基于客戶數據的混動車散熱器熱疲勞性能優化與認證

邱宇，王磊，張皓清

(上海汽車集團股份有限公司技術中心，上海 201804)

0 引言

新能源汽車由于在動力能量來源方面比傳統內燃機車更清潔，最近幾年得到了大力的發展。目前主要的量產新能源汽車包括純電動車、燃料電池車和混合動力汽車。純電動車和燃料電池車目前受制于成本、安全及公共基礎設施建設等，沒有辦法在全國范圍內廣泛地推廣。而混合動力作為介于純電動車和傳統內燃機車之間的一種動力行駛，兼具了實用和環保的優點，是目前國內市場上主要的新能源車型。

目前國內主流的混合動力車型是插電式油電強混，內燃機和動力電池作為兩種動力源同時存在。在城市道路等低負荷工況中，主要以動力電池作為動力源，而當遇到爬坡、高速等大負荷工況，則內燃機介入動力輸出。這種動力分配方式稱為并聯混合動力，是目前國內主機廠普遍選用的混動方式。

在并聯混動模式下，內燃機的工作狀態與傳動內燃機車有很大的不同。首先，由于內燃機工作時需要給動力電池充電，因此怠速轉速比較高，而且在混動狀態下，內燃機轉速并不與油門開度呈線性關系。其次，混動車上內燃機會因為車輛工況的變化而頻繁啟停。頻繁啟停會對內燃機各個系統產生比較大的影響，比如冷卻系統。散熱器是冷卻系統的重要組成部分，在內燃機頻繁啟停的狀態下，散熱器的性能表現和傳統內燃機車有很大的差異。而當前國內混合動力車開發經驗相對欠缺，并沒有針對混動車的特點來設計相應的零件。因此一些在傳統內燃機車上完全滿足使用要求的零件，在混動車上往往會出現一些問題。某主機廠已經上市的混合動力車型就出現了多例發動機散熱器冷卻液泄漏的問題，而同款散熱器在傳統內燃機車上就沒有類似問題出現。

作者利用試驗的方法，對發動機散熱器在混合動力狀態下的性能進行研究，明確造成散熱器在客戶實際使用過程中產生失效的原因，并針對該失效模式，制定臺架試驗規范，以在產品開發過程中對該問題進行考核，防止類似的問題繼續流入市場。

1 混合動力車散熱器運行工況特點

如前文所述，發動機在混動車上的工作模式與傳動內燃機車有很大差別，最主要的差別之一就是發動機在混動車上會頻繁地啟停。這種差異對散熱器的影響是很大的，如圖1所示。傳統的內燃機車在正常行駛時，發動機持續工作，待水溫穩定之后冷卻系統大循環開啟，散熱器的溫度分布也趨于穩定。而混合動力車在行駛時，會由于負荷的變化，使得發動機時而工作時而停機。當發動機停機時，由于冷卻系統循環停止，散熱器處的水溫就會因為風扇和迎面風的作用而下降，等下次發動機啟動時，發動機內部的高溫冷卻液會立刻沖入散熱器，從而使得散熱器水溫立刻升高。長此以往，隨著發動機頻繁的啟停，混動車散熱器就會承受反復的冷熱沖擊。

圖1 混動車與傳統內燃機車散熱器工作狀態的差異

在我國某些特定的地區，混合動力車由于享有國家政策上的補貼，以及本身能源消耗成本方面的優勢，往往會有一些特殊的用途。對市場上發生散熱器冷卻液泄漏的客戶進行走訪，發現他們有一些共性的特點：首先，所有的問題車輛都集中在一個城市里；其次，這些問題車輛都具有“車齡短而里程長”的特點，即車輛使用時間都比較短，從購買到進站維修的時間多為3～6個月，但里程卻達到了(2～4)×104km。進一步調查可以發現，這些問題車輛主要從事運營行業，也就是我們俗稱的“專車”。對專車用戶和普通用戶的行駛數據進行統計學分析，如表1所示，專車用戶的日均行駛時間和里程都遠大于普通用戶，發動機啟停次數更是遠多于普通客戶。

表1 普通用戶與專車用戶的行駛特點對比

因此作者推斷導致市場上出現該問題的根本原因為溫度沖擊。為了驗證這一推論，利用整車轉鼓試驗臺專門模擬整車環境下散熱器溫度頻繁沖擊的工況。將試驗車置于轉轂試驗臺上，對散熱器水溫進行監控。試驗開始時，啟動發動機并讓車輛在轉轂上開始行駛，使冷卻水溫度升高，在散熱器水溫達到95 ℃以上時，發動機停機，同時啟動轉轂的迎面風對散熱器進行冷卻，當散熱器溫度降至20 ℃以下時，迎面風停止，發動機再次啟動升溫。轉轂試驗流程如圖2所示。在轉轂上“行駛”了20 000多公里，散熱器承受了10 000次左右的20～95 ℃的溫度沖擊之后，散熱器也出現了與客戶失效模式一樣的泄漏問題。所以頻繁且劇烈的溫度沖擊是導致混動車散熱器在市場上出現泄漏失效的根本原因。

圖2 整車耐久轉轂試驗流程圖

2 整車路譜采集試驗方案制定與實施

客戶數據雖然樣本數多，但僅能反映出車輛的行駛狀況，而能夠表征散熱器性能的數據幾乎沒有。因此，為了深入研究發動機散熱器在混合動力車日常行駛時的性能，需要在散熱器上布置足夠多的傳感器，并且進行整車路譜采集試驗。

選擇某主機廠新款混合動力車作為試驗平臺，該車搭載1.5 T汽油機。該車的發動機散熱器扁管有49根，在散熱器底部、中部、上部等不同區域共選擇8根扁管，在所選扁管的進水側、出水側的迎風面和背風面各分別布置應變片和熱電偶，即總共布置32處應變測點和32處溫度測點。

圖3 散熱器扁管上的溫度和應變測點

除了散熱器各扁管上的溫度和應變數據，和整車行駛過程相關的數據包括車速、發動機轉速等也需要記錄下來。除此之外，還要記錄經緯度、環境溫度等數據。

客戶行駛車速分布圖如圖4所示。

圖4 客戶行駛車速分布圖

由于散熱器失效問題是發生在一些特定的客戶身上，因此路譜采集試驗方案就要針對這些特定客戶進行制定。問題車輛的客戶行駛軌跡主要集中在城區及周邊，路面狀況比較良好，因此無需考慮路面激勵對散熱器損傷的貢獻。散熱器的運行狀態與發動機負荷密切相關，而在城市工況下，能夠表征負荷的主要是車速。從出現散熱器失效的客戶中隨機選取了多位客戶的數據進行分析，將客戶車速分成11個區段(5 km/h以內，5～15 km/h，......，85～95 km/h，95 km/h以上)進行統計，以中位數作為客戶行駛車速的參考指標，同時以90%置信區間確定估計誤差的上下限，由此作為公共道路試驗的車速分布目標，如圖4所示。

公共道路數據采集試驗將以此為目標開展，選擇不同時間段、不同的司機、行駛不同的路面進行試驗，以達到充分隨機的試驗原則。最終試驗里程達到了1 100 km。

3 試驗數據分析

3.1 路譜數據里程系數優化

由于公共道路數據采集試驗的進行是充分隨機的，車速分布必定與客戶的目標車速有所差別，但一定要使試驗車速分布與目標一致才能達到模擬客戶使用情況的目的。為了符合客戶的車速分布目標，必須對各組試驗數據的權重進行調整。

首先將1 100 km數據按10 km每段進行等里程劃分，得到110個數據組。然后和第2節的描述一樣，將車速分成11個區段進行分析。各區段車速百分比記為ai,j，其中i表示第i組數據(i=1, 2,......,n)，j表示第j個車速區段(j=1, 2, ......,m)，如表2所示。

表2 路譜數據各速度區段百分比

各組數據的各區段車速百分比可記錄在矩陣A中，稱之為車速百分比矩陣：

(1)

圖4中目標車速的上限和下限分別記為BU和BL：

(2)

(3)

各組試驗的權重可稱之為里程系數，記為xi:

(4)

這樣，里程系數的優化可描述成一個線性規劃問題：

(5)

Const:

A·X≤BU

A·X≥BL

xi≥0

其中：qi>0為隨機數。文中n=110，m=11，經過優化，試驗數據的車速分布如圖5所示。

圖5 優化后的路譜與客戶車速分布對比

3.2 溫度沖擊次數統計

里程系數優化后的路譜數據可以代表用戶的實際使用情況。對散熱器各扁管的溫度變化時間歷程進行分析，如圖6所示，用雨流計數法統計散熱器各個扁管承受的不同范圍的溫度沖擊次數，可獲得各個扁管溫度沖擊次數的雨流矩陣，如圖7所示。

圖6 不同散熱器扁管的溫度時間歷程

圖7 散熱器扁管溫度沖擊次數雨流矩陣

整理所有扁管的溫度沖擊次數，可以發現進水側的溫度沖擊次數明顯多于排水側。而且進水側上部扁管所承受的溫度沖擊也要高于進水側下部扁管，如圖8所示。而客戶車輛散熱器失效的位置也多集中在進水側上部扁管，而且是進水側最上面一個扁管發生失效的頻率最高。溫度沖擊次數的統計證明了溫度沖擊即是客戶車輛散熱器失效的主要原因。

圖8 散熱器各扁管溫度沖擊次數

3.3 應變熱輸出修正

溫度沖擊是導致散熱器失效的原因，但表征疲勞損傷程度的直接指標還是要依據應變來計算。文中所采集的散熱器扁管應變主要是由于溫度變化所導致的，即熱應變。被測零件處于溫度變化的環境中時，零件也會產生變形，這種變形如果受到約束，就會在零件內部產生內力抵抗這種變形，這種內力稱之為熱應力，導致這種內力的變形稱之為熱應變。

但應變片本身的屬性，比如電阻和應變系數等關鍵參數，也會受到溫度變化的影響。在沒有外部激勵的情況下，由于溫度變化導致應變片產生了應變輸出信號，這種輸出信號稱之為應變片的“熱輸出”。熱輸出不等于熱應變。εI為應變片的實際讀數，εT/O為應變片的熱輸出，實際熱應變εT應該由下式計算：

εT=εI-εT/O

(6)

為了獲得真正的熱應變εT，在進行分析之前，需要把應變片熱輸出剔除，即對應變片的熱輸出進行修正。

圖9 應變片熱輸出特性

每個應變片都會有對應的熱輸出曲線，如圖9所示，一般熱輸出應變會被擬合成一個5階多項式：

εT/O=a0+a1·T+a2·T2+a3·T3+a4·T4+a5·T5

(7)

其中：ai(i=0,1,......,5)為常數。對所采集的應變進行熱輸出修正，如圖10所示。按修正后的應變數據所計算的損傷相比修正前的數據會發生變化，以進水側第49根扁管為例，經過修正后，偽損傷減小了3.2%。后續的分析應以消除熱輸出影響的應變值來進行計算。

圖10 應變片的熱輸出修正

3.4 散熱器偽損傷統計

對各扁管進行偽損傷分析，選擇斜率k=3.5的SN曲線，再進行對比。如圖11所示：進水側最上面一根扁管，即第49根扁管的損傷最大，這和客戶車輛的失效位置一致。

圖11 散熱器各扁管偽損傷對比

整個散熱器最薄弱的位置就是第49根扁管，將所采集的1 100 km路譜數據按照第3.1節優化的里程系數重新整合，然后再外推至16×104km，如圖12和圖13所示，形成散熱器在客戶使用條件下的溫度沖擊壽命目標。

圖12 累積循環數外推結果

圖13 偽損傷外推結果

4 散熱器冷熱沖擊臺架試驗方案的制定

經文中的研究，已經可以確定劇烈且頻繁的溫度沖擊是導致混動車發動機散熱器出現泄漏失效的主要原因。為了杜絕該問題在后續產品上繼續出現，需要在產品開發早期就對該問題進行驗證。從成本的角度考慮，臺架試驗相對于整車試驗的優勢是很明顯的，因此制定一個合理的臺架試驗規范十分有必要。

臺架試驗應能夠模擬散熱器在整車上的使用情況，即冷熱溫度交替沖擊，且能夠對整車工況進行加強。具體的試驗臺架參數因涉及企業機密，文中不進行闡述。對臺架試驗進行數據采集，散熱器扁管處的溫度變化如圖14所示。

圖14 臺架試驗中散熱器扁管溫度和應變時間歷程

臺架試驗以第3.4節確立的等效整車使用16×104km的損傷為目標?；趽p傷等效的原則，可確定在如圖14所示的臺架試驗條件下，試驗目標循環數為3 100次，如圖15所示。

圖15 臺架試驗循環次數確定

臺架試驗結果需要進行可靠性的評估?？煽啃訰、置信水平C和試驗樣本數n之間的關系可由下式確定:

Rn≤1-C

(8)

如果要求達到R90C90(可靠度90%，置信水平90%)的可靠性要求，則至少要做22個樣本的試驗。

如果要將樣本數量縮減為n′=6個，假設試驗結果服從Weibull分布，則可靠度可表達為

R=e-(t/θ)/β

(9)

其中：β為形狀參數；θ為尺度參數；t為試驗目標循環數，此例中t=3 100。置信水平為C時，在t時刻的可靠度為

R=(1-C)1/n=e-(t/θ)/β

(10)

在t′時刻的可靠度為

R′=(1-C)1/n′=e-(t′/θ)/β

(11)

在保證可靠度不變的前提下，即R=R′

(12)

假設β=4，則試驗樣本數只有6個時，每個樣本應達到的循環數應為4 300次。

5 散熱器結構優化與認證

根據散熱器的開發經驗，列舉出5個影響散熱器冷熱沖擊疲勞性能的主要控制因子，分別是主板材料、局部扁管加強片、扁管厚度、散熱翅片厚度、邊板應力釋放槽等。每個因子選定兩個水平，如表3所示。

表3 散熱器熱疲勞能力控制因子及設計值

基于上述控制因子及水平進行DOE(Design of Experiment)，用部分因子實驗設計方法，制定了DOE試驗方案，利用前面所建立的散熱器溫度沖擊臺架試驗方法進行試驗，共計進行了8組試驗，記錄每組試驗中散熱器所承受的冷熱沖擊次數，結果如表4所示。試驗結果如表5所示。試驗結果表明：因子B和因子E對散熱器冷熱沖擊疲勞性能的影響最大，即通過增加局部加強片結構，并在散熱器框架上增加應力釋放槽，從提高局部結構強度和釋放局部應力兩個角度，可以有效提高散熱器的冷熱沖擊疲勞性能。

最后進行試驗驗證。老狀態的散熱器(即市場上出現故障的散熱器)和新狀態的散熱器(即經過局部結構加強的散熱器)各6個樣本進行臺架試驗，試驗結果如圖16和圖17所示。試驗結果表明：新狀態的散熱器全部滿足4 300次的臺架試驗要求，而且可靠性可以達到99.965 5%(置信水平90%)，也滿足了散熱器的可靠性要求。

表4 散熱器熱疲勞性能部分因子DOE

表5 散熱器熱疲勞性能DOE結果匯總

圖16 散熱器臺架試驗累積失效圖

圖17 散熱器臺架試驗概率密度圖

經過質量提升之后，新狀態的散熱器更換至之前失效的客戶車輛上，并推廣至全市場。經過兩年多的跟蹤調研，沒有發現類似的散熱器泄漏問題再次出現，這說明新狀態的散熱器已經能夠承受客戶的使用強度，說明整個散熱器質量提升方案行之有效。

6 結論

利用新能源汽車的互聯網屬性采集了大量的客戶數據，通過分析客戶的使用習慣，發現了混動車散熱器出現失效的根本原因，并且利用路譜采集試驗的方法對散熱器性能進行研究，明確了混動車散熱器在客戶使用條件下的真實壽命目標，以此為依據建立了散熱器冷熱溫度沖擊臺架試驗規范對后續產品進行考核。有如下結論：

(1)由于發動機運行工況的特殊性，油電混合動力車的發動機散熱器和傳動內燃機車相比，其工作模式有很大的差異。

(2)頻繁且劇烈的冷、熱溫度沖擊是導致混動車散熱器在客戶使用過程中出現泄漏失效的主要原因。

(3)散熱器進水側各扁管承受的溫度沖擊次數要多于排水側各扁管。

(4)熱應力最大的位置是進水側最上面一根扁管，這與客戶車輛散熱器失效的位置一致?？赏ㄟ^局部結構加強的方法提高該位置的疲勞壽命。

(5)散熱器冷、熱溫度沖擊臺架試驗可在產品開發階段對該問題進行有效的驗證。通過該臺架試驗驗證的產品，在市場上不會再出現類似的散熱器泄漏問題。