水冷結構的案例
淺析IGBT模塊水冷結構對控制器結構設計的影響
平面封裝間接水冷IGBT模塊
對于平板封裝的引線鍵合、平面封裝的IGBT模塊，我們需要設計專門的冷卻水道，模塊與冷卻水道分別處于殼體的內外腔體，依靠鋁殼體的傳導進行散熱。IGBT模塊平面與殼體之間需要涂抹導熱硅脂，用來降低傳導熱阻。水道設計既要保證水路通順，降低水阻，同時也希望水流相互攪拌，呈現(xiàn)一種湍流的狀態(tài)，使得水路中的水流換熱均勻，能盡可能帶走更多的熱量，提高換熱效率。Pin-Fin結構就是湍流換熱的典型代表結構。
新能源汽車電控系統(tǒng)及散熱技術簡述（下）
IGBT封裝模塊，使用該結構消除功率模塊與針腳水冷基板間的導熱硅脂或其他填充材料。
新能源汽車電控系統(tǒng)及散熱技術簡述（下）
IGBT封裝模塊，使用該結構消除功率模塊與針腳水冷基板間的導熱硅脂或其他填充材料。
新能源汽車用軸向磁通電機設計與分析
電機結構尺寸可以通過式(1)計算得到。
2.3 電機主要材料選型
不同永磁材料在電機內部產生不同勵磁磁場，進而影響電機輸出性能。常見永磁電機永磁材料選擇為釹鐵硼和釤鈷，釤鈷磁性能較釹鐵硼低。
考慮到該軸向磁通永磁電機定子采用水冷結構，溫度可以得到控制，因此永磁體可以選擇磁性能更好的釹鐵硼永磁材料。
2.4 永磁體結構設計
永磁體的形狀不但影響電機的輸出轉矩和齒槽轉矩等性能參數(shù)，同時還影響電機的成本、工藝等因素。軸向磁通永磁電機相對徑向式永磁電機而言，永磁體的加工相對容易，且常常改變磁極的參數(shù)來提高電機的性能。
根據(jù)永磁體結構的不同，軸向磁通電機可以分為：不等比例扇形結構、矩形結構、等比例扇形結構、圓形結構、Halbach永磁體排列結構、其它特殊的形狀例如直角梯形。具體結構如圖3所示 。
圖3 不同形狀的永磁體
永磁體的結構，在一定程度上決定了電機的性能。文獻[10-14]中分析了不同形狀的永磁體對齒槽轉矩產生的影響，并進行了分析對比。文獻[15]給出了前3種形狀的永磁體，對軸向磁通電機氣隙磁密的影響，從工藝上介紹了不同形狀的永磁體加工的難易。
永磁體結構力求簡單，容易制造與裝配，達到電機性能的同時利用率要高，考慮到本次設計電機效率、噪音要求較高，為了減小漏磁產生損耗以及盡量低的齒槽轉矩和轉矩波動，采用扇形雙向斜極的永磁電機結構，這樣也便于電機結構參數(shù)優(yōu)化，提高電機輸出性能。
2.5 永磁體厚度選擇
永磁體磁化方向長度依據(jù)電機磁動勢平衡關系預估初值，然后在Ansys/RMxprt中進行具體電磁計算校驗；使得電機空載工作點滿足式(2)要求。
Bg=(0.6～0.8)Br (2)
式中，Br為永磁體剩磁密度。
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功率模塊雙面散熱介紹
3）Viper雙面水冷散熱：
封裝結構：
l 芯片：每個模塊只包含一組功率元件，包括一片IGBT和一片續(xù)流二極管，相當于一合一封裝。
l 電氣連接：為實現(xiàn)平面封裝，芯片兩側都采用常規(guī)的錫焊連接，包括柵極連接，沒有使用任何的綁定線，因此對模塊整體的可靠性有較大提升。
l 陶瓷基板：德爾福使用了相對少見的鋁基氮化鋁陶瓷基板。上層基板三層厚度為外層鋁 200微米，中間氮化鋁700微米，內層鋁350微米；下層基板三層厚度為外層鋁 200微米，中間氮化鋁700微米，內層鋁270微米。
l 填充料：鋁基氮化鋁陶瓷基板之間的空隙通過轉印模具注塑密封成型。
l 導熱硅脂：因為這款模塊為間接水冷，因此需要模塊兩側和散熱器之間使用導熱硅脂來減少界面熱阻。
4）雙面水冷散熱結構：
封裝結構：
l 芯片：包含兩組功率元件，每組包括一片IGBT和一片續(xù)流二極管，相當于二合一半橋封裝。兩組功率元件同向放置。
l 墊片：為了平衡IGBT和續(xù)流二極管的芯片高低差，IGBT和續(xù)流二極管上面各放有一片墊片。這個墊片在傳導電流的時候也為熱擴散提供了緩沖。
展開 如何看待奔馳EQC的電機冷卻液泄漏召回？
從結構上來看，這套電驅動系統(tǒng)采用電機減速器左右+逆變器上方的布置形式，減速器平行軸結構，電機與減速器共用殼體。在這里，電機軸與減速器輸入齒輪為一體式結構，三球軸承支撐，這樣的設計對電機后端蓋、電機殼體和減速器后殼體，連接部件的同軸度要求較高。
▲圖2. 奔馳EQC的動力系統(tǒng)
從冷卻來看，這里采用系統(tǒng)一體化冷卻的方式：
●
逆變器與電機采用直連式水管，O型圈密封;
●
電機定子、轉子軸都采用水冷，定子水套兩端O型圈密封，通過螺栓固定到機殼上，轉子軸水冷密封結構復雜(機械密封);
目前的主要問題，可能出在了轉子水冷技術上，這在電機冷卻技術屬于前沿的冷卻技術，從市場來看大部分電動機使用水去冷卻定子，或者采取油冷的辦法。
▲圖3. 奔馳后驅系統(tǒng)的爆炸圖和主要概覽
從這個意義上，我們可以看一下德國工程師在電驅動技術方面的考慮。奧迪的e-tron 系列，也是采用了轉子水冷的技術，主要的目的是在感應電機上面做高功率電機（效率比永磁同步要低一些），希望通過冷卻技術使電機能夠維持高連續(xù)功率輸出而無需降額（由這個要求綁定了高效的轉子冷卻解決方案）。
從德國的工程師看來，轉子冷卻技術的開發(fā)帶來了許多好處，包括峰值功率的增加和連續(xù)功率輸出的顯著增加。轉子內溫度的進一步降低提高了整個驅動系統(tǒng)的耐用性，工程師可以進一步優(yōu)化軸承間隙，因為軸承溫度較低而改善聲學效果。
▲圖4. 奧迪工程師對于轉子水冷的設計考量
Part 2 創(chuàng)新的代價
在目前的電動汽車企業(yè)的開發(fā)里面，驅動系統(tǒng)分解為電機設計、逆變器設計和整體的熱管理設計，都在車企的核心里面。主要的目的是通過電驅動系統(tǒng)的效率提升，能夠讓整車效能更高一些。
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電機結構尺寸可以通過式(1)計算得到。
2.3 電機主要材料選型
不同永磁材料在電機內部產生不同勵磁磁場，進而影響電機輸出性能。常見永磁電機永磁材料選擇為釹鐵硼和釤鈷，釤鈷磁性能較釹鐵硼低。
考慮到該軸向磁通永磁電機定子采用水冷結構，溫度可以得到控制，因此永磁體可以選擇磁性能更好的釹鐵硼永磁材料。
2.4 永磁體結構設計
永磁體的形狀不但影響電機的輸出轉矩和齒槽轉矩等性能參數(shù)，同時還影響電機的成本、工藝等因素。軸向磁通永磁電機相對徑向式永磁電機而言，永磁體的加工相對容易，且常常改變磁極的參數(shù)來提高電機的性能。
根據(jù)永磁體結構的不同，軸向磁通電機可以分為：不等比例扇形結構、矩形結構、等比例扇形結構、圓形結構、Halbach永磁體排列結構、其它特殊的形狀例如直角梯形。具體結構如圖3所示 。
圖3 不同形狀的永磁體
永磁體的結構，在一定程度上決定了電機的性能。文獻[10-14]中分析了不同形狀的永磁體對齒槽轉矩產生的影響，并進行了分析對比。
展開 變壓器冷卻系統(tǒng)最全講解
圖2 強迫油循環(huán)風冷式冷卻系統(tǒng)結構
3、強迫油循環(huán)風冷式
強迫油循環(huán)風冷式冷卻系統(tǒng)用于大容量變壓器。這種冷卻系統(tǒng)是在油浸風冷式的基礎上，在油箱主殼體與帶風扇的散熱器（也稱冷卻器）的連接管道上裝有潛油泵。油泵運轉時，強制油箱體內的油從上部吸入散熱器，再從變壓器的下部進入油箱體內，實現(xiàn)強迫油循環(huán)。冷卻的效果與油的循環(huán)速度有關。如圖2所示為大型變壓器使用的強迫油循環(huán)風冷式冷卻系統(tǒng)種的冷卻結構。
4、強迫油循環(huán)水冷
強迫油循環(huán)水冷卻系統(tǒng)由潛油泵、冷油器、油管道、冷卻水管道等組成。工作時，變壓器上部的油被油泵吸入后增壓，迫使油通過冷油器時，利用冷卻水冷卻油。因此，這種冷卻系統(tǒng)中，鐵芯和繞組的熱先傳給油，油中的熱再傳給冷卻水。這種冷卻方式效果很好，但變壓器的密封要求很高，而且冷卻過程中油壓必須高于冷卻水的壓力。如圖3所示強迫油循環(huán)水冷式冷卻系統(tǒng)結構。
展開 變壓器冷卻系統(tǒng)最全講解
如圖3所示強迫油循環(huán)水冷式冷卻系統(tǒng)結構。
圖3 強迫油循環(huán)水冷式冷卻系統(tǒng)結構
1－變壓器；2－潛油泵；3－冷油器；4－冷卻水管，5－油管道
【科普】你了解變壓器冷卻系統(tǒng)嗎？
如圖3所示強迫油循環(huán)水冷式冷卻系統(tǒng)結構。
圖3 強迫油循環(huán)水冷式冷卻系統(tǒng)結構
1－變壓器；2－潛油泵；3－冷油器；4－冷卻水管，5－油管道
來源：網(wǎng)絡
變壓器冷卻系統(tǒng)最全講解
圖2 強迫油循環(huán)風冷式冷卻系統(tǒng)結構
3、強迫油循環(huán)風冷式
強迫油循環(huán)風冷式冷卻系統(tǒng)用于大容量變壓器。這種冷卻系統(tǒng)是在油浸風冷式的基礎上，在油箱主殼體與帶風扇的散熱器（也稱冷卻器）的連接管道上裝有潛油泵。油泵運轉時，強制油箱體內的油從上部吸入散熱器，再從變壓器的下部進入油箱體內，實現(xiàn)強迫油循環(huán)。冷卻的效果與油的循環(huán)速度有關。如圖2所示為大型變壓器使用的強迫油循環(huán)風冷式冷卻系統(tǒng)種的冷卻結構。
4、強迫油循環(huán)水冷
強迫油循環(huán)水冷卻系統(tǒng)由潛油泵、冷油器、油管道、冷卻水管道等組成。工作時，變壓器上部的油被油泵吸入后增壓，迫使油通過冷油器時，利用冷卻水冷卻油。因此，這種冷卻系統(tǒng)中，鐵芯和繞組的熱先傳給油，油中的熱再傳給冷卻水。這種冷卻方式效果很好，但變壓器的密封要求很高，而且冷卻過程中油壓必須高于冷卻水的壓力。如圖3所示強迫油循環(huán)水冷式冷卻系統(tǒng)結構。
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變壓器冷卻系統(tǒng)最全講解
圖2 強迫油循環(huán)風冷式冷卻系統(tǒng)結構
3、強迫油循環(huán)風冷式
強迫油循環(huán)風冷式冷卻系統(tǒng)用于大容量變壓器。這種冷卻系統(tǒng)是在油浸風冷式的基礎上，在油箱主殼體與帶風扇的散熱器（也稱冷卻器）的連接管道上裝有潛油泵。油泵運轉時，強制油箱體內的油從上部吸入散熱器，再從變壓器的下部進入油箱體內，實現(xiàn)強迫油循環(huán)。冷卻的效果與油的循環(huán)速度有關。如圖2所示為大型變壓器使用的強迫油循環(huán)風冷式冷卻系統(tǒng)種的冷卻結構。
4、強迫油循環(huán)水冷
強迫油循環(huán)水冷卻系統(tǒng)由潛油泵、冷油器、油管道、冷卻水管道等組成。工作時，變壓器上部的油被油泵吸入后增壓，迫使油通過冷油器時，利用冷卻水冷卻油。因此，這種冷卻系統(tǒng)中，鐵芯和繞組的熱先傳給油，油中的熱再傳給冷卻水。這種冷卻方式效果很好，但變壓器的密封要求很高，而且冷卻過程中油壓必須高于冷卻水的壓力。如圖3所示強迫油循環(huán)水冷式冷卻系統(tǒng)結構。
圖3 強迫油循環(huán)水冷式冷卻系統(tǒng)結構
1－變壓器；2－潛油泵；3－冷油器；4－冷卻水管，5－油管道
來源：電廠技術交流與創(chuàng)新
Ξ
視頻號Vol.87
震撼！這，就是中國特高壓！
展開 電動機與變速器總成的熱管理分析
熱管理方案一(僅電動機定子水冷套的熱管理方案)
本節(jié)主要是在總成結構中電動機冷卻熱管理只采用電動機定子水冷的情況下，針對電動機各零部件的溫度場分析。電動機轉子的熱傳遞則主要是先通過轉子本身材質的熱傳導方式到轉子表面，然后通過定轉子之間氣隙空氣的熱對流傳熱傳輸?shù)蕉ㄗ硬考希缓笸ㄟ^定子本身的熱傳導和水冷套的熱對流方式，最終把熱量傳遞散熱出去。根據(jù)等效熱阻網(wǎng)絡模型的溫度場分布，需要計算出電動機定轉子及氣隙的材料熱性能參數(shù)、熱對流換熱系數(shù)等。圖4為電動機水冷套的結構示意圖。
圖4 電動機水冷散熱結構
針對電動機本體熱管理分析利用等效熱阻網(wǎng)絡法模型計算;首先需要查出電動機各個零部件的材料熱性能參數(shù)，其次需要計算出電動機零部件之間存在熱對流時的等效換熱系數(shù)等，例如定子水冷套與水的等效換熱系數(shù)和定轉子之間氣隙的等效散熱系數(shù)的計算等。通過流體力學仿真軟件進行仿真計算得出各熱傳導熱對流等需要的參數(shù)，最終把各參數(shù)帶入到等效熱阻網(wǎng)絡法的數(shù)學矩陣模型中，將很簡便的得出各零部件的溫度場變化情況。
通過電動機水冷套的熱管理輸入條件和水冷仿真的初始條件，對電動機結構的熱傳遞途徑分析，可得出等效模型中所需的熱性能參數(shù)，并利用仿真軟件可得出電動機中水冷模型和定轉子之間氣隙的等效換熱系數(shù)h。
而電動機定轉子之間的氣隙等效散熱系數(shù)計算稍加復雜，本文采用等效靜止空氣來計算其換熱系數(shù)。通過等效定轉子之間的氣隙模型，查詢材料物性參數(shù)如普蘭特數(shù)、熱導率、運動粘度和平均比熱容等參數(shù)，根據(jù)流體理論計算公式可得出該氣隙的雷諾數(shù)、努塞爾特數(shù)等參數(shù)，最終可得出等效氣體的換熱系數(shù)。
展開 深度解讀丨高功率密度集成電驅動技術
其定子通過水冷夾套冷卻，轉子采用內部水冷結構來冷卻。
雷諾正在其 Zoe EV 中使用繞線轉子同步電機 。除了非稀土之外，WRSM 還具有比 IM 更高的功率因數(shù)以及轉子磁場比 PMM 具有可調節(jié)性的優(yōu)勢。在文獻中，WRSM 已被證明可以達到與 PMM 一樣的功率密度。但是，由于轉子中的銅損，WRSM 的效率較低，需要轉子冷卻。此外，需要一個額外的轉換器來為轉子繞組供電，這增加了控制算法的復雜性。WRSM 的主要缺點是使用滑環(huán)和電刷觸點為轉子繞組供電。這是一個重要的可靠性問題，特別是對于高速運行。為了解決這些問題，文獻中提出了基于非接觸式旋轉變壓器的轉子勵磁系統(tǒng)。WRSM 可以很好地兼顧功率密度、效率和成本。
目前市場應用中永磁電機還是最流行的選擇，可最大限度地提高緊湊性和效率。PMM 目前用于最受歡迎的乘用電動汽車，如特斯拉 Model 3、豐田普銳斯、日產聆風、寶馬-i3 和雪佛蘭 Bolt。事實上，PMM 具有最高的功率密度和最佳的效率，因為轉子磁場的產生不涉及任何損耗。電動汽車牽引中使用的大多數(shù) PMM 是內部永磁 (IPM) 轉子，如圖 9 所示。IPM 轉子具有磁凸極，可產生額外的磁阻轉矩并進一步增加功率密度。大多數(shù)IPM牽引電機采用分布式繞組，如圖10（a）所示。使用分布式繞組的主要原因有兩個：1) 由于其磁動勢 (MMF) 的諧波含量低，有助于最大限度地減少定子鐵損和轉子損耗；2）充分利用磁阻轉矩。
PMM 的主要缺點是永磁體中使用的重稀土 (HRE) 材料的成本。鏑 (Dy) 和鋱 (Tb) 等重稀土材料的價格出現(xiàn)波動，并且對其供應的可靠性表示擔憂。
展開 經緯恒潤熱管理解決方案
根據(jù)電芯實際物理結構、各層材料屬性搭建電芯熱模型。電熱耦合模型可考慮電芯放電倍率、放電深度和溫度對產熱的影響。電芯等效電路模型有NTG等效電路、NTG分布式和NREL等效電路模型，不同的等效電路模型，對應不同的試驗方案。
基于熱電耦合模型，可快速完成各種駕駛循環(huán)工況和設計工況下整車電池包熱管理分析，指導電池包散熱方案設計。基于NREL半經驗壽命模型，對整車電池包各電芯健康狀態(tài)變化進行評估。根據(jù)熱失控過程的模擬，指導散熱方案和熱擴展抑制方案設計。
創(chuàng)建電機電控產熱模型，搭建完整的電機、電控熱流耦合分析模型，根據(jù)熱分析溫度場結果，進行散熱方案設計，如電機冷卻水套優(yōu)化、控制器水冷風冷散熱結構設計優(yōu)化等。
整車熱管理系統(tǒng)HIL測試
對熱管理系統(tǒng)模型進行實時化，以FMU的形式導入NI、Concurrent、Higale等仿真機，從而實現(xiàn)HIL層級的仿真測試。
應用&案例
經緯恒潤已幫助多家主機廠、零部件供應商，基于模型進行熱管理系統(tǒng)設計、選型優(yōu)化、多學科集成優(yōu)化以及零部件級散熱方案設計。
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