无人装甲车辆散热技术发展趋势

2021-10-21张佳卉曹元福

车辆与动力技术 2021年3期

刘洋，张佳卉，曹元福，石军，籍力

(中国北方车辆研究所，北京 100072)

无人装甲车相比传统车辆，其传动形式由机械传动发展为电传动，电机、控制器、动力电池、电磁悬挂、综合电子信息系统等电器部件的增加，导致整车热源分布复杂、目标温度呈现两级分化.此外无人车对极端环境的适应性有更高要求，整车的小型化、紧凑型布置使得单位体积的散热量不断提高.散热系统匹配设计难度增大，部件性能、可靠性要求提升，散热技术面临越来越多挑战.

1 散热系统匹配技术发展

散热系统设计的最终目标是尽可能提高散热单元的热流密度、减小功耗，其典型特征是与动力传动装置的一体化集成设计.传统车辆散热系统其设计三要素为：水、油、气，即冷却液、机油、传动油、液压油、增压空气和冷却空气.散热系统的设计、优化和匹配，包括强化传热、流场协同等全部围绕水、油、气三要素进行.无人车辆的散热系统设计最终目标没有变，仍然是尽可能提高散热单元的热流密度、减小功耗，但其特征由集成化向多元化、集成化和智能化方向发展.

首先，无人车的热源呈现多元化，除了发动机和传动油等高温热源外，又增加了发电机、电机、控制器、动力电池等低温热源，增加了系统的技术难度和复杂度.直接导致散热系统设计要素转换为水、油、气、电四要素，即增加了电子元件的散热需求.其次，传统散热系统一般为单泵单循环，主要由发动机水套、中冷器、机油冷却器、散热器、水泵和膨胀水箱等组成.系统结构简单，可调控的温度范围较窄.无人车辆由于增加了相当数量的电机和控制器等低温散热源，散热系统呈现双泵双循环、三泵三循环、甚至多泵多循环的发展态势，系统复杂度大幅上升，集成化设计难度增大，图1为单泵单循环原理，图2为多泵多循环原理图.最后，与传统装甲车辆相比，无人车的工况需求更为复杂，要求车辆能够对持续多变的使用工况快速响应，同时还要满足动力性、经济性、可靠性，保证足够的使用时间.传统的散热系统设计，不能动态响应车辆工况的瞬态变化，不能满足各项性能指标[1].智能化散热技术能够实现实时工况管理，即根据监测的水、油、气、电以及环境温度及发动机转速、油门开度等参数随车辆工况变化而调整系统本身的散热能力，实现冷却介质温度的精准控制、进气温度的精准控制、关键部件的热负荷控制[2]，达到与动力系统的合理匹配，为无人装甲车的可靠工作提供足够的保证，图3为某智能化散热技术的控制原理图.

图1 单泵单循环原理图

图2 多泵多循环原理图

图3 某智能化散热技术的控制原理图

以上发展趋势使得散热系统的总体设计发生很大变化，与传统散热系统设计相比，部件选型设计和试验验证环节变化较大.部件选型设计方面，由于增加了发电机、电机、控制器、动力电池等低温散热需求，水散热器由单一散热变为高温和低温散热，新增了冷板、冷凝器等散热部件以及制冷机组部件，风扇和水泵的驱动方式由原先的机械式或液力液压式变为电驱式.导致冷却液流量分配试验环节试验验证必须充分考虑各循环支路的均衡性，即增加了冷却液流量分配试验环节.图4为基于电传动车辆的散热系统设计开发流程图.

图4 基于电传动车辆的散热系统设计开发流程图

2 散热部件技术发展趋势

2.1 电子风扇

风扇是散热系统的核心部件，目前无人装甲车辆上搭载的风扇主要是电子风扇，与传统车辆机械、液力驱动相比，实现了与发动机解耦，具有无极调速特点，可根据发动机负荷大小，提供合适的风量，解决了车辆在发动机低速、大扭矩工况下散热能力不足问题[3].

目前装备的电子风扇只能满足低功率散热需求.随着发动机功率的不断提高，动力单元的散热量会成倍增加，而散热器的散热面积受到车辆动力舱的空间限制，不可能大幅度地增加，只有提高风扇转速来增加空气流量，才能满足散热需求.转速提高的同时，风扇消耗功率也会提高，影响到整车的能量分配、续航里程，等等.因此，开发高转速、低功耗、新型叶轮的电子风扇是未来的发展趋势.图5为某电子风扇结构图.

图5 某电子风扇结构图

2.2 电子水泵

为了应对无人装甲车辆低温热源种类多，分布点布置的特点，电子水泵得到了广泛的应用.电子水泵可以使整个散热系统与发动机解耦，系统散热能力不再受发动机转速的限制.高转速(6 000～12 000 r/min)设计，使水泵的外形尺寸大幅减小，安装更加简便.

电子水泵的发展，关键在于水泵电机技术的提升.一方面，电机功率的提升，必然会带来热量的增加，严重影响电机的可靠性和寿命.另一方面，装甲车辆封闭的动力舱高温环境对水泵电机及控制器的耐温性提出考验.因此，开发电子水泵新型散热技术，提高电子水泵可靠性，将是未来电子水泵发展的关键技术.图6为某屏蔽式电子水泵结构图.

图6 某屏蔽式电子水泵结构图

2.3 电子节温器

目前搭载柴油机装配的机械式节温器是将感应温度的石蜡结构浸泡在发动机冷却液中，当冷却液温度升高后，石蜡受热膨胀将节温器的阀门打开，从而开启大循环.机械式节温器的弊端在于长时间使用后，表面会有水垢沉积，不能灵敏地感应温度，影响开启速度，造成过热.

电子节温器是通过ECU发送信号加热电阻来实现石蜡的加热膨胀，从而开启大循环.与传统节温器相比，电子节温器响应更快，温度调节范围更宽.有试验证明更换电子节温器的柴油机，在低负荷工况下能节省2%～6%的油耗[4].未来电子节温器将会广泛应用于无人装甲车散热系统中.

2.4 电子冷板

冷板在设计应用时主要控制冷板安装表面的温度，以保证电子器件工作在允许温度范围内，达到冷却散热的目的[5].由于车载电子冷板的工作环境恶劣，且热耗散功率较大，冷板表面温度极不均匀，尤其对于大功率、高热流密度的电器散热，普通冷板已难以满足其散热需求.例如，某无人车搭载控制器散热量高达20～30 kW,冷板表面温度接近100 ℃，距离电器设备理想工作温度80 ℃～90 ℃有很大差距，普通冷板达不到要求.

采用以冷板为基体，增加相变结构的复合水冷板是解决该问题的有效方法.其利用相变材料的高导热特性，将局部热量进行快速扩散，实现集中热源沿冷板表面的热扩展，达到整个冷板表面的温度均匀，从而充分利用冷板本体的散热面积，有效降低电器设备发热端的热流密度.系统工作时，电器设备热量一边通过相变结构的蒸发端向冷凝端快速扩散，一边通过冷板直接换热进入系统冷却流体中，两种热量传递途径互相耦合，一同提升了冷板的换热性能.图7为某相变结构与冷板复合技术基本原理图.目前常见的相变结构有均热板、热管，等等，其当量导热系数可达到2 000 W/m·k，热流密度可达200 W/m2，工作温度范围5～100 ℃，最小厚度可达1.5 mm.未来脉动热管、微通道等更为先进的技术会应用在无人装甲车上，进一步提高系统散热性能.

图7 相变结构与冷板复合技术基本原理图

2.5 3D打印风道、管路

装甲车散热风道、管路等部件多采用焊接、铸造等传统技术实现.传统焊接技术，产品抗振动冲击性能差，在复杂路况下使用后，焊缝处很容易开裂，结构强度差，而且外观较差.传统铸造技术，工艺复杂，模具加工难度大，不能铸造薄壁件以及空间异形风道、管路，不利于产品试制.

使用光固化树脂焙烧结合精密铸造工艺，能够有效解决以上问题.首先通过3D打印技术进行部件树脂原型的制造，经过后处理、紫外线光固化后进行制壳、脱蜡、焙烧后制成型壳，最后通过浇注、清理形成最终部件.此种方法加工的风道、管路外观良好，重量轻、抗冲击振动效果好，能够有效提高系统的轻量化和可靠性指标.图8为应用3D打印技术的某无人车风道结构图.