汪楠 刘乾坤

广东美的制冷设备有限公司 广东佛山 528311

1 引言

车载空调也叫驻车空调，是安装在卡车上重要的温度调节装置[1-2]。本文所介绍的24 V车载空调，属于分体式空调，其性能、参数与常规的220 V家用空调相比能力偏低，功率在2000 W左右，为保证安全性选择使用非可燃性制冷剂。最大不同之处是所有的电器元件如电机、压缩机均为24 V启动规格。与普通的家用空调对比，车载空调面临更恶劣的使用场景。因为车载空调需要随着车体运行，长期承受来自车体的颠簸和震动，遇见恶劣路况，承受的破坏更多[3]。同时车载空调需要在日晒或雨淋等恶劣环境下长期运转。比如日晒导致腔体温度过高以及24 V元器件本身额定电流增大，线组和电控元器件的规格相应增大，导致发热过高引起的温升超标、电控异常问题；淋雨引发的腔体进水、线体短路等电气安全问题；震动引起的外机断裂、强度不足问题。因此车载空调对可靠性的要求特别严苛。在所有的破坏因素中，电控方面的因素最为关键，极其可能导致空调运行失效。同时淋雨、灼烧、温升三个试验合格的条件是相互制约的，比如腔体密封利于淋雨、灼烧，但是不利于温升散热。增加海绵改善淋雨，又额外给灼烧增加了可燃物。所以本文重点讨论淋雨、灼烧、温升三个方面的可靠性以及如何寻找一个平衡的最优解。

2 淋雨测试的必要性以及解决办法

2.1 淋雨试验的测试方案以及条件

与常规的空调外机对比，车载空调外机所面临的环境更加的恶劣，因为卡车行驶的路况、角度、方向都会导致外壳某一个角度防水失效，使雨水进入腔体。因此要模拟车辆行驶过程中的爬坡、转弯等特殊条件下的实际情况。爬坡和转弯的时候可以让空调外机失去平衡，形成一定的角度，给了水滴运动的动力。凝结的水珠在倾斜的零部件上流动，同样存在电气安全隐患。暴风雨天气，空调停止使用，但是外机的风会导致风扇反转，同样会导致水流向压缩机腔。实验室主要参照GB/T 4208-2017标准中的IPX4级防水要求进行试验[4]，同时可以自定义加测非标试验，比如模拟爬坡、转弯，以及模拟反转加长测试时间等辅助评估。

2.2 淋雨试验的解决方案

常规淋雨测试合格后，需要模拟空调在不通电情况下轴流风叶受外部风力影响下引起的反转淋雨情况，以及此状态下的爬坡、转弯情况。通过测试发现，反转的时候部分雨水会通过如图1箭头所示路径，以及顶盖与电器盒之间的间隙流入压缩机腔。而压缩机腔内有包含压缩机接线端子、内外机连接线端子以及各种线体，此类端子、线体均不可以出现水滴，否则有严重的电气安全隐患。反转时雨水运行路径，如图1所示。

图1 反转测试雨水传播路径

反转即是风叶在外力作用下顺时针运转，风叶会把水滴打散成雾状再吹向压缩机腔。如图2所示，电控盒以及线体会汇集很多细小的水珠，以及飘落的水雾凝结成的水滴。为了解决此问题，必须在水滴流动路径上进行阻隔，并且要考虑散热，确保不影响温升。

图2 淋雨测试异常实况图

针对以上异常，同时兼顾温升的散热情况，设计方案的时候要确保一个原则，即过风不过水的原则。因此要将能够进水的，特别是钣金件工艺缺口造成的缝隙，使用海绵进行填补。针对电控盒上表面与顶盖之间的间隙，需要利用图3中的海绵，确保雨水被拦在电控盒的左侧，无法进入端子以及线体。海绵可以与电机支架本身的海绵合并成一块，既起到了顶盖与电机支架之间隔音的作用，又起到了隔水的作用。

图3 顶盖海绵粘贴示意图

特别注意，在冷凝器与电控盒支架之间预留了一条过风的路径，主要是为了不影响冷凝器换热。因为冷凝器是通过翅片与空气实现热交换，如若被电控盒挡住，冷凝器对应的位置，不会有风流通，没有腔体外空气流入带走热量，就会影响散热。因此必须在电控盒跟冷凝器之间留有一定的距离，确保空气流通。但是试验表明，风叶反转的时候此处极易出现进水，所以需要增加如图4所示的黑色海绵，既保证了风的流通，又阻碍了水的流动路径。综上，按此方案可以解决车载空调在特殊环境中的反转、爬坡、拐弯中的防淋雨问题。

图4 冷凝器海绵粘贴示意图

3 灼烧试验的必要性以及解决办法

3.1 灼烧试验的测试方案以及重要性

车载空调固定在卡车的车头位置，紧靠着驾驶室，因此防火可靠性是安全因素中的重中之重。一旦出现燃烧现象，将危及车体以及驾驶者人身安全，因此务必保证车载外机的防火性能。实验室中主要通过以下三种方法引燃外机进行验证，测试方法以及检测标准依据通用安全标准IEC 60335-1以及企业内部测试标准QMK-J074.0050-2017。

3.1.1 电热丝引燃强制燃烧试验方法

在产品的试验目标对象部位（如强电端子连接部位等）用镍铬合金电热丝，令目标对象上升到起火的温度进行强制燃烧试验。

3.1.2 燃烧剂强制燃烧试验方法

在产品的试验目标对象部位（带电部件保持固定或直接接触-邻近零件材料，如变压器、马达、线组附带的连接器等）设置甲醇系的固体酒精，用点火加热装置点火进行强制燃烧试验。

3.1.3 电解液污染拉弧起燃强制燃烧试验方法

在产品的试验目标对象部位（如电路板、接线座异电极间、温控器等存在污染可能起火的部位）采用5%浓度的氯化铵溶液进行喷洒后对机器进行通电，直至带电部位电极间发生拉弧起火进行强制燃烧试验。

3.2 灼烧试验的现状以及异常分析

模拟测试的时候发现，压缩机腔的大量线体、压缩机隔音棉、接线端子均为可燃物。虽然线体、隔音棉等已经使用阻燃材料，但是阻燃材料并不能彻底解决灼烧风险。外机压缩机腔是一个相对封闭的腔体，但是出风格栅处却有大量的空气，加上空调运转的时候会形成一个空气从压缩机腔向格栅处流动的趋势，形成负压。火焰会随着空气的流动通过顶盖上的可燃物流动到电机一侧，进而烧穿格栅。因此解决方案是切断火焰的燃烧路径。

3.3 灼烧试验的解决方案

如何保证空气流通同时阻断火势蔓延的可能是个关键问题。首先要从源头减少可燃物的数量，比如减少线体、减少隔音棉。线体护套以及接线端子改为防火等级更高的材料。其次要切断火势蔓延的途径。火势都是借着可燃物行走的，因此顶盖海绵如图5所示粘贴。1号海绵和2号海绵之间保留一定的距离，形成隔离带。所以即便空气流通，没有可燃物也无法把火焰传递到电机一侧。此处特别注意，也要选用带有阻燃性能的海绵。此处距离需要根据实际情况进行设计，因此设计方案已经进行专利保护，相关细节不再赘述。

图5 灼烧试验顶盖海绵粘贴指导

4 温升

4.1 温升测试的意义

车辆在行驶过程中不断给蓄电池充电，蓄电池保持着充足的电量。驻车时间，蓄电池给空调供电过程中电压会不断下降，当空调检测到电池电压偏低时，进入低功耗模式，维持空调持续运行。空调器的过压、过流、过热保护功能，保证整个运行过程中的安全可靠。这一切的控制指令源于空调外机控制器中的电控盒，电控盒相当于人类的大脑，负责接收、实施指令。电控盒内侧布有很多重要的元器件。本文将元器件分为两大类，Ⅰ类：电容、电感、风机模块；Ⅱ类：整流桥、IGBT、二极管、IPM。Ⅰ类在压缩机腔体，Ⅱ类在散热器。此类元器件在样机运行的时候会出现发热的现象，为了保证其正常工作。必须利用散热器将热量导出，本文中的电控盒主要是利用盒体本身进行导热。因此，此电控盒的摆放位置显得尤其重要。

4.2 温升的影响因素

热量传递主要有三种基本方式：导热、对流和热辐射。因此通过分析并合理的利用三个因素，就可以找到解决温升的最优解[5]。

4.2.1 导热

导热是依靠分子、原子及自由电子等微观粒子的运动而产生的热运动。导热现象的规律被总结为傅里叶定律。傅立叶定律是传热学中的一个基本定律，由法国著名科学家傅里叶于1822年提出。傅里叶定律的文字表述：在导热现象中，单位时间内通过给定截面的热量，正比于垂直于该截面方向上的温度变化率和截面面积，而热量传递的方向则与温度升高的方向相反。傅里叶定律用热流密度JT表示时形式如下：

可以用来计算热量的传导量。其中热流密度JT（W/m2）是在与传输方向相垂直的单位面积上，在x方向上的传热速率。它与该方向上的温度梯度dt/dx成正比。比例常数λ是一个输运特性，称为热导率（也称为导热系数），单位是W/(m•K)。也可以表述如下：

式（2）中：

dt/dx（Q上一点）为导热速率，单位为W；

A为直于热流方向的截面积，单位为m2；

λ为导热系数，材料导热性能优劣的参数；

t为温度，单位为K；

x为在导热面上的坐标，单位为m；

上述式中负号表示传热方向与温度梯度方向相反。

4.2.2 对流传热

对流传热是在流体流动进程中发生的热量传递的现象，热能从一处传递到另一处的过程。对流传热通常用牛顿冷却定律来描述，即当主体温度为tf的流体被温度为tw的热壁加热时，单位面积上的加热量可以表示为：

当主体温度为tf的流体被温度为tw的冷壁冷却时，单位面积上的加热量可以表示为：

式（3）和（4）中：

h为比例系数，称为对流传热系数，单位为W/(m2•℃)；

A为固体壁面换热面积，单位为m2。

牛顿冷却公式表明，单位面积上的对流传热速率与温差成正比关系。

4.2.3 热辐射

辐射换热是各个物体之间不断发出和吸收热辐射过程的综合结果。任何物体，只要温度高于绝对0度，就会不停地向周围空间发出热辐射，其基本公式可按斯忒藩-玻尔兹曼定律来计算：

式（5）中：

ε为物体发射率（又称黑度）；

A为辐射表面积，单位为m2；

σ为斯忒藩-玻尔兹曼常量，5.67×10-8W(m2•K4)；

T为黑体的热力学温度，单位为K。

因此需要利用热成像仪器分析出腔体内热辐射高的元器件，通过分析发现腔体内有三处温度较高的发热源，分别是轴流风叶电机、冷凝器、压缩机，通过对比测试发现电控盒放置在远离冷凝器等热源的位置散热效果更佳理想。同时通过图6可以看出，冷凝器不仅发热严重，并且隔板拐角的地方风速最低，换热最差，导致周边的空气温度高于电控盒本身的发热，因此通过冷凝器进来的风不仅不能辅助散热，还会把热量传递给电控盒。因此需要通过绝热材料进行阻断热辐射，试验表明可以使温度降低3℃左右。

4.3 温升的改善措施

分析发现，电控盒涉及3个方面的热量交换，比如电控盒内部元器件通过盒体本身的外表面热传递出来的热量Q1；压缩机腔体流向电机腔体时产生的对流传热热量Q2；以及外冷凝器产生的热辐射热量Q3。通过热成像仪发现，Q3处的热量高于Q1和Q2，说明在外界空气通过冷凝器后不能起到协助电控盒散热的作用，还会提高温升。因此电控盒必须远离冷凝器，同时设置屏障阻隔在冷凝器与电控盒之间。温升测试腔体内部热量分布示意图如图7所示。

图7 温升测试腔体内部热量分布示意图

4.4 温升的理论分析

此类电器盒的散热主要是依靠流动空气带走热量，以及温度热传递由高温向低温传递的物理特性。因此电器盒的摆放位置极其重要，是影响温升的重要因素。由风量公式Q=VA可以看出，在截面积A一致的情况下，风量主要受风速影响，根据图8可以看出，风叶的叶片中心是风速度最小的，切向力方向的风速最大。

图8 三维流线示意图

如图9所示，电控盒需要抬起一定角度，根据空间情况，尽量接近切向力的方向。同时要保证高度不要超过电机支架，以免影响到顶盖的装配。此时电控盒上方与顶盖留有间隙，下侧与隔板形成夹角，同样留有间隙，有效的实现了轴流风叶腔与压缩机腔的空气流通。此处已经进行专利保护，相关细节不再赘述。

图9 电控盒摆放位置示意图

综上，电控盒依据以上理论分析，摆放在腔体中最有利于散热的位置。屏蔽热量传播途径，同步优化结构设计，可以有效的提高散热效率，确保各个元器件正常工作。

5 结语

通过对理论分析与相关测试标准的试验验证，得出如下结论：

（1）24 V车载空调外机受使用环境的影响，面临更大的可靠性挑战。电气安全关乎车载空调的使用寿命，也包含使用者的安全，是产品设计中最重要的一个环节。

（2）电气安全相关的淋雨、温升、灼烧三个测试合格条件是相互制约的，设计者需要通过理论计算、软件分析以及结合测试验证找到一个最优解。

（3）电控组件的摆放位置很重要，一定要结合风场的分析进行布局，同时还要考虑其防水问题。

（4）对于车载空调，常规试验得出的测试结果，一定要结合实际使用情况加严模拟测试，产品的可靠性才更具说服力。

本文从车载空调的介绍、可靠性电气安全方面具备的条件、相关的测试方法以及改善方向等进行了综合性的分析与论述。文中都是作者自身的工作经验总结，可能存在一定的缺失与不足，欢迎交流与指正。