移動(dòng)電源車模塊化集成冷卻系統(tǒng)解決方案

姜紅霞 王凝嵐 孫金鋒

摘要：針對(duì)移動(dòng)電源車的特點(diǎn)及冷卻需求，研制出模塊化、集成型的冷卻系統(tǒng)，系統(tǒng)包含四組冷卻模塊，可以實(shí)現(xiàn)分別控制，進(jìn)而調(diào)節(jié)冷卻強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)按需冷卻。經(jīng)臺(tái)架試驗(yàn)及實(shí)車試驗(yàn)表明，該冷卻系統(tǒng)不僅很好的滿足了冷卻需求，同時(shí)達(dá)到了結(jié)構(gòu)緊湊、操控簡(jiǎn)單、節(jié)約能源等目的。

關(guān)鍵詞：模塊化;集成型散熱性能;高溫循環(huán);低溫循環(huán)

0? 引言

移動(dòng)電源車是為滿足野外作戰(zhàn)時(shí)大功率用電部件的用電需求而配置的供電設(shè)備，是一種車載發(fā)電裝置，由發(fā)動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力帶動(dòng)發(fā)電機(jī)進(jìn)行發(fā)電，整個(gè)發(fā)電裝置需要安裝在車輛上，由車輛運(yùn)輸，根據(jù)作戰(zhàn)需要隨時(shí)能夠停下來(lái)為用電部件啟動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)并供電。要求發(fā)電裝置能夠在各種極端環(huán)境條件下運(yùn)行。為了保證該發(fā)電裝置在各種極端環(huán)境條件的正常供電，特別是在高溫濕熱環(huán)境和高海拔濕熱環(huán)境條件下，發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠散熱是其能夠正常工作的基礎(chǔ)。為了給發(fā)動(dòng)機(jī)提供充足的散熱，需要該冷卻系統(tǒng)既要有良好的冷卻性能，滿足供電裝置的散熱需要，又要有較高的可靠性，滿足在任何苛刻運(yùn)輸環(huán)境下的顛簸、振動(dòng)。

1? 模塊化集成冷卻系統(tǒng)簡(jiǎn)介及系統(tǒng)原理

1.1 簡(jiǎn)介

移動(dòng)電源車與其他領(lǐng)域種類的車型相比有其特殊性，首先，大部分艙體密閉性比較好，規(guī)格相對(duì)來(lái)講比較統(tǒng)一，整個(gè)系統(tǒng)的特點(diǎn)和工作狀態(tài)相似度很高，同時(shí)它的車型種類比較多，而要求的加工周期比較短，針對(duì)這種特點(diǎn)和工作狀態(tài)合理分析熱性能，對(duì)冷卻系統(tǒng)進(jìn)行模塊化產(chǎn)品設(shè)計(jì)，可以大大縮短加工周期。其次，移動(dòng)電源車需要配備冷卻系統(tǒng)的空間十分有限，不僅散熱器等各個(gè)部件布置困難，同時(shí)也使風(fēng)道設(shè)計(jì)難度增加，導(dǎo)致系統(tǒng)阻力大幅增加，影響整個(gè)冷卻系統(tǒng)的冷卻效果。再次，大型移動(dòng)電源車能耗比較高的問題一直是解決難題，尤其是兆瓦級(jí)大功率發(fā)電的電源車，降低高能耗已經(jīng)刻不容緩地?cái)[在面前，研發(fā)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮到應(yīng)該如何節(jié)能。

該項(xiàng)目移動(dòng)電源車發(fā)電功率較大，達(dá)兆瓦級(jí)，所要求的散熱功率也極大，因此其冷卻系統(tǒng)的體積也會(huì)十分巨大，使得設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、加工難度較大，操作運(yùn)行也十分復(fù)雜。

1.2 系統(tǒng)原理

該大型冷卻系統(tǒng)工作方式為電機(jī)通電帶動(dòng)風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)，使得冷卻空氣從整個(gè)艙體的兩側(cè)進(jìn)入，流經(jīng)散熱器后從頂面排出帶走熱量，冷卻空氣先經(jīng)過(guò)低溫循環(huán)水散熱器，再經(jīng)過(guò)高溫循環(huán)水散熱器，低溫水和高溫水通過(guò)主管路分別進(jìn)入散熱器，在散熱器中低溫循環(huán)水和高溫循環(huán)水分別與冷卻空氣進(jìn)行熱交換，來(lái)降低發(fā)動(dòng)機(jī)高、低溫循環(huán)水的溫度，保證發(fā)動(dòng)機(jī)的正常、可靠工作（如圖1所示）。該冷卻系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)采用多組相同的模塊并聯(lián)構(gòu)成整個(gè)冷卻系統(tǒng)，在工作中可以根據(jù)環(huán)境條件以及柴油機(jī)的功率輸出自主調(diào)節(jié)模塊的開啟數(shù)量，這種設(shè)計(jì)方案不僅可以保證最惡劣環(huán)境條件下的散熱要求，而且還能夠靈活調(diào)節(jié)，在不需要冷卻系統(tǒng)全部開啟時(shí)可以靈活調(diào)節(jié)和開啟子系統(tǒng)，提高整車的經(jīng)濟(jì)性，降低能耗，在最優(yōu)工作點(diǎn)進(jìn)行工作。

2? 模塊化集成冷卻系統(tǒng)具體方案

首先，大型移動(dòng)電源車的散熱需求按照最惡劣工況點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，需要設(shè)計(jì)出的冷卻系統(tǒng)體積巨大，要求的風(fēng)扇風(fēng)量也非常多，但是根據(jù)其工作特點(diǎn)，可以采用多模塊并行的設(shè)計(jì)方式，將整個(gè)柴油機(jī)的熱量由相同的4組散熱模塊進(jìn)行散熱，這種工作方式的優(yōu)點(diǎn)就是可以保證柴油機(jī)在合適的工作溫度，減小能量消耗和提高系統(tǒng)的工作可靠性。

其次，對(duì)散熱模塊進(jìn)行靈活地調(diào)節(jié)。每組散熱模塊配置一個(gè)散熱器、一個(gè)軸流風(fēng)扇和一個(gè)三相異步交流電機(jī)，每組電機(jī)都可以通過(guò)策略進(jìn)行單獨(dú)控制，從而控制風(fēng)扇運(yùn)行的數(shù)量，當(dāng)無(wú)所需散掉多余熱量時(shí)，可以關(guān)閉其中一組或者兩組電機(jī)，只要保證柴油機(jī)的循環(huán)水在正常的工作溫度范圍即可。電機(jī)選用的是變頻調(diào)速電機(jī)，因此應(yīng)對(duì)整個(gè)散熱系統(tǒng)設(shè)有溫度等控制信號(hào)并自動(dòng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的頻率調(diào)整，適時(shí)對(duì)電機(jī)進(jìn)行變頻調(diào)速。

再次，柴油機(jī)上設(shè)有節(jié)溫器，當(dāng)水溫低于某一溫度時(shí)，循環(huán)水進(jìn)行小循環(huán)工作，風(fēng)扇停止運(yùn)行一組或者兩組;當(dāng)高于該溫度值時(shí)，循環(huán)水進(jìn)行大循環(huán)工作，風(fēng)扇全部運(yùn)行。

這種運(yùn)行模式使得大型移動(dòng)電源車能夠適應(yīng)各種環(huán)境特點(diǎn)，尤其是冬季和夏季的季節(jié)轉(zhuǎn)換，寒區(qū)和熱區(qū)的地點(diǎn)轉(zhuǎn)換，可以按照所需進(jìn)行能量損耗的降低，實(shí)現(xiàn)了冷卻系統(tǒng)的系統(tǒng)節(jié)能。

按照模塊化的設(shè)計(jì)思想，將整個(gè)冷卻系統(tǒng)分為4個(gè)相同的冷卻模塊（如圖2所示），每個(gè)冷卻模塊都包括高溫循環(huán)和低溫循環(huán)兩臺(tái)水散熱器、風(fēng)圈、兩個(gè)冷卻風(fēng)扇、兩套驅(qū)動(dòng)電機(jī)以及安裝散熱器和電機(jī)的支架。整個(gè)系統(tǒng)還包括系統(tǒng)管路和膨脹水箱。

3? 散熱性能匹配計(jì)算

散熱量：高溫循環(huán)散熱量為1000kW，低溫循環(huán)散熱量為200kW;

水流量：高溫循環(huán)68.5m3/h，低溫循環(huán)26.5m3/h;

溫度：柴油機(jī)高溫循環(huán)出口溫度不超過(guò)85℃，低溫循環(huán)的進(jìn)口溫度不超過(guò)55℃。

在前述對(duì)換熱元件深入研究的基礎(chǔ)上，綜合考慮散熱量、溫差、耗功等要求和部件現(xiàn)有水平，系統(tǒng)所需的總冷卻風(fēng)量為59m3/s，將各散熱器冷卻風(fēng)量以及所占空間進(jìn)行分配，在給定的空間內(nèi)合理地選擇各種結(jié)構(gòu)參數(shù)，經(jīng)多次匹配計(jì)算確定單個(gè)冷卻模塊性能如表1所示。

4? 實(shí)施效果

該冷卻系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo)是能夠散掉足夠的熱量，保證柴油機(jī)的正常工作。經(jīng)過(guò)裝機(jī)調(diào)試、熱區(qū)試驗(yàn)、寒區(qū)試驗(yàn)證明，該冷卻系統(tǒng)能夠滿足柴油機(jī)正常工作的要求，滿足指標(biāo)要求，指標(biāo)符合性情況見表2。

產(chǎn)品完成與車體總裝后，整車在304試驗(yàn)基地及新疆試驗(yàn)基地均進(jìn)行了全功率發(fā)電狀態(tài)的運(yùn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明冷卻系統(tǒng)能夠很好的滿足整車的冷卻需求。

5? 結(jié)論

經(jīng)實(shí)車試驗(yàn)及臺(tái)架試驗(yàn)證明，模塊化集成冷卻裝置能夠很好的滿足車輛野外惡劣條件、多樣復(fù)雜耦合工況下的冷卻需求，提升散熱效率的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了體積重量的減小。模塊化的系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)計(jì)集成、制造集成，目前產(chǎn)品已批量生產(chǎn)并應(yīng)用于系列化電源車，達(dá)到了低能耗、輕量化、小型化、高可靠性以及低成本的目的，對(duì)整車的節(jié)能減排、降低能量消耗、提高燃料利用等發(fā)揮了積極的作用，為車輛節(jié)能、提高經(jīng)濟(jì)性提供技術(shù)保障。

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