客３６ 第６期 车技术与研究 ＢＵＳ＆ＣｏＡＣＨ ＴＥＣＨＮｏＬ０ＧＹ ＡＮＤ ＲＥＳＥＡＲＣＨ 电机控制器用防水透气阀的计算及选型方法 高素欣，罗玉淋，言艳毛 （湖南中车时代电动汽车股份有限公司，湖南株洲４１２００７） 摘 要：基于电动汽车用电机控制器的使用环境，分析在电机控制器腔体内存在的冷凝现象和呼吸效应， 提出采用加载防水透气阀的措施来解决此问题，并论述防水透气阀的构成、计算及选型方法，供同行参考。 关键词：电动汽车；电机控制器；防水透气阀；呼吸效应 中图分类号：ＴＫ１２３ 文献标志码：Ｂ 文章编号：１００６—３３３１（２０１６）０６—００３６—０３ Ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ Ｍｅｔｈｏｄｓ ｏｆ Ｗａｔｅｒｐｒｏｏｆ Ｖｅｎｔｉｌａｔｅｄ Ｖａｌｖｅ Ｕｓｅｄ ｉｎ Ｍｏｔｏｒ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ Ｇａｏ Ｓｕｘｉｎ，Ｌｕｏ Ｙｕｌｉｎ，Ｙａｎ Ｙａｎｍａｏ （Ｈｕｎａｎ ＣＲＲＣ Ｔｉｍｅｓ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｖｅｈｉｃｌｅ Ｃｏ．，Ｌｔｄ，Ｚｈｕｚｈｏｕ ４１２００７，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ａｕｔｈｏｒｓ ａｎａｌｙｚｅ ｔｈｅ ｃｏｎｄｅｎｓａｔｉｏｎ ｐｈｅｎｏｍｅｎｏｎ ａｎｄ ｂｒｅａｔｈｉｎｇ ｅｆｆｅｃｔ ｉｎ ｔｈｅ ｍｏｔｏｒ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ ｃｈａｍｂｅｒ ｂｏｄｙ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｕｓｉｎｇ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ ｍｏｔｏｒ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ ｉｎ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｖｅｈｉｃｌｅｓ，ｐｒｅｓｅｎｔ ｔｈｅ ｓｏｌｕｔｉｏｎ ｍｅａｓｕｒｅｓ ｏｆ ａｄｄｉｎｇ ｗａｔｅｒｐｒｏｏｆ ｖｅｎｔｉｌａｔｅｄ ｖａｌｖｅ，ａｎｄ ｄｉｓｃｕｓｓ ｔｈｅ ｃｏｎｓｔｉｔｕｔｅ，ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄｓ ｏｆ ｔｈｅ ｗａｔｅｒｐｒｏｏｆ ｖｅｎｔｉｌａｔｅｄ ｖａｌｖｅ ｆｏｒ ｃｏｌｌｅａｇｕｅ ｒｅｆｅｒｒｉｎｇ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｖｅｈｉｃｌｅ；ｍｏｔｏｒ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ；ｗａｔｅｒｐｒｏｏｆ ｖｅｎｔｉｌａｔｅｄ ｖａｌｖｅ；ｒｅｓｐｉｒａｔｏｒｙ ｅｆｆｅｃｔ 随着电动汽车产品的不断成熟，产品安全性能也备 能导致机箱内部形成积水，从而腐蚀腔体内部的电子元 器件，降低控制器的使用寿命。以下以电机控制器Ａ为 示例具体计算分析腔体内冷凝现象及呼吸效应，从而看 出安装防水透气阀的重要性。 １．１ 电机控制器密封腔体内的冷凝现象 受关注。这就对电动汽车用电气产品的防护等级提出了 更高的要求，产品防尘防水等级应达到ＩＰ６７［”，在此基 础上需要进一步考虑产品因温度变化而引起内部压强 变化，从而造成凝露现象和呼吸效应，使电机控制器腔 体内积水，进而造成线路故障及零件锈蚀。为了有效解 决以上问题，提高电机控制器的可靠性，延长其使用寿 命，需要在电机控制器中引入防水透气阀。本文根据电 动汽车用电机控制器的使用环境，通过示例计算分析电 机控制器用防水透气阀的计算及选型方法［２３。 标准大气压下，密闭腔体内都有一定相对湿度的空 气，在温度降低的情况下有可能会出现冷凝现象。 空气中的含水量厂可采用 Ｆ 计算得到，式中： 为相对湿度，％；Ｆ为饱和水气密度，ｇ／ｍ ；Ｖ为气体体 积，ｍ。。 假设Ａ电机控制器内部空气体积为２１ Ｌ，组装时环 １ 电机控制器的冷凝现象及呼吸效应 基于ＧＢ／Ｔ １８４８８．１—２０１５￣动汽车用驱动电机系统》ｌ ３】 标准中的要求，并结合实际应用及试验，电机控制器 的使用环境：储存温度为一４０～８５ ｏＣ；工作环境温度 为一４０～６５℃；工作腔内最高温度为１００ｏＣ；存储湿度 ＜１００％（２５ ｏＣ）；工作海拔≤２ ０００ ｍ。当电机控制器成为 一境温度为２５℃，相对湿度为５０％，气压为１ ａｔｍ，分析其 降温至一４０℃时是否出现凝露现象。 查表 得，２５ ｃ（＝时，Ｆｌ＝２３ ｇ／ｍ ，则＝ ｌＦ Ｖ＝０．５× ． ２３×２１×１０ ：０．２４１ ５ ｇ。当降为一４０℃时，查表【 褥 ＝０．１７ ｇ／ｍ ，由表［６１查的露点为１４℃，故，在一４０℃为饱 ．和状态， ２＝１００％。贝Ｕ厂２＝咖２ Ｆ２Ｖ＝１×０．１７×２１× 个密封腔体后，由于凝露现象和呼吸效应的存在，可 １０－３＝０．００３ ６ ｇ；ａｆ＝ｆｌ＿厂２＝０．２４１ ５－０．００３ ６＝０．２３７ ９ ｇ。 作者简介：高素欣（１９８３一），女，工程师；主要从事电动汽车电机控制器结构设计工作。 第６期 高素欣，罗玉淋，言艳毛：电机控制器用防水透气阀的计算及选型方法 ０型密封圈 ３７ 计算表明，在一４０℃时，该密闭腔体内有０．２３７ ９ ｇ水凝 结出来，此电机控制器可能出现凝露现象。如果安装有 防水透气阀，在降温过程中气体可以通过其进行流通， 平衡了产品外壳内壁温度与腔内温度的差值，降低了在 外壳内壁凝露的可能性。 １．２呼吸效应 图１ 防水透气阀构成示意图 密闭腔体内气体压强因温度变化而变化，当温度升 高时，气体就会被排出；当温度降低时，气体就会被吸 入，这就是“呼吸效应”。 根据理想气体状态方程【７Ｊ：ＰＶ＝ｎＲ Ｔ 式中：Ｐ为气体压强，Ｐａ；Ｖ为气体的体积，ｍ ；ｎ为气体 物质的量。通常在标准状况下，１ ｔｏｏｌ气体占体积约为 ２２．４ Ｌ（６．０２×１０ 个气体微粒为１ ｍｏ１）； 为普适气体 常量，Ｒ＝８－３１４Ｐａ．ｍ。／ｍｏ１．Ｋ；Ｔ为气体的热力学温度，Ｋ。 当密闭腔体内的气体温度发生变化时，随之发生的 气压变化可采用下式计算：ＡＰ＝Ｐ２一Ｐ ＝ｎＲ（ 一Ｔ ）／Ｖ＝ ａＴｎＲ／Ｖ＝ａＴＰ ／Ｔ１（降温时ＡＰ＜０，升温时ＡＰ＞０）。 当电机控制器腔体内温度由２５℃升高到１００￣（２ 时，ＡＰ＝（７５×１．０１３×ｅ５）／（２７３＋２５）＝０．２５５×１０ Ｐａ＝ ０．２５５ ｂａｒ。电机控制器产品箱体的设计标准要求其应能 承受不低于０．１ ｂａｒ的压强，不发生明显塑性变形。假设 电机控制器产品箱体设计只满足标准最低要求，则需用 防水透气阀来平衡箱体内外压差，以防箱体承受压力过 大而产生塑性变形或龟裂。当电机控制器腔体内温度由 ２５℃降至Ｕ一４０℃时，△Ｐ＝（一６５×１．Ｏ１３×ｅ５）／（２７３＋２５） ：一０．２２１×１０ Ｐａ＝一０．２２１ ｂａｒ。 假如没有安装防水透气阀，当密闭腔体产生龟裂出 现细小孔隙时，温度变化引起的内外压差将促使气体在 孑Ｌ隙处流动而发生“呼吸效应”，最终达成密闭腔体内外 气压平衡［８－９］。“呼吸效应”不仅能吸人空气，还能吸入孔 隙附近的液体，造成腔体内积水现象，进而造成线路故 障及零件锈蚀，因此需要安装防水透气阀来满足防水透 气的需求。 ２防水透气阀的构成及计算选型 ２．１ 防水透气阀的构成 为防止在密封的电机控制器内部形成积水及将内 部的积水排出，其最有效的解决方法是在腔体上安装防 水透气阀。防水透气阀的构成见图１，其核心是防水透 气膜，见图２【砌。 图２防水透气膜原理示意图 防水透气膜是由膨体聚四氟乙烯（ＥＰＴＦＥ）薄膜和 聚丙烯面料、网格加强筋再经过高热熔而成，具有数亿 个独特的微孔结构，利用气体分子与液体及灰尘微粒的 体积大小数量级差，让气体分子通过，而液体与灰尘无 法通过，从而实现防水透气的目的。凭借透气薄膜极高 的透气量实现不断的内外气体交换，促使内外气压相 等，能够起到平衡密闭腔体内外压力的作用，能有效防 止有害气体积聚。如应用于电机控制器，当箱体内ＩＧＢＴ 发生爆炸时能快速释放气体，还能起到一定的安全作 用；可有效防止凝露和显示屏结雾现象；具有防水、防 油、防尘、防盐雾等功能。由于防水透气膜具有耐腐蚀 性、抗紫外线照射等特性，抗污染能力强，不需维护，因 此透气阀能长期在户外恶劣环境下工作。 防水透气阀的连接结构有多种型式。图１为螺纹型 连接结构，还有在图１的基础上自带螺帽结构及卡口式 的透气阀等，材质有ＰＣ、铝合金和不锈钢等，其结构简 单可靠，易安装。防水透气阀应安装在电机控制器的底 部或侧壁上，避免积水覆盖，且其周围空气流通顺畅。 ２－２防水透气阀的计算及选型 首先，根据环境温度变化梯度、极限工作温度和ＩＰ 防护等级要求选取。其次，考虑电机控制器需要在多长 时间内可以达到内外气压平衡，根据如下公式计算透气 量以选取相应规格的透气阀（透气量：在恒定温度和定 压差下，在气体稳定透过时，单位时间内透过试样的气 体体积，单位为ｍｌ／ｍｉｎ＠ａｔｍ）。 在上述示例中，电机控制器腔体内温度由２５￣Ｃ升 高到１００￣Ｃ时，透气阀向外放气，放气量：Ａ ＝（ ／Ｔ，一１） ３８ 客车技术与研究 ２０１６年１２月 ＝『（２７３＋１００）／（２７３＋２５）－１］×２１ ０００ ｍｌ＝５ ２８５ ｍｌ。 码）：ＧＢ ４２０８—２００８［Ｓ］．北京：中国标准出版社，２００８：３． 电机控制器腔体内温度由２５℃降到一４０￣Ｃ时，透 气阀向内吸气，吸气量：△ ＝一（ｒ，２／ＴＩ一１） ＝一ｆ（２７３—４０）／ （２７３＋２５）一１】×２１ ０００ ｍｌ＝４ ５８０ ｍｌ。 ［２］龚光福．呼吸效应研究【Ｊ］．雷达科学与技术，２００９，７（３）：２３６ －２３９． 【３］全国汽车标准化技术委员会．电动汽车用驱动电机系统：第 １部分技术条件：ＧＢ／Ｔ １８４８８．１—２０１５［￥］．北京：中国标准出 版社，２０１５：２． 考虑到电机控制器安装在电动汽车上运行的特殊 性，通常假定电机控制器内外压差为０．０７ ｂａｒ时，约在１ ｍｉｎ达到平衡，Ａ＝ＡＶ／ｔ＝５ ２８５ ｍｌ／ｍｉｎ左右。电机控制器 的防护等级为ＩＰ６７，在满足条件中选定某公司ＰＵＷ８５７ 系列的防水透气阀，其技术参数如下：透气量为４０００～ ６ ０００ ｍｌ／ｍｉｎ＠０．０７ｂａｒ，防水等级为ＩＰ６７，试验压力为 ０．０７ ｂａｒ ［４Ｊ成大先．机械设计手册．单行本：气压传动［Ｍ】．北京：化学工业 出版社，２０１１． ［５】许建照，赵莉，丰爱国．湿度、露点和干燥度［Ｊ】．电子机械工 程，２００９，２５（５）：２５—２７． ［６］豆丁网．相对湿度露点对照表［ＥＢ／ＯＬｉ．（２０１４—０９—０２）［２０１６— ０１—２２】ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｄｏｅｉｎ．ｃｏｍ／ｐ一９０７３４６５８０．ｈｔｍ１． 【７】张学学，李桂馥，史琳．热工基础［Ｍ］．北京：高等教育出版社， ２００６． ３结束语 根据以上分析计算，可见电机控制器产品上很有必 要安装防水透气阀。因电动汽车运行路况复杂多变，在考 虑上述因素的同时，选用防水透气阀时也要注意其耐振 ［８徐红．８］海用露天电子设备防凝露设计概述［Ｊ】．电子机械工程， ２００４，２０（３）：２４—２６． 【９】朱琳．防水透气阀在ＬＥＤ路灯设计中的应用［ＪＪ．湖南农机， ２０１３，４０（１）：５９—６０． 【１０】樊友军，陈刚，仙锦肪水透气阀在雷达密封腔体中的应用 ＩＪ】．电子机械工程，２０１２，２８（２）：１２—１４． 动性能、阻燃性能等是否满足车载产品相关标准要求。 参考文献： 【１］全国电气安全标准化技术委员会．外壳防护等级（ＩＰ代 修改稿日期：２０１６—０９—２０ （上接第２８页） ３ 结束语 采用改进设计的主电路及控制策略的双源无轨电 车电机驱动系统，能够有效解决传统双源无轨电车运行 ［４１谢铭刚，张奕黄．现场总线网络在纯电动汽车控制系统的应 用研究ｌＪＪ．自动化博览，２００４（５）：７８—８Ｏ． ［５刘可安，尚敬，５］刘良杰．北京双源无轨电车交流传动控制系 能耗较高，必须依赖专用设备进行电池充电的缺点，工 作稳定可靠，符合双源无轨电车发展的要求，目前已经 在北京、上海、杭州等多地新制双源无轨电车中批量应 用 统【Ｊ】＿机车电传动，２００９（５）ｔ１６—１９． ［６】蒋时军．双源式无轨电车储能系统设计［Ｊ】．大功率变流技术， ２０１１（３）：３４—３７． 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