【技術(shù)】新能源汽車電機(jī)熱管理

汽車行業(yè)大拿

2021年11月10日 09:45

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電機(jī)與控制器在電能與機(jī)械能的轉(zhuǎn)換過程中，部分電能會損耗成為熱能釋放。對于新能源汽車，驅(qū)動電機(jī)作為動力源，控制器提供能量轉(zhuǎn)換，缺一不可。兩者的熱管理系統(tǒng)則主要對其冷卻，使其能夠安全可靠運(yùn)行。

電機(jī)熱管理3個方法

電機(jī)及其電控?zé)峁芾淼闹饕蝿?wù)是分析電機(jī)內(nèi)部的產(chǎn)熱機(jī)理，設(shè)計冷卻系統(tǒng)對其進(jìn)行降溫，保證電機(jī)及電控系統(tǒng)處于合適的溫度范圍內(nèi)。目前電機(jī)冷卻系統(tǒng)主要有空冷、液冷及其他冷卻方式，液冷又分為水冷和油冷。

有研究者設(shè)計了一種新型的混合型電機(jī)冷卻系統(tǒng)，冷卻系統(tǒng)包括熱管、銅管水套、風(fēng)扇，風(fēng)扇可以加速帶走冷凝端的熱量，如下圖所示。這種被動式和主動式相結(jié)合的冷卻系統(tǒng)，可以設(shè)計有效的控制策略以優(yōu)化冷卻系統(tǒng)的能耗。對電機(jī)冷卻系統(tǒng)的熱特性進(jìn)行了試驗(yàn)和數(shù)值研究。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，對于250 VA的熱負(fù)荷，在保證運(yùn)行工況的前提下，采用混合冷卻策略可節(jié)省33%的功耗。

圖新型混合型電機(jī)冷卻系統(tǒng)（更正：圖中“電池”更正為“銅管水套”）

1、風(fēng)冷

采用風(fēng)冷的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、不需要設(shè)計獨(dú)立的冷卻零件、維護(hù)方便及成本低，缺點(diǎn)是冷卻效果較差。為保證足夠的散熱量需求，驅(qū)動電機(jī)與控制器需要增大與氣流的接觸面積，導(dǎo)致電機(jī)和控制器體積和成本的增加；驅(qū)動電機(jī)和控制器在車輛上使用時對應(yīng)的工況較為復(fù)雜，風(fēng)冷無法在各工況下保持所需的散熱量，故僅在熱負(fù)荷小的小型車驅(qū)動電機(jī)或輔助電機(jī)采用風(fēng)冷。

氣體冷卻方式的結(jié)構(gòu)簡單、制造成本低。KONDO M等對永磁同步電機(jī)設(shè)計了一個冷卻系統(tǒng)，在軸承四周布置了環(huán)形冷卻腔以隔絕電機(jī)內(nèi)部的熱空氣，在電機(jī)軸承的外側(cè)安裝了帶槽的小圓盤，通過風(fēng)扇實(shí)現(xiàn)強(qiáng)迫對流。結(jié)果表明，該結(jié)構(gòu)增強(qiáng)了電機(jī)的冷卻性能，且平均能耗也有所減少。

2、油冷

日系車型的電機(jī)則能夠采用ATF（自動變速器油）作為冷卻介質(zhì)，與冷卻液相比，油冷電機(jī)體積更小，前機(jī)艙布置較為緊湊。

3、水冷

液體具有更高的比熱，且可以根據(jù)需要主動調(diào)節(jié)系統(tǒng)溫度，故而液冷具有更好的穩(wěn)定性。對于新能源汽車的驅(qū)動電機(jī)和控制器等元件，采用液冷可以迅速帶走熱量，實(shí)現(xiàn)溫度的快速降低，提高電機(jī)和控制器的效率和壽命。現(xiàn)階段新能源汽車電機(jī)和控制器普遍使用液冷冷卻。

液體冷卻方式因其優(yōu)異的換熱性能，而廣受關(guān)注，主要研究熱點(diǎn)是電機(jī)外殼水套的結(jié)構(gòu)設(shè)計及水道的設(shè)計。田玉冬等對一臺額定功率為21 kW的電動車的永磁同步電機(jī)優(yōu)化設(shè)計了一種C型環(huán)槽水路結(jié)構(gòu)，并運(yùn)用有限元數(shù)值計算的方法，對電機(jī)水冷系統(tǒng)及電機(jī)內(nèi)部的三維溫度場進(jìn)行了計算分析。研究結(jié)果顯示，轉(zhuǎn)子區(qū)域內(nèi)溫度分布均勻，最高溫度集中于磁鋼中部；定子區(qū)域內(nèi)繞組端部的溫度高于中部溫度。丁杰等對電動車用高功率密度的永磁同步電機(jī)螺旋水路的進(jìn)出口水管布置方式進(jìn)行了分析。仿真計算表明，進(jìn)出水管切向于水路方式比進(jìn)出水管法向于水路方式的壓降損失要小，降低了10.7%。通過壓降、表面散熱系數(shù)與散熱面積的綜合分析，最終確定了最優(yōu)化的水路結(jié)構(gòu)設(shè)計方案。

電機(jī)熱管理控制策略

1、電子水泵控制

電子水泵根據(jù)電機(jī)系統(tǒng)各發(fā)熱零部件的冷卻需求對水泵轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)。電子水泵通常是PWM控制，其控制曲線如圖2所示。

圖2 電機(jī)電子水泵PWM曲線

前水泵滿足下述條件中任意一條即開始工作：

①前電機(jī)檢測溫度達(dá)到T3；

②前電機(jī)控制器檢測溫度達(dá)到T3；

③發(fā)電機(jī)檢測溫度達(dá)到T3；

④發(fā)電機(jī)控制器檢測溫度達(dá)到T3。

隨著上述零部件的工作溫度的上升，前水泵開度開始增大，直到前電機(jī)、前電機(jī)控制器、發(fā)電機(jī)、發(fā)電機(jī)控制器中任何一個零件溫度達(dá)到T4，后水泵開啟到100%（全開）；當(dāng)檢測到上述全部零部件最高溫度回落到T2時，前水泵開度開始逐步減小，直到全部零部件最高溫度達(dá)到T1，水泵停止工作。

后水泵滿足下述條件中任意一條即開始工作：

①后電機(jī)檢測溫度達(dá)到T3；

②后電機(jī)控制器檢測溫度達(dá)到T3；

③OBC檢測溫度達(dá)到T3；

④DC-DC檢測溫度達(dá)到T3。

隨著上述零部件的工作溫度的上升，后水泵開度開始增大，直到后電機(jī)、后電機(jī)控制器、OBC、DC/DC中任意一個零件溫度達(dá)到T4，后水泵開啟到100%（全開）；當(dāng)檢測到上述全部零部件最高溫度回落到T2時，后水泵開度開始逐步減小，直到全部零部件最高溫度達(dá)到T1，水泵停止工作。

2、電子三通閥控制

電子三通閥可以實(shí)現(xiàn)一進(jìn)兩出的功能。連接液路1是常開狀態(tài)，連接液路2是切換狀態(tài)。根據(jù)電機(jī)系統(tǒng)中各零部件工作情況不同，對其狀態(tài)進(jìn)行控制。控制策略如表1所示。

表1 電子三通閥控制條件