、低溫高濕和劇烈溫濕度變化等氣象特征，對集成控制器的安全運行帶來了巨大的挑戰，本文選取易發凝露的亞熱帶季風氣候條件進行凝露測試研究。根據氣象數據[4-5]，本文選取具有典型亞熱帶季風氣候的昆明和廣州構建凝露測試溫濕度測試工況，開展凝露測試與形成機理研究。昆明常有強降水和極端溫度天氣發生，蒸發旺盛，降雨集中，溫濕度變化快；廣州地處沿海，水蒸氣豐富，空氣含濕量大，年平均相對濕度達78%左右，多半年都呈現高溫高濕狀態，易達到凝露條件。根據純電動汽車的使用特點，本文將2 城四季6:00～18:00 的平均溫濕度數據設定為實驗測試工況。圖2 為本文選定的廣州市春季全天的溫濕度變化數據。

2.2 凝露試驗觀測平臺搭建

本文以溫濕度交變試驗箱為實驗平臺的主要設備，結合溫濕度傳感器、可控溫加熱金屬板等設備，模擬集成控制器在實際運行過程中的溫濕環境，實驗觀測平臺搭建如圖3 所示。具體步驟如下：

（1）將集成控制器箱體放置于溫濕度交變試驗箱中，通過溫濕度交變試驗箱模擬大氣環境溫濕度變化，實驗過程中集成控制器箱體與實驗箱內壁保留一定距離，避免觸碰試驗箱內壁；

（2）為模擬實際汽車運行中元器件的發熱情況，根據電路板實際尺寸定制了2 塊鋁制可控溫加熱板（170 mm×90 mm×20 mm），將其固定在原集成電路板位置，與箱體無直接接觸。為接近集成控制器的實際工作情況，根據實際車載應用下采集數據的集成控制器內部溫度，將內部可控溫加熱板溫度設為150 ℃，可使本平臺實驗條件下溫度與實際車載基本一致；

（3）在箱體內部分散布置4 個溫濕度傳感器探頭，對不同位置的探頭進行編號，設置為每隔10 s 記錄一次內部溫濕度數據；

（4）在箱體頂蓋上粘貼試紙，該試紙遇水會變紅，作為凝露形成點的判斷依據。通過USB 攝像頭觀測水分檢測試劑，記錄凝露產生時間。

2.2.1 實驗流程與參數設置

通過調節溫濕度交變試驗箱的溫濕度，在設備內部相對密閉環境和外界之間形成溫度差，以模擬城市工況的氣候環境。實驗過程與步驟如下：

（1）設置高低溫試驗箱溫度和濕度為選定城市早上6:00 溫濕度并保持不變，將集成控制器放置在溫箱中靜置4 h，使控制器內外溫濕度條件達到平衡狀態；

（2）實驗開始4 h 后設置高低溫試驗箱按照城市6:00～22:00 溫濕度條件自動調節，模擬清晨車輛放置時集成控制器內外部溫濕度交換；

（3）實驗開始6 h后啟動集成控制器內加熱板，控溫加熱板溫度設置為最高150℃，模擬車輛啟動后內部元器件工作發熱過程；

（4）實驗開始20 h 后關閉集成控制器內加熱板，使其自然降溫，模擬車輛停車內部電子元器件停止工作和發熱過程；

（5）實驗開始22 h 后關閉高低溫試驗箱，打開集成控制器，拍照檢查內部凝露生成位置和面積，并保存實驗過程中攝像頭和溫濕度傳感器采集圖像和數據，一次實驗結束；

（6）分別選擇昆明和廣州四季各一天數據進行凝露生成測試，每組溫濕度工況重復進行3 次實驗。

3 凝露試驗結果與分析

為總結分析集成控制器在昆明、廣州不同季節試驗條件下的凝露規律，本文對上述試驗結果進行了統計。圖4 為兩城市在不同季節溫濕度工況條件下控制器內部凝露生成情況。

從圖4 中可以看到：

（1）在所選城市中，春季和冬季均容易出現凝露現象。在3 次重復試驗中，昆明和廣州在春季和冬季的城市工況下均出現了輕微凝露。夏季和秋季僅有昆明產生大量凝露，廣州無凝露產生；

（2）對昆明和廣州的總體凝露情況進行比較發現，昆明全年均出現了凝露現象，廣州只在春季和冬季出現凝露現象；兩城都具有夏秋不分明的特點，夏秋兩季的凝露情況較為一致。

深入分析試驗時城市工況下控制器內部的溫濕度變化。圖5 為廣州春季城市工況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過程。

根據試驗結果可知：

（1）未開啟加熱模塊時，箱體內相對溫度約2 h 達到穩定；開啟加熱模塊后，箱體內各處溫度迅速呈現不同程度的升高，1、3 號傳感器區域溫度平均升高10 ℃左右，2、4 號傳感器升溫幅度約30℃，箱體內溫度隨著工況程序的運行呈持續上升趨勢，約30 min 達到平衡并保持穩定，關閉加熱后4 只傳感器溫度均迅速下降；

（2）未開啟加熱模塊時，箱體內相對濕度約2 h 達到穩定，接近防水呼吸閥的1、3 號傳感器相對濕度約75%，2、4 號傳感器相對濕度約65%；

（3）開啟加熱模塊后，1、3 號傳感器所在區域的相對濕度有明顯的先升高再迅速下降的過程，其中1 號傳感器更為明顯，并采集到該城市工況下的濕度最大值。通過觀察箱體內部視頻數據可知，此時內部1、3 號記錄儀位置出現凝露現象；2、4號傳感器相對濕度則開始迅速下降，在相對濕度下降到一定水平后開始以較緩的速率降低。

綜合分析認為：

（1）未開啟加熱模塊時，箱體內溫度低于外界環境溫度，通過空氣和箱體熱傳遞，內部溫度會逐漸達到平衡狀態；開啟加熱模塊后，所有區域溫度持續上升，越靠近發熱源區域溫升更多，此時控制器內溫度環境迅速達到平衡；關閉加熱后平衡被破壞，溫度迅速降低；

（2）未開啟加熱模塊時，箱體內所有區域相對濕度會迅速達到平衡，靠近防水呼吸閥區域更易于濕空氣輸送，因此相對濕度較內部區域更高；

（3）開啟加熱模塊后，靠近防水呼吸閥附近區域相對濕度有明顯的先升高再迅速下降的過程，此時控制器內部空氣溫度快速升高，而控制器內壁溫度則受外界環境溫度影響變化較小，內部濕熱空氣接觸到較冷的控制器內壁后產生凝露。

4 結論

為探究純電動汽車集成控制器內部的凝露產生規律，搭建了城市工況凝露試驗觀測系統，模擬了集成控制器在城市實際溫濕度條件下的工作過程，并進行了2 個城市的四季試驗。根據試驗結果可得以下結論：

（1）昆明、廣州兩城在夏、秋兩季均為高溫且濕度大幅度變化，昆明溫度較廣州更低且濕度變化大，廣州溫度更高但濕度變化范圍較小，昆明有明顯凝露而廣州無凝露產生；

（2）昆明和廣州在春季和冬季溫濕度變化幅度巨大，急劇的溫度變化沖擊集成控制器箱體內部環境的穩定，在高濕度的環境下箱體內部溫度沒有環境溫度變化迅速，內部極易產生凝露；

（3）試驗中，凝露易產生于高濕且溫度變化幅度大的氣候環境，且多在開啟加熱模塊后的短時間內出現在靠近呼吸閥的一側內壁上，對應實際情況中為集成控制器開啟工作后的短時間內，凝露多在靠近呼吸閥的一側產生。