電驅動冷卻系統設計的案例
電驅動系統冷卻設計
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干貨丨電驅動系統冷卻設計
干貨丨電驅動系統冷卻設計
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800V電驅動系統詳細解析 800V電驅動系統設計技術詳解
本文想從Vitesco發布的800V電驅動技術---800V電橋系統應用帶來的系統效率提升開始，看看800V應用帶來的機會和挑戰。
前言
交通運輸行業的全球電氣化需要開發高效且具有成本效益的電氣化動力系統解決方案。牽引系統中 800 V 的應用實現了快速充電的優勢，并可以減少導體的橫截面積以降低重量和成本。
由于電池仍然是電驅動系統的最主要成本構成，因此以最高效的方式使用電池提供的能量是很重要的，從電能到機械能的轉換效率即電驅動系統效率就顯得及其重要。為了提高效率，必須減少功率損耗：①逆變器的功率損耗必須保持在較低水平，②同時必須降低電動機的諧波損耗。碳化硅 (SiC) 技術的應用，為 800 V 系統提供了實現這兩個目標的可能性。
眾所周知，SiC功率器件比硅Si更高效，因為輕載導通損耗和開關損耗都更低。SiC技術可實現更高的開關頻率，從而通過降低諧波損耗來提高電機的效率。SiC半導體材料特性、效率優化的模塊設計以及改進的控制技術相結合，組成了由逆變器 和電機組成的高效牽引系統。
展開 設計仿真 | Cradle CFD助力新能源汽車電驅動設備噴油冷卻散熱仿真
Cradle CFD強大的后處理功能，可以生成視覺上逼真的仿真圖形，輕松表達仿真數據結果，為用戶實現高級仿真處理并提供更好的設計建議。
圖1 Cradle CFD 進行汽車及飛行器外氣動模擬
新能源汽車電驅動系統是指利用電動機將電能轉化為機械能來驅動車輛運行的系統，是新能源汽車的核心部件。該系統的散熱對整車安全和高效運行有重要影響。數值模擬仿真技術將計算機虛擬計算代替實物實驗，不僅節約了實驗室占用，加工物料等成本，還能大大減少參數采集周期，具有成本低、周期快的特點。
圖2 電驅動系統
在對電驅動設備的噴油冷卻進行模擬仿真的過程中，數值模擬技術對計算機的“算力”有較高要求，數值計算要求CPU并行線程多，內存存儲大。
展開 第二十章：多學科仿真驅動電驅系統創新設計 | 達索系統百世慧
無論是純電驅動，還是混合動力的新能源汽車，電驅系統都是核心的動力部件。動力總成供應商和主機廠都在共同促進電驅系統的優化設計，在保證和提高動力輸出的基礎上，實現更高的節能減排效率。同時，隨著不斷加劇的市場競爭，要求供應商和主機廠都能夠以更快的速度開發出新的產品。在這樣的背景下，仿真作為提高研發效率的催化劑，在各大企業都有非常廣泛和深入的應用。電驅系統的仿真涉及多個學科，包括結構、電磁、流體、噪聲等，而且很多工況都涉及多個物理場的耦合，具有很大的復雜性和挑戰性。為了更快速得到更準確的仿真結果，企業需要建立和不斷加強研發階段多物理場聯合仿真的能力，并能夠高效地基于多物理場仿真進行產品設計的優化。
達索系統SIMULIA提供完整的多學科仿真軟件和平臺體系。目前已涵蓋結構、疲勞、流體、電磁、聲學等多個學科，并通過設計仿真平臺將各個仿真工具無縫集成于研發體系。能夠實現針對電驅系統的高效率仿真和多學科優化，從而為產品創新設計提供助力。
本次講座將介紹達索系統SIMULIA針對電驅系統多學科優化驅動創新設計的方案和案例。
會議信息：
2022年8月5日 14:00 -15:00
會議講師：
主講人：姚永漢-達索系統SIMULIA汽車行業技術顧問；畢業于上海大學/上海市應用數學和力學研究所，工程力學碩士，主要負責汽車行業結構分析以及結構優化的技術支持
會議鏈接：
https://3ds.tbh5.com/SIMULIA/EventDetail.aspx?eid=673&f=bestway
產品咨詢
Simulia網站：https://vsystemes.com/
展開 電動汽車用三合一電驅動系統設計與驗證
圖3 電機控制器結構示意圖
1.3 電機定、轉子結構設計
為滿足技術指標的要求，定、轉子結構需要經過反復的設計、仿真分析與校核。最終經過計算分析確定鐵心規格：外徑180 mm，長度125 mm。電機機殼采用低壓鑄造成型，機殼內部自帶螺旋式冷卻水道。驅動電機定、轉子結構如圖4所示。
圖4 驅動電機定、轉子結構示意圖
2 冷卻系統設計
不同于分體式電驅動系統，三合一電驅動系統集成度更高，熱量集中，系統的冷卻設計是三合一產品開發過程中的關鍵一環。本文的三合一電驅動系統冷卻水道結構如圖5(a)所示，電機機殼設計有螺旋結構水道，這種結構可以降低流阻，增強對繞組的冷卻效果。電控冷卻水道出口與電機冷卻水道入口集成設計;控制器水道結構如圖5(b)所示，水道內設計云朵狀翅片結構以增大該部分的散熱面積，加強對IGBT的冷卻效果。工作時，冷卻液首先由整車冷卻系統進入電機控制器，對電機控制器進行冷卻散熱后再流入電機，對電機進行冷卻，最終冷卻液從電機出水口流出，完成對系統的冷卻散熱。
展開 電動汽車用三合一電驅動系統設計與驗證
本文基于一款新能源乘用車驅動系統高度集成化的開發需求，研發了一款三合一電驅動系統，闡述了該驅動系統的結構方案及電氣原理，介紹了系統冷卻方案，并針對系統的散熱性能進行熱仿真分析研究，最后制作樣機進行臺架測試，測試結果表明，本文設計的三合一電驅動系統具有良好的輸出性能。
1 結構設計與電氣原理
1.1 集成結構設計
如圖1所示，電機、控制器、減速器構成了三合一電驅動系統總成開發的關鍵技術。驅動電機的核心結構由定、轉子組件構成，關鍵材料包括鐵心材料、永磁體、電磁線、高速軸承和位置傳感器等；控制器的核心結構由半導體功率器件、直流支撐電容、集成電路芯片及軟件架構等構成；減/變速器關鍵技術主要包括齒輪及軸系、密封與潤滑、離合器、執行機構、駐車系統等。
圖1 三合一電驅動系統關鍵零部件
電驅動系統的技術指標：峰值功率55 kW，峰值轉矩150 N·m，最高轉速10 000 r/min。本文設計的三合一電驅動系統整體結構如圖2所示，驅動電機前端與減速器連接固定，電機控制器安裝于電機與減速器的上方，此方案集成度高，整體體積較小。同時，冷卻技術作為三合一電驅動系統開發的核心，本文將控制器冷卻液出口與電機冷卻液入口集成設計，實現了控制器散熱水道與電機冷卻水道的一體化設計，使得整個產品成本更低、散熱效果更好。
圖2 三合一電驅動系統結構示意圖
1.2 IGBT模塊選型
控制器結構如圖3所示，IGBT作為核心功率器件，其關鍵控制要素包括參數及可靠性要求、過流和短路保護、過電壓保護等。因此，IGBT選型要綜合考慮其自身的輸出效率、控制器運行峰值電壓及驅動電機最大反電動勢等條件。
展開 電動汽車用三合一電驅動系統設計與驗證
圖3 電機控制器結構示意圖
1.3 電機定、轉子結構設計
為滿足技術指標的要求，定、轉子結構需要經過反復的設計、仿真分析與校核。最終經過計算分析確定鐵心規格：外徑180 mm，長度125 mm。電機機殼采用低壓鑄造成型，機殼內部自帶螺旋式冷卻水道。驅動電機定、轉子結構如圖4所示。
圖4 驅動電機定、轉子結構示意圖
2 冷卻系統設計
不同于分體式電驅動系統，三合一電驅動系統集成度更高，熱量集中，系統的冷卻設計是三合一產品開發過程中的關鍵一環。本文的三合一電驅動系統冷卻水道結構如圖5(a)所示，電機機殼設計有螺旋結構水道，這種結構可以降低流阻，增強對繞組的冷卻效果。電控冷卻水道出口與電機冷卻水道入口集成設計;控制器水道結構如圖5(b)所示，水道內設計云朵狀翅片結構以增大該部分的散熱面積，加強對IGBT的冷卻效果。工作時，冷卻液首先由整車冷卻系統進入電機控制器，對電機控制器進行冷卻散熱后再流入電機，對電機進行冷卻，最終冷卻液從電機出水口流出，完成對系統的冷卻散熱。
展開 電動汽車電驅動系統動力性匹配設計
驅動電機性能參數設計成為滿足整車動力性能首要考慮的問題，而所有驅動電機的這些性能參數都取決于電驅動電機轉速-轉矩 （功率）特性。本文以某款純電動物流車進行研究，對其驅動系統匹配選型與驗證。
電動汽車用三合一電驅動系統設計與驗證
圖3 電機控制器結構示意圖
1.3 電機定、轉子結構設計
為滿足技術指標的要求，定、轉子結構需要經過反復的設計、仿真分析與校核。最終經過計算分析確定鐵心規格：外徑180 mm，長度125 mm。電機機殼采用低壓鑄造成型，機殼內部自帶螺旋式冷卻水道。驅動電機定、轉子結構如圖4所示。
圖4 驅動電機定、轉子結構示意圖
2 冷卻系統設計
不同于分體式電驅動系統，三合一電驅動系統集成度更高，熱量集中，系統的冷卻設計是三合一產品開發過程中的關鍵一環。本文的三合一電驅動系統冷卻水道結構如圖5(a)所示，電機機殼設計有螺旋結構水道，這種結構可以降低流阻，增強對繞組的冷卻效果。電控冷卻水道出口與電機冷卻水道入口集成設計;控制器水道結構如圖5(b)所示，水道內設計云朵狀翅片結構以增大該部分的散熱面積，加強對IGBT的冷卻效果。工作時，冷卻液首先由整車冷卻系統進入電機控制器，對電機控制器進行冷卻散熱后再流入電機，對電機進行冷卻，最終冷卻液從電機出水口流出，完成對系統的冷卻散熱。
展開 技術丨純電動重型電驅動系統匹配設計
本文以車輛主要性能參數的要求為基本依據，研究純電動重型卡車的結構型式，動力電池、驅動電機和減速機構的選型和匹配方法，以為純電動重型卡車的方案設計提供支撐。
2 純電動重型卡車結構和動力性指標
純電動汽車采用動力蓄電池作為動力源，電動機作為驅動裝置，并配有減速機構，其結構型式可根據驅動電機的布置方案分為集中式驅動或分布式驅動兩種。集中式驅動主要是將內燃機替換為動力電池和一臺驅動電機，并進一步將傳統車輛的減速器、差速器與驅動電機進行集成化設計，而形成集中式車橋式驅動系統方案；分布式驅動采用驅動電機直接驅動車輪，驅動輪之間也沒有差速器，簡化了車輛結構但提高了控制系統的復雜程度。
為簡化車輛結構，提高空間利用率，某四軸純電動重型卡車采用分布式輪轂電機驅動式結構，整車主要結構參數如表1所示。
車輛的機動性指標要求為：最大車速vmax為120 km/h；最大爬坡度為30°；0～30 km/h加速時間t為5 s；以70 km/h在城市道路上行駛的續航里程s不小于100 km。
表1 整車主要結構參數
3 純電動重型卡車驅動力與行駛阻力
汽車性能通常根據汽車牽引力與車速之間的關系得出，通常假設其最大牽引力受制于動力裝置的最大轉矩，而不受制于路面的附著力。車輛最大車速取決于牽引力與阻力之間的關系，或者最大轉速與傳動比之間的平衡。設動力傳動系統輸出總轉矩為Tt，總驅動力為Ft，總驅動功率為pt，等效車輪轉速為nt、半徑為rd。
輸出總轉矩可表示為：
汽車車速可表示為：
重型電動卡車行駛阻力包括滾動阻力Ff、空氣阻力 Fw，坡度阻力 Fi和加速阻力 Fj。
式中，α-汽車爬坡度，ρ-空氣密度，C-車身空氣阻力系數，v-汽車行駛速度，δ-轉動慣量系數。
展開 汽車直播｜多學科仿真驅動電驅系統創新設計（免費）
無論是純電驅動，還是混合動力的新能源汽車，電驅系統都是核心的動力部件。動力總成供應商和主機廠都在共同促進電驅系統的優化設計，在保證和提高動力輸出的基礎上，實現更高的節能減排效率。同時，隨著不斷加劇的市場競爭，要求供應商和主機廠都能夠以更快的速度開發出新的產品。
在這樣的背景下，仿真作為提高研發效率的催化劑，在各大企業都有非常廣泛和深入的應用。電驅系統的仿真涉及多個學科，包括結構、電磁、流體、噪聲等，而且很多工況都涉及多個物理場的耦合，具有很大的復雜性和挑戰性。為了更快速得到更準確的仿真結果，企業需要建立和不斷加強研發階段多物理場聯合仿真的能力，并能夠高效地基于多物理場仿真進行產品設計的優化。
直播內容
達索系統SIMULIA提供完整的多學科仿真軟件和平臺體系。目前已涵蓋結構、疲勞、流體、電磁、聲學等多個學科，并通過設計仿真平臺將各個仿真工具無縫集成于研發體系。能夠實現針對電驅系統的高效率仿真和多學科優化，從而為產品創新設計提供助力。
本次講座將介紹達索系統SIMULIA針對電驅系統多學科優化驅動創新設計的方案和案例。
直播時間
2022年8月5日 14:00-15:00
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展開 Cradle CFD助力新能源汽車電驅動設備噴油冷卻散熱仿真
Cradle CFD強大的后處理功能，可以生成視覺上逼真的仿真圖形，輕松表達仿真數據結果，為用戶實現高級仿真處理并提供更好的設計建議。
圖1 Cradle CFD 進行汽車及飛行器外氣動模
擬
新能源汽車電驅動系統是指利用電動機將電能轉化為機械能來驅動車輛運行的系統，是新能源汽車的核心部件。該系統的散熱對整車安全和高效運行有重要影響。數值模擬仿真技術將計算機虛擬計算代替實物實驗，不僅節約了實驗室占用，加工物料等成本，還能大大減少參數采集周期，具有成本低、周期快的特點。
圖2 電驅動系統
在對電驅動設備的噴油冷卻進行模擬仿真的過程中，數值模擬技術對計算機的“算力”有較高要求，數值計算要求CPU并行線程多，內存存儲大。惠普Z8 G4 臺式工作站完全符合使用需求，其搭載了2顆10核心20線程高并行CPU，共計20核心，40線程，CPU浮點計算速度為2.4GHz，同時擁有4塊32GB，共計128GB的高速存儲內存，高配置專為企業級數值計算而生。
圖3 惠普Z8 G4臺式工作站
表1 惠普Z8 G4臺式工作站硬件配置信息
模擬過程采用14核心并行劃分網格，網格類型為非結構化全六面體，網格數量有3180萬，網格劃分時間為3759秒。“網格”是將連續的體切割成離散塊的過程，離散塊（網格）越多，計算機中的虛擬替代物與現實中的實物越接近。圖4為實物與虛擬離散塊的關系示意圖。
圖4 實物切割成虛擬離散塊的過程
圖5和圖6為電驅動模塊的虛擬離散塊（網格）分布。
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