0  引言

隨著新能源汽車市場(chǎng)的迅猛發(fā)展，電動(dòng)汽車的銷量節(jié)節(jié)攀升，但是車輛在不同地域的實(shí)際運(yùn)行環(huán)境復(fù)雜多變，電動(dòng)汽車集成控制器內(nèi)部不斷變化的溫度條件易引起凝露產(chǎn)生，給電動(dòng)汽車的穩(wěn)定可靠工作帶來了巨大的挑戰(zhàn)。凝露對(duì)高壓電路設(shè)備的危害主要表現(xiàn)在其導(dǎo)致電氣絕緣性能下降，引發(fā)設(shè)備絕緣“閃絡(luò)”和對(duì)零部件腐蝕，使之喪失絕緣性能等方面。電動(dòng)汽車因集成控制器內(nèi)部凝露產(chǎn)生短路而引起的整車故障時(shí)有發(fā)生。

當(dāng)前，相關(guān)人員集中于對(duì)電力系統(tǒng)戶外設(shè)備受凝露影響特征、凝露生成機(jī)理以及防治措施開展試驗(yàn)與仿真模擬研究，加深了對(duì)電氣設(shè)備凝露生成過程及原因的理解，然而車用集成控制器的內(nèi)部構(gòu)造復(fù)雜、溫度變化迅速且使用地域廣泛，使用環(huán)境亦是千差萬(wàn)別，這使得其與電力系統(tǒng)戶外設(shè)備相比，內(nèi)部產(chǎn)生凝露的形成特征與機(jī)理研究更加難以實(shí)施和開展。

目前，尚未有針對(duì)車用集成控制器凝露現(xiàn)象開展較系統(tǒng)的試驗(yàn)研究，亦缺少能夠有效監(jiān)測(cè)凝露生成變化的裝置措施，無(wú)法明確給出控制器在運(yùn)行過程中凝露生成的條件、過程及理論，

因此，搭建控制器內(nèi)部凝露觀測(cè)和外部環(huán)境模型系統(tǒng)，觀測(cè)凝露發(fā)展過程及易發(fā)部位，模擬不同地域復(fù)雜氣候，快速有效研究車輛集成控制器凝露形成特征與機(jī)理，對(duì)提升電動(dòng)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(jié)構(gòu)及凝露生成機(jī)理

1.1  控制器結(jié)構(gòu)

本文以某型號(hào)純電動(dòng)客車用多合一集成控制器為研究測(cè)試對(duì)象，其集成了雙電機(jī)控制、雙DCAC，DCDC電源和整車控制器等功能模塊，布局緊湊，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示。

控制器外廓尺寸呈900mm×500mm×250mm的不規(guī)則長(zhǎng)方體形狀，內(nèi)部中間承臺(tái)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(shè)施，左側(cè)突出部分為線束接入接出部位。工作過程中，箱體內(nèi)電子元器件產(chǎn)生的熱損耗會(huì)導(dǎo)致內(nèi)部溫度升高。同時(shí)，該型號(hào)控制器滿足IP67防水等級(jí)，僅在前后兩側(cè)對(duì)稱布置有2個(gè)防水呼吸閥與外部環(huán)境相通連。



1.2  凝露生成機(jī)理

當(dāng)電氣設(shè)備箱體內(nèi)壁表面溫度降到露點(diǎn)溫度以下時(shí)，水蒸氣便會(huì)從濕空氣中以凝結(jié)水的形式析出，內(nèi)壁表面發(fā)生水珠凝結(jié)現(xiàn)象。凝露是一種氣液導(dǎo)熱現(xiàn)象，發(fā)展過程遵循傅里葉定律[6]，即



該定律表明，單位時(shí)間內(nèi)，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(nèi)溫度、濕度；環(huán)境溫度、濕度和露點(diǎn)溫度。當(dāng)箱體內(nèi)相對(duì)濕度越高或箱體內(nèi)外溫差越大時(shí)，箱體內(nèi)壁面越容易出現(xiàn)凝露。

2  試驗(yàn)平臺(tái)搭建及測(cè)試方案

2.1  試驗(yàn)觀測(cè)平臺(tái)搭建

本文以溫濕度交變?cè)囼?yàn)箱等設(shè)備搭建試驗(yàn)平臺(tái)，綜合考慮集成控制器在實(shí)際運(yùn)行過程中所處的高溫高濕、低溫高濕等氣候環(huán)境及車輛運(yùn)行、停機(jī)的使用環(huán)境，研究車用集成控制器在不同溫濕度條件下的內(nèi)部凝露凝結(jié)部位、凝露產(chǎn)生過程，研究控制器內(nèi)部溫度、濕度變化下的凝露發(fā)展規(guī)律。

試驗(yàn)平臺(tái)由以下3個(gè)部分組成：

（1）控制器外部環(huán)境模擬模塊。采用溫濕度交變?cè)囼?yàn)箱模擬集成控制器所處的外部環(huán)境，按試驗(yàn)方案實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)溫度和濕度。

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

（3）試驗(yàn)結(jié)果顯示及監(jiān)測(cè)模塊。為全程監(jiān)測(cè)凝露形成前后箱體內(nèi)部的溫濕度條件及實(shí)際生成情況，在控制器箱體上蓋板表面粘貼水分檢測(cè)試紙，檢測(cè)試紙遇水會(huì)由白色變成紅色；箱體內(nèi)不同位置分散布置4只溫濕度記錄儀并編號(hào)；在適當(dāng)區(qū)域布置廣角USB攝像頭對(duì)粘貼試紙區(qū)域進(jìn)行實(shí)時(shí)圖像監(jiān)測(cè)。整體測(cè)試平臺(tái)如圖2所示。



2.2  試驗(yàn)測(cè)試方案

為更加全面地探究控制器內(nèi)部凝露形成的實(shí)際邊界條件，本文利用搭建的環(huán)境試驗(yàn)平臺(tái)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(jié)束工作的全過程。試驗(yàn)過程中所要控制的變量有：集成控制器所處環(huán)境的溫度、濕度條件，集成控制器內(nèi)部加熱模塊溫度條件及開啟、關(guān)閉時(shí)機(jī)。

考慮中國(guó)主要城市標(biāo)準(zhǔn)年氣象數(shù)據(jù)、整車實(shí)際運(yùn)行條件及凝露形成機(jī)理，確定試驗(yàn)相對(duì)濕度范圍為60%~90%，溫度范圍為10~40℃。根據(jù)實(shí)測(cè)車載應(yīng)用時(shí)控制器內(nèi)部溫度分布情況，經(jīng)反復(fù)測(cè)試將集成控制器內(nèi)部加熱模塊溫度值設(shè)定為150℃，可使實(shí)驗(yàn)室測(cè)試條件下控制器內(nèi)部工作溫度與實(shí)車工作時(shí)基本一致。

試驗(yàn)共進(jìn)行16組，溫濕度交變?cè)囼?yàn)箱所模擬的外部環(huán)境溫濕度情況如表1所示。



調(diào)節(jié)溫濕度交變?cè)囼?yàn)箱內(nèi)的溫濕度，從而形成設(shè)備的內(nèi)、外環(huán)境差，以模擬集成控制器所處的外部氣候環(huán)境。適時(shí)控制控制器內(nèi)部加熱模塊的開啟與關(guān)閉時(shí)機(jī)，模擬車輛的實(shí)際運(yùn)行情況。實(shí)驗(yàn)具體實(shí)施步驟如圖3所示。



3  試驗(yàn)結(jié)果

圖4為表1所述試驗(yàn)條件下控制器內(nèi)部凝露生成情況。

由圖4可知：當(dāng)溫度一定時(shí)，外部環(huán)境相對(duì)濕度越高，越容易出現(xiàn)凝露現(xiàn)象。試驗(yàn)中，當(dāng)外部環(huán)境濕度達(dá)到90%以上時(shí)，在10~40℃環(huán)境條件下控制器內(nèi)部均有凝露產(chǎn)生；在相對(duì)濕度一定時(shí)，環(huán)境溫度越低，越容易導(dǎo)致控制器內(nèi)部凝露生成。當(dāng)外部環(huán)境溫度低于20℃時(shí)，在空氣濕度高于70%條件下，控制器內(nèi)部均有凝露產(chǎn)生。





為進(jìn)一步分析試驗(yàn)過程中控制器內(nèi)部不同位置的溫濕度變化情況，對(duì)控制器內(nèi)4個(gè)不同位置溫濕度變化過程進(jìn)行了分析。圖5—圖8為外部環(huán)境溫度10℃，相對(duì)濕度70%條件下，控制器箱體內(nèi)4只溫濕度記錄儀所記錄的試驗(yàn)過程中的溫濕度變化數(shù)據(jù)。





根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可知：

（1）控制器在未通電工作狀態(tài)下，需要近2h完成內(nèi)外部溫濕度交換并達(dá)到穩(wěn)定均一的平衡狀態(tài)，原因是防水呼吸閥的通量較小，箱體內(nèi)部與外界的空氣交換進(jìn)行需要更多的時(shí)間；開啟加熱模塊后，箱體內(nèi)各處溫度迅速升高，很快達(dá)到平衡并保持穩(wěn)定，但箱體內(nèi)各處穩(wěn)定溫度值有所差異；

（2）1號(hào)、3號(hào)溫濕度記錄儀所處位置溫度較低，2號(hào)、4號(hào)所處位置穩(wěn)定溫度較高，箱體內(nèi)相對(duì)濕度隨著加熱時(shí)間的延長(zhǎng)呈持續(xù)下降趨勢(shì)?？紤]不同溫濕度記錄儀與加熱模塊互有遠(yuǎn)近，因此各處的溫度不同，而箱體內(nèi)空氣容納水蒸氣的能力隨著溫度的增加而提高，相對(duì)濕度值則隨之降低；

（3）箱體內(nèi)不同位置的濕度環(huán)境在開啟加熱模塊前后有不同的變化過程：1號(hào)和3號(hào)溫濕度記錄儀所處位置的相對(duì)濕度在開啟加熱模塊后的30min內(nèi)有明顯的急劇升高再下降的過程，且1號(hào)更為明顯，亦在此時(shí)測(cè)得整個(gè)試驗(yàn)過程中的最高濕度值；2號(hào)與4號(hào)位置的濕度在開始加熱后隨即下降。

產(chǎn)生此現(xiàn)象的原因可歸結(jié)為：加熱模塊開啟后，1、3號(hào)記錄儀位置的溫度增幅較小，與2、4號(hào)位置有近2倍的差距，所以1、3號(hào)位置空氣容納水蒸氣的能力較弱，在同樣的絕對(duì)濕度情況下，表現(xiàn)為相對(duì)濕度的劇烈增加。之后，隨著箱體內(nèi)部與外界環(huán)境的交換融合，相對(duì)濕度亦隨之降低。對(duì)照試驗(yàn)實(shí)測(cè)結(jié)果和箱體內(nèi)部視頻數(shù)據(jù)可知，箱體內(nèi)部在測(cè)得最高濕度值時(shí)，集成控制器箱體靠近防水呼吸閥一側(cè)邊緣部分存在凝露產(chǎn)生，如圖9、圖10所示。其所示位置對(duì)應(yīng)控制器內(nèi)部1，3號(hào)溫濕度記錄儀監(jiān)測(cè)位置。表2為箱體內(nèi)測(cè)得最高濕度值時(shí)內(nèi)部溫濕度情況。



由表2可知，1號(hào)記錄儀所處位置記錄到最高濕度值時(shí)，4號(hào)記錄儀所處位置濕度最低。而在試驗(yàn)平臺(tái)的布置中，1號(hào)、3號(hào)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(yuǎn)，2號(hào)、4號(hào)距離則較近。這表明，在加熱模塊開啟后，控制器內(nèi)部距離熱源越遠(yuǎn)的位置相對(duì)濕度越高，凝露出現(xiàn)概率越大，反之概率較小。



4  結(jié)論

為探究純電動(dòng)客車集成控制器在恒溫恒濕條件下的凝露規(guī)律，搭建凝露試驗(yàn)觀測(cè)系統(tǒng)，模擬集成控制器實(shí)際的工作過程，進(jìn)行多種溫濕度條件下的試驗(yàn)。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可得以下結(jié)論：

（1）在10~40℃環(huán)境溫度下，當(dāng)環(huán)境相對(duì)濕度高于80%時(shí)，集成控制器工作一段時(shí)間后均會(huì)導(dǎo)致內(nèi)部凝露產(chǎn)生；而當(dāng)環(huán)境相對(duì)濕度低于60%時(shí)，整個(gè)工作過程中集成控制器內(nèi)部不會(huì)生成凝露；

（2）集成控制器開始工作后，內(nèi)部器件開始放熱，近發(fā)熱源位置的溫度較高不易生成凝露，但在遠(yuǎn)離發(fā)熱源，靠近防水呼吸閥邊緣位置，會(huì)出現(xiàn)濕度突然上升的現(xiàn)象，從而引發(fā)凝露生成。

根據(jù)上述結(jié)論，針對(duì)集成控制器在實(shí)際運(yùn)行過中產(chǎn)生凝露威脅行車安全的問題，可采取以下措施進(jìn)行防治：

（1）合理設(shè)計(jì)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(huán)使用的吸濕材料，達(dá)到調(diào)節(jié)內(nèi)部濕度的作用，從而降低形成凝露的概率；

（3）對(duì)控制器內(nèi)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(shè)備的正常使用。