移動電源車模塊化集成冷卻系統解決方案

姜紅霞 王凝嵐 孫金鋒

摘要：針對移動電源車的特點及冷卻需求，研制出模塊化、集成型的冷卻系統，系統包含四組冷卻模塊，可以實現分別控制，進而調節冷卻強度，實現按需冷卻。經臺架試驗及實車試驗表明，該冷卻系統不僅很好的滿足了冷卻需求，同時達到了結構緊湊、操控簡單、節約能源等目的。

關鍵詞：模塊化;集成型散熱性能;高溫循環;低溫循環

0? 引言

移動電源車是為滿足野外作戰時大功率用電部件的用電需求而配置的供電設備，是一種車載發電裝置，由發動機提供動力帶動發電機進行發電，整個發電裝置需要安裝在車輛上，由車輛運輸，根據作戰需要隨時能夠停下來為用電部件啟動運轉并供電。要求發電裝置能夠在各種極端環境條件下運行。為了保證該發電裝置在各種極端環境條件的正常供電，特別是在高溫濕熱環境和高海拔濕熱環境條件下，發動機的可靠散熱是其能夠正常工作的基礎。為了給發動機提供充足的散熱，需要該冷卻系統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，滿足在任何苛刻運輸環境下的顛簸、振動。

1? 模塊化集成冷卻系統簡介及系統原理

1.1 簡介

移動電源車與其他領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，規格相對來講比較統一，整個系統的特點和工作狀態相似度很高，同時它的車型種類比較多，而要求的加工周期比較短，針對這種特點和工作狀態合理分析熱性能，對冷卻系統進行模塊化產品設計，可以大大縮短加工周期。其次，移動電源車需要配備冷卻系統的空間十分有限，不僅散熱器等各個部件布置困難，同時也使風道設計難度增加，導致系統阻力大幅增加，影響整個冷卻系統的冷卻效果。再次，大型移動電源車能耗比較高的問題一直是解決難題，尤其是兆瓦級大功率發電的電源車，降低高能耗已經刻不容緩地擺在面前，研發設計時應充分考慮到應該如何節能。

該項目移動電源車發電功率較大，達兆瓦級，所要求的散熱功率也極大，因此其冷卻系統的體積也會十分巨大，使得設計、生產、加工難度較大，操作運行也十分復雜。

1.2 系統原理

該大型冷卻系統工作方式為電機通電帶動風扇轉動，使得冷卻空氣從整個艙體的兩側進入，流經散熱器后從頂面排出帶走熱量，冷卻空氣先經過低溫循環水散熱器，再經過高溫循環水散熱器，低溫水和高溫水通過主管路分別進入散熱器，在散熱器中低溫循環水和高溫循環水分別與冷卻空氣進行熱交換，來降低發動機高、低溫循環水的溫度，保證發動機的正常、可靠工作（如圖1所示）。該冷卻系統在設計時采用多組相同的模塊并聯構成整個冷卻系統，在工作中可以根據環境條件以及柴油機的功率輸出自主調節模塊的開啟數量，這種設計方案不僅可以保證最惡劣環境條件下的散熱要求，而且還能夠靈活調節，在不需要冷卻系統全部開啟時可以靈活調節和開啟子系統，提高整車的經濟性，降低能耗，在最優工作點進行工作。

2? 模塊化集成冷卻系統具體方案

首先，大型移動電源車的散熱需求按照最惡劣工況點進行設計，需要設計出的冷卻系統體積巨大，要求的風扇風量也非常多，但是根據其工作特點，可以采用多模塊并行的設計方式，將整個柴油機的熱量由相同的4組散熱模塊進行散熱，這種工作方式的優點就是可以保證柴油機在合適的工作溫度，減小能量消耗和提高系統的工作可靠性。

其次，對散熱模塊進行靈活地調節。每組散熱模塊配置一個散熱器、一個軸流風扇和一個三相異步交流電機，每組電機都可以通過策略進行單獨控制，從而控制風扇運行的數量，當無所需散掉多余熱量時，可以關閉其中一組或者兩組電機，只要保證柴油機的循環水在正常的工作溫度范圍即可。電機選用的是變頻調速電機，因此應對整個散熱系統設有溫度等控制信號并自動驅動電機的頻率調整，適時對電機進行變頻調速。

再次，柴油機上設有節溫器，當水溫低于某一溫度時，循環水進行小循環工作，風扇停止運行一組或者兩組;當高于該溫度值時，循環水進行大循環工作，風扇全部運行。

這種運行模式使得大型移動電源車能夠適應各種環境特點，尤其是冬季和夏季的季節轉換，寒區和熱區的地點轉換，可以按照所需進行能量損耗的降低，實現了冷卻系統的系統節能。

按照模塊化的設計思想，將整個冷卻系統分為4個相同的冷卻模塊（如圖2所示），每個冷卻模塊都包括高溫循環和低溫循環兩臺水散熱器、風圈、兩個冷卻風扇、兩套驅動電機以及安裝散熱器和電機的支架。整個系統還包括系統管路和膨脹水箱。

3? 散熱性能匹配計算

散熱量：高溫循環散熱量為1000kW，低溫循環散熱量為200kW;

水流量：高溫循環68.5m3/h，低溫循環26.5m3/h;

溫度：柴油機高溫循環出口溫度不超過85℃，低溫循環的進口溫度不超過55℃。

在前述對換熱元件深入研究的基礎上，綜合考慮散熱量、溫差、耗功等要求和部件現有水平，系統所需的總冷卻風量為59m3/s，將各散熱器冷卻風量以及所占空間進行分配，在給定的空間內合理地選擇各種結構參數，經多次匹配計算確定單個冷卻模塊性能如表1所示。

4? 實施效果

該冷卻系統的主要技術指標是能夠散掉足夠的熱量，保證柴油機的正常工作。經過裝機調試、熱區試驗、寒區試驗證明，該冷卻系統能夠滿足柴油機正常工作的要求，滿足指標要求，指標符合性情況見表2。

產品完成與車體總裝后，整車在304試驗基地及新疆試驗基地均進行了全功率發電狀態的運行試驗，試驗結果表明冷卻系統能夠很好的滿足整車的冷卻需求。

5? 結論

經實車試驗及臺架試驗證明，模塊化集成冷卻裝置能夠很好的滿足車輛野外惡劣條件、多樣復雜耦合工況下的冷卻需求，提升散熱效率的同時實現了體積重量的減小。模塊化的系統能夠實現設計集成、制造集成，目前產品已批量生產并應用于系列化電源車，達到了低能耗、輕量化、小型化、高可靠性以及低成本的目的，對整車的節能減排、降低能量消耗、提高燃料利用等發揮了積極的作用，為車輛節能、提高經濟性提供技術保障。

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