混合動力車輛制動電能耗散系統(tǒng)研究

谷 操， 姜紅霞， 王凝嵐， 趙春偉

(中國北方車輛研究所，北京 100072)

目前，混合動力車輛通常采用再生制動，即在車輛制動過程中，將車輛行駛的慣性能量通過傳動系統(tǒng)傳遞給電機，電機以發(fā)電狀態(tài)運行，產(chǎn)生再生電能，為動力電池等儲能元件充電，實現(xiàn)制動能量的再生利用.與此同時，產(chǎn)生的電機制動力矩又可通過傳動系統(tǒng)對驅(qū)動輪施加制動力.由于再生制動利用了原本被消耗于摩擦制動的能量，因而可以降低混合動力車輛的能耗，改善車輛的燃油經(jīng)濟性.但是在高強度制動或連續(xù)制動過程中，由于電池等儲能元件容量的限制，回收得到的電能不能被完全吸收，該情況下則需要采用能耗制動，通過制動電阻將多余的電能轉(zhuǎn)化為熱能消耗掉，以保證整車的安全性和可靠性[1].

目前車輛上通常采用風冷型制動電阻消耗制動電能，即將風冷制動電阻安裝在車外，在車輛制動時將需要耗散的制動電能通過制動電阻轉(zhuǎn)化為熱能，通過空氣流過制動電阻表面肋片等結(jié)構(gòu)將熱能傳遞至大氣中.風冷型制動電阻需要足夠的表面積來散發(fā)熱量，通常體積較大.當制動能量較大、空間位置受限制以及不允許在車外安裝此類裝置時，風冷式制動電阻將不再適用[2].本研究提出了一種內(nèi)流液冷式制動電阻，可以有效滿足混合動力車輛在較小空間內(nèi)耗散制動電能的需求.

1 內(nèi)流液冷式制動電能耗散系統(tǒng)

在混合動力車輛中，制動電能耗散裝置串聯(lián)至發(fā)動機冷卻系統(tǒng)中，如圖1所示.當車輛制動時，制動電能通過電氣回路經(jīng)接線端子傳遞至制動電阻管，由電阻絲轉(zhuǎn)化為熱能，熱能通過薄壁銅管傳遞至管內(nèi)冷卻液內(nèi)，管內(nèi)冷卻液在水泵驅(qū)動下不斷流動形成循環(huán)，將熱量傳遞至風冷散熱器，通過風冷散熱器散發(fā)至大氣中，從而最終實現(xiàn)耗散制動電能的目的.由于銅材的導熱系數(shù)較高，冷卻液的對流換熱系數(shù)也較高，故可以實現(xiàn)在較小空間內(nèi)耗散較大制動電能的目的，這樣就可以方便、靈活地安裝在車輛上.

圖1 制動電能耗散系統(tǒng)

該系統(tǒng)中的主要部件為制動電能耗散裝置，見圖2.制動電能耗散裝置是由多支內(nèi)流液冷式制動電阻管集成，其集成方式充分借鑒了管式散熱器的成功經(jīng)驗，能夠?qū)崿F(xiàn)批量生產(chǎn).集流室起到分散和匯集冷卻液的作用，冷卻液由進口流入，分散后分別流經(jīng)多支制動電阻管，匯集至出口處流出.在實際應(yīng)用過程中，根據(jù)車輛制動電能的耗散需求進行匹配設(shè)計，確定制動電阻管的數(shù)量和布置方式.

每一根內(nèi)流液冷式制動電阻管由電阻絲、絕緣層、銅管和接線端子四部分構(gòu)成.電阻絲纏繞在薄壁銅管外壁，外面包裹絕緣層進行有效絕緣，即形成內(nèi)流液冷式制動電阻管.接線端子與電阻絲相連，伸出并固定在絕緣層外，供接線使用，制動電能就是從此處傳遞至制動電阻管.

圖2 制動電能耗散裝置

2 制動電能耗散過程理論分析及計算

2.1 制動電能耗散過程理論分析

在車輛制動電能耗散過程中，包括一個能量轉(zhuǎn)換過程和多個能量傳遞過程，同時涉及到多種能量傳遞方式，下面對該過程進行分析.

在混合動力車輛的制動過程中，牽引電機以發(fā)電狀態(tài)運行，其發(fā)出的電能除部分儲存至電池外其余全部通過電阻絲轉(zhuǎn)化為熱能，熱能先以傳導的方式傳遞至制動電阻的銅管，再以對流換熱的方式傳遞至管內(nèi)冷卻液，靠冷卻液流動將熱量帶入發(fā)動機冷卻系統(tǒng)，最后通過風冷散熱器強制通風將熱量散發(fā)至大氣中，見圖3.

圖3 制動能量轉(zhuǎn)化及傳遞過程

2.2 制動電能轉(zhuǎn)換及傳遞過程計算

根據(jù)前述分析的能量轉(zhuǎn)換和傳遞過程，歸納總結(jié)出各部分能量的計算公式，以便于利用公式進行具體車型制動電能耗散的計算.

牽引電機發(fā)出的電能除部分儲存至電池外其余全部轉(zhuǎn)換為熱量，這部分熱能可以按照式(1)[3]計算得出.

(1)

式中：E為制動過程的總發(fā)電量，J；et為制動過程發(fā)電功率，A；t為時間，s.

忽略電阻絲及絕緣層的熱容量.因銅材導熱系數(shù)高，故假設(shè)薄壁銅管表面溫度和絕緣層溫度一致，則電阻絲通過絕緣層向銅管傳遞的熱量按式(2)計算.

(2)

式中：Q導熱為電阻絲通過絕緣層向銅管傳遞的熱量；λ為絕緣層導熱系數(shù)；T1為電阻絲表面溫度；T2為絕緣層內(nèi)表面(銅管外表面)溫度；F為絕緣層表面積(與銅管接觸面).

由銅管向冷卻液傳遞的對流換熱量按式(3)計算.

(3)

式中：Q對流為對流換熱量；α為對流換熱系數(shù)；F為對流換熱面積;T3制動電阻溫度;T4為流體溫度.

忽略銅管的熱容量及銅管、絕緣層表面等向空氣的散熱，根據(jù)能量守恒定律有E=Q導熱=Q對流.

綜上所述，內(nèi)流液冷式制動電阻將制動電能E轉(zhuǎn)換為對流換熱量Q對流，并且這部分熱量最終將通過冷卻液的對流換熱耗散至大氣中.由于液體的對流換熱系數(shù)遠大于氣體的對流換熱系數(shù)，故可以實現(xiàn)在較小的體積內(nèi)耗散較大功率電能的目的.也就是說，采用內(nèi)流液冷式制動電阻與采用風冷制動電阻相比，可以大幅節(jié)省空間.

2.3 制動電能耗散過程(冷卻過程)計算

如圖1所示，制動電能耗散裝置串聯(lián)在發(fā)動機冷卻系統(tǒng)中，將使發(fā)動機冷卻系統(tǒng)散熱量增加，冷卻液溫度升高.下面就此進行分析.

制動電能經(jīng)轉(zhuǎn)換后傳遞至冷卻液，冷卻液吸收的熱量按式(4)計算.

Q吸熱=CpMΔt.

(4)

式中：Q吸熱為冷卻液吸收的熱量，J；M為冷卻液的質(zhì)量流量, kg/s；Cp為冷卻液的定壓比熱， kJ/(kg·℃)；Δt為冷卻液的溫度升高值.

則冷卻液的溫度升高值Δt為

(5)

冷卻液吸收的熱量來源于冷卻液與銅管的對流換熱，忽略散熱器、管路及其它冷卻液流過的物體的熱容量，根據(jù)能量守恒定律有Q吸熱=Q對流=Q導熱=E.

因為液體的比熱容、密度(質(zhì)量)均較大，且制動過程持續(xù)時間不長，同時在制動過程中冷卻系統(tǒng)的散熱需求處于比較低的工況條件，加之散熱器等冷卻液流過的物體均有較大的熱容量，故制動過程產(chǎn)生的耗散能量不會引發(fā)冷卻系統(tǒng)散熱能力降低出現(xiàn)故障的問題.

3 制動電能耗散系統(tǒng)應(yīng)用案例分析

一種混合動力車輛，其制動電能耗散系統(tǒng)如圖1所示，制動電能額定功率為56 kW，制動電能峰值功率為450 kW，且制動電能峰值功率持續(xù)時間為4.3 s，發(fā)動機冷卻系統(tǒng)散熱量為300 kW，冷卻液流量600 L/min，系統(tǒng)中冷卻液總量為100 L.

選取內(nèi)流液冷式制動電阻管規(guī)格為：內(nèi)徑15 mm、壁厚1 mm、長度400 mm、額定耗散功率4 kW，其最高工作溫度不超過200 ℃.按照制動電能耗散要求選用15支制動電阻管，構(gòu)成制動電能耗散裝置，如圖2所示.

3.1 制動電阻工作溫度計算

冷卻液在制動電阻管內(nèi)的流速：

冷卻液的對流換熱系數(shù)：

對流換熱面積(銅管內(nèi)表面積)：

F=2π×7.5×400×15=0.29,m2.

由公式(3)可以計算出制動電阻的工作溫度.

按照制動電能額定功率計算制動電阻額定工作溫度(冷卻液溫度按照T4=90℃計算)：

按照制動電能峰值功率計算制動電阻最高工作溫度(冷卻液溫度按照T4=90℃計算)：

通過計算結(jié)果可以看出，制動電阻的工作溫度未超過其允許工作溫度200 ℃，制動電阻能夠正常工作，滿足車輛制動電能耗散的需求.

3.2 冷卻液溫升計算

車輛制動時，發(fā)動機的散熱需求不會大于150 kW，此處按照150 kW進行計算.制動峰值功率為450 kW、持續(xù)時間為4.3 s的情況下帶來的冷卻液溫升可以按照公式(5)進行計算.

即在4.3 s內(nèi)冷卻液的極限溫升為3.1 ℃.發(fā)動機冷卻系統(tǒng)正常工作時，冷卻液溫升一般為7～8 ℃，車輛制動工況下，發(fā)動機散熱需求按照150 kW計算，此時冷卻液溫升約為3.5～4 ℃，加上制動電能耗散帶來的溫升3.1 ℃后仍低于發(fā)動機正常工作時的冷卻液溫升，因此不會引起車輛的發(fā)動機冷卻系統(tǒng)散熱能力不足的問題.

4 結(jié) 論

本研究采用內(nèi)流液冷式制動電阻技術(shù)將制動電能耗散方式由風冷改為水冷，大大提高了其散熱效率.針對具體車型案例進行分析及計算，結(jié)果表明，制動電阻最高工作溫度為164.7 ℃，遠小于其最高允許工作溫度200 ℃，能夠正常工作.制動電能耗散裝置帶來的冷卻液溫升為3.1 ℃也不會引起發(fā)動機冷卻系統(tǒng)散熱不足的問題.即該制動電能耗散系統(tǒng)是可行的，能夠滿足車輛使用要求.除案例中選取的規(guī)格外，內(nèi)流液冷式制動電阻管還具有多種規(guī)格、參數(shù)可供選擇，其數(shù)量和布置方式也可以根據(jù)需求確定，滿足不同車輛需求的優(yōu)點.