复杂气候下电动客车集成控制器凝露形成研究

申江卫，刘珂，李子越，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

随着我国新能源汽车产业的蓬勃发展，纯电动客车取得了跨越式发展。纯电动客车集成控制器在运行过程中受到环境温湿度和元件热效应的作用，其内部温湿度发生剧烈变化极易产生凝露，尤其是在沿海地区、潮湿山地等地域，这种现象更为显著。凝露的产生对集成控制器设备有较大危害，轻者会使电气件的绝缘性能降低，造成电气设备爬电、闪络和跳闸等事故，重者会发生电源短路、电子元器件失效等故障引起车身瘫痪[1]，因此对不同地域凝露形成条件的研究有重大意义。

目前，国内研究人员对户外电力设备和环网柜内受凝露的影响、凝露生成机理以及如何预防凝露的产生做出了大量试验与仿真，对电气设备凝露的形成机理以及预防有了深入研究，例如文献[2]研究了通风条件对环网柜凝露现象的影响。由于成本耗费较高，并且难以实现对纯电动客车集成控制器内部进行实时检测，因此国内关于集成控制器凝露的研究几乎没有。本文通过搭建凝露探究试验平台，选取典型城市气候工况，对纯电动客车集成控制器内部凝露形成进行试验测试与机理研究。

1 凝露形成机理

露点温度是研究凝露形成机理的一个重要参数，空气中水蒸气形成凝露的温度叫做露点温度。露点温度的计算遵循马格斯公式：

式中：P——露点温度对应的饱和水汽压；P0——0℃的饱和水气压；a、b——常系数；t——温度[3]。

根据露点温度计算公式可知，凝露的形成主要受到相对湿度、温度、压力三者的影响。

2 典型气候环境工况选取

我国地域辽阔，气候多种多样，包含温带大陆性气候、高原山地气候、温带季候、亚热带季风气候、热带季风气候等。为了能覆盖我国复杂的地域气候，选取天津、乌鲁木齐、广州、昆明4 个城市作为典型气候环境测试工况。天津位于华北平原的东北部，临近渤海，属于温带季风气候，受渤海气流的影响较大，常发生大雾、风暴潮以及寒潮等气象灾害[4]；乌鲁木齐位于天山北坡，属于温带大陆性气候，常年降雨较少，气候干燥，昼夜温差大，环境恶劣，经常出现突降暴雨的天气[5]；昆明位于青藏高原的东南侧，属于亚热带季风气候，常受到云南寒潮、昆明准静止锋的影响，造成昆明突然降雨、降温、强对流以及低温等灾害性天气[6]；广州位于珠江三角洲，属于亚热带季风气候，常年高温高湿，并且常受季风气流的影响出现高温热害、低温冷寒、灰霾等极端天气[7]。

以上选取的城市覆盖了我国典型的气候类型，能很好地代表纯电动客车运行的复杂环境，本文选取以上4 个城市的环境温湿度作为试验环境条件。为使试验结果更接近纯电动车实际运行情况，本文选取每个城市06：00～18：00 的温湿度作为试验数据，开展凝露测试试验。每个城市按季节分类进行4 组试验，每组试验进行3 次重复试验，共48 组试验。

3 试验平台搭建和试验方案

3.1 集成控制器结构

本文以某纯电动客车用集成控制器为研究对象，其内部集成了双电机控制、双电源和整车控制器等功能模块，纵截面结构简图如图1 所示。

图1 集成控制器内部结构简图Fig.1 Internal structure of integrated controller

控制器外轮廓尺寸为900×500×250（mm），不规则长方体形状。在集成控制器的左侧有个通孔用于线束接入。集成控制器内部，元件布置紧凑，工作时耗散功率大、发热高，元件容易损坏[8]，为减少元器件损坏，本试验在集成控制器内部使用170×90×20（mm）的铝制可控温加热板替代在电动客车运行过程中的元器件，并且集成控制器两侧有防水呼吸阀可以与外界环境进行空气交换。

3.2 试验平台搭建

为探究复杂地域气候条件下凝露产生的机理，以温湿度交变试验箱、集成控制器等为试验平台，模拟纯电动客车在自然环境下运行。试验平台如图2 所示。

图2 凝露观测系统布置图Fig.2 Layout of condensation observation system

平台具体搭建步骤：（1）通过温湿度交变试验箱设定温湿度变化，模拟纯电动客车的运行环境；（2）将水分检测试纸粘贴在集成控制器盖上，通过该试纸检测凝露是否产生。这种试纸遇到凝露会由白色变为红色，并且凝露越多试纸颜色越深、变红的面积越大；（3）使用USB 摄像头观测试纸变化情况并记录凝露的产生时间，将监测画面传到PC 端；（4）在集成控制器内部放置4 个温湿度探针，在控制器外部放置1 个温湿度探针检测温湿度变化。

布置完成后将集成控制器放置于温湿度交变试验箱体内。

3.3 试验步骤

如图3 所示，试验测试分为3 个过程：开始加热前静置、开始加热、关闭加热后静置，依次对应纯电动客车运行前—运行时—运行后的3 个阶段。（1）将集成控制器放置在温湿度交变试验箱内，将城市6:00～18:00 的温湿度输入运行程序；（2）试验开始，先将集成控制器静置2 h，使控制器与环境温湿度达到平衡状态，设置加热板温度为150 ℃开启加热；（3）在程序运行结束前2 h 关闭加热，让控制器静置2 h 与环境温湿度达到平衡，试验结束。

图3 试验工况阶段Fig.3 Test condition stage

时间段和加热板温度设置：根据此前大量实验可得，在未开启加热时，控制器在2 h 内能够与外界环境温湿度达到平衡，因此设定在开启加热前的静置和关闭加热后的静置为2 h。为使试验结果更接近纯电动客车运行时内部温湿度变化，经过反复测验，最终将集成控制器内部的加热模块设定为150 ℃，试验过程中控制器内部温湿度不做调整。

4 试验结果

4.1 凝露产生条件分析

分析了复杂地域条件下凝露的产生情况，试验结果汇总如图4 所示。

图4 试验结果Fig.4 Test result

试验结果表明：（1）复杂地域对凝露的产生有很大影响。昆明全年都会产生凝露，广州只有夏季没有凝露产生，而天津和乌鲁木齐常在秋季产生凝露；（2）不同季节气候对凝露的产生有很大影响。春冬季节广州和昆明有凝露产生，而天津和乌鲁木齐没有凝露产生；夏季，广州、天津和乌鲁木齐均没有凝露产生；秋季，各城市均有凝露产生。

综合分析认为，昆明和广州属于亚热带季风气候，常年温暖多雨，湿度高容易形成凝露，但是广州夏季高温，这导致夏季的露点温度升高，凝露形成困难。天津和乌鲁木齐属于温带气候，春冬季节温度低，气候干燥难以形成凝露；夏季高温，使露点温度高，难以形成凝露；秋季温度较低、湿度高，较为容易形成凝露。对比可以得出，我国亚热带季风气候区域比其他区域更容易形成凝露；在秋季纯电动客车运行过程中也极易形成凝露。

4.2 凝露产生位置分析

对凝露产生位置进行分析，昆明和天津城市秋季试验结果如图5 所示。

图5 秋季城市实验结果Fig.5 Results of urban experiment in autumn

试验结果表明，在箱体盖的左侧形成大量凝露。结合图2 可知，凝露的产生部位位于1 号和3号传感器的上方，靠近换气阀的区域。综合分析认为，当开启加热时，位于加热板上方的水蒸气会受热发生剧烈运动，与呼吸阀处的冷水蒸气相遇形成凝露汇聚在箱体盖上，因此在集成控制器呼吸阀与外界空气交换的附近位置是凝露产生的主要区域。

4.3 控制器内部温湿度变化分析

为研究实验过程中集成控制器内部温湿度变化以及凝露产生时刻，以天津秋季为例展开分析。集成控制器内部4 只温湿度传感器记录的温湿度变化如图6 所示。

图6 1-4 号传感器检测结果Fig.6 Test results of sensors 1-4

试验结果表明：

（1）未开启加热时，将控制器箱体置于温湿度交变试验箱内2 h 后，控制器内部温湿度与环境温湿度达到平衡。4 只温湿度传感器记录的数据温度稳定在22℃，集成控制器内部湿度稳定在50%。此阶段无凝露产生。

（2）开启加热后，1 号、3 号温湿度传感器处的温度升高缓慢，最终温度达到35℃；2 号、4 号温湿度传感器处的温度在短时间内升高约30 ℃，最终温度达到60℃。

（3）开启加热后，1 号、3 号温湿度传感器处的湿度在加热开始时升高，并在此过程测得最高湿度，凝露也在这个过程中形成，加热板长时间开启下湿度又逐渐下降。2 号、4 号温湿度传感器处的湿度在开启加热时就下降。在整个加热的过程中湿度没有出现平衡状态。

（4）关闭加热后，集成控制器内部温度降低、湿度回升，并能够在2 h 内达到平衡，温度稳定在35 ℃，湿度稳定在30%。此阶段无凝露产生。

综合分析可知：

（1）开始加热前的阶段，控制器内部温度和湿度受到环境温湿度的影响。通过呼吸阀进行空气交换，并能在2 h 内达到一个平衡状态。

（2）开启加热后，控制器内部受加热板作用，温度升高。2、4 号传感器距离加热板近，温度变化剧烈，最终达到的温度高；1、3 号传感器距离加热板远，温度变化缓慢，最终达到的温度低。

（3）开启加热后，加热板上方的水蒸气受热加速运动，导致水蒸气向低温方向运动，在呼吸阀处聚集，使呼吸阀处的湿度升高，而温度变化不大，导致该呼吸阀的温度达到露点温度，凝露便在此刻形成。加热板持续工作使控制器内部的水蒸气不断蒸发，湿度降低。

（4）关闭加热后，控制器内部又受到环境温湿度的影响，长时间静置后又回到平衡状态。

5 结论

本文探究纯电动客车集成控制器在复杂地域气候条件下的凝露形成特性，搭建了凝露试验平台，进行多组试验，得出以下结论：

（1）目前我国典型气候条件下，以昆明为代表的亚热带季风气候区域最容易产生凝露，秋季是纯电动客车易产生凝露的季节，应重点防范。

（2）本文测试的集成控制器所产生的凝露主要集中在与外界进行空气交换的呼吸阀附近，可在该区域有针对性地增加一些防凝露装置，以减少凝露的危害。

（3）凝露产生主要发生在集成控制器开始工作后30 min 内，因此在纯电动客车启动后的短时间内集成控制器内部最容易产生凝露。