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，產生的電機制動力矩又可通過傳動系統(tǒng)對驅動輪施加制動力.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化為熱能，通過空氣流過制動電阻表面肋片等結構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耗散制動電能的需求.

1 內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接線端子傳遞至制動電阻管，由電阻絲轉化為熱能，熱能通過薄壁銅管傳遞至管內冷卻液內，管內冷卻液在水泵驅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驗，能夠實現(xiàn)批量生產.集流室起到分散和匯集冷卻液的作用，冷卻液由進口流入，分散后分別流經多支制動電阻管，匯集至出口處流出.在實際應用過程中，根據車輛制動電能的耗散需求進行匹配設計，確定制動電阻管的數(shù)量和布置方式.

每一根內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 制動能量轉化及傳遞過程

2.2 制動電能轉換及傳遞過程計算

根據前述分析的能量轉換和傳遞過程，歸納總結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，根據能量守恒定律有E=Q導熱=Q對流.

綜上所述，內流液冷式制動電阻將制動電能E轉換為對流換熱量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)在較小的體積內耗散較大功率電能的目的.也就是說，采用內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.

制動電能經轉換后傳遞至冷卻液，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.

選取內流液冷式制動電阻管規(guī)格為：內徑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的流速：

冷卻液的對流換熱系數(shù)：

對流換熱面積(銅管內表面積)：

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 論

本研究采用內流液冷式制動電阻技術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需求確定，滿足不同車輛需求的優(yōu)點.