技术干货 | 驱动电机冷却技术研究发展综述

电动汽车驱动电机作为电动汽车的核心部件,其温升问题直接影响着电动汽车的稳定性以及安全性,因此选择合适的热分析模型和冷却结构在电动汽车驱动电机的设计过程中有着非常重要的现实意义。针对电动汽车驱动电机冷却问题,以电动汽车驱动电机“热的来源-热的处理-实际应用”为主线,对近年来国内外电动汽车驱动电机的冷却设计发展现状进行了综述。对电动汽车驱动电机热源计算方法以及各类型损耗基本原理进行了简述。按照自然冷却、强迫风冷、液冷的分类方式阐述了不同种类电动汽车驱动电机冷却系统的国内外应用现状,并总结了近年来电动汽车驱动电机冷却结构的实际应用情况及其优缺点。这些工作为电动汽车驱动电机的研发提供了一定的参考。

关键词：电动汽车;冷却结构;热分析模型;液冷结构;风冷结构;自然冷却

在追求高效的今天,汽车已经成为人们日常生活中不可或缺的交通工具。国民燃油汽车持有量的迅速增长,在加速传统化石能源消耗的同时,也为国家实现双碳的目标带来了挑战。电动汽车因其效率高、污染低、噪声小等特点逐渐成为了众多学者以及汽车制造厂家的关注对象。

电动汽车的应用场景复杂多变,在正常行驶过程中,电动汽车驱动电机需要经常性的启停、加速、减速,在上坡时需要高转矩,而在高速行驶时需要低转矩,需要有较宽的变速范围。因此与普通工业电机相比,电动汽车驱动电机在负载要求、设计方案等方面有着更为特殊的需求,其相对于普通工业电机体积更小、最高转速更高、过载能力更强,同时所面对的运行工况更加复杂。电动汽车驱动电机在工作过程中,其内部器件会产生大量损耗,这些损耗会以热的形式体现,导致电机整体温度升高。电机温度过高会导致驱动电机绕组绝缘老化加快、定转子发生形变、寿命降低等不良后果,大大降低了驱动电机的可靠性和安全性。因此,基于温升预测求解的损耗计算和冷却结构在电动汽车驱动电机设计初期有着非常重要的现实意义。

本文以电动汽车驱动电机“热的来源-热的处理-实际应用”为主线,首先对电动汽车驱动电机温升的来源-损耗原理进行了简述,进而对近年来国内外电动汽车驱动电机冷却设计按照自然冷却、强迫风冷、液冷的分类方式对其研究现状进行了阐述,并提供了相应的实际案例,总结了近年来电动汽车驱动电机冷却结构的实际应用情况以及各类冷却方案的解析计算方法。

电动汽车驱动电机温升的热源就是电机内各部分所产生的损耗,每个部位的产热原理有所不同。目前主流的损耗计算方法大多是通过二维有限元法[1-2]以及三维有限元法[3-5],该方法就是将电机划分为有限元模型,将连续的求解域剖分成若干个单元,使其离散化,将每个单元的解通过连续函数进行近似描述。电机损耗主要包括电磁损耗和机械损耗,其中机械损耗主要包括通风损耗以及摩擦损耗,通常对于大型电机影响较大,然而要精准计算出这些损耗非常困难,因此在电动汽车驱动电机这类中小型电机温度场的研究中,一般不考虑机械损耗这个因素。电磁损耗由绕组铜耗、铁心损耗和永磁体涡流损耗组成。电磁场的损耗计算结果会以热载荷的形式输入到温度场有限元分析或以热源的形式输入到温度场热网络分析。因此,损耗的准确计算是对电动汽车驱动电机温升分析的必要前提[6-7]。

根据第一电动研究院数据,2021年1月新能源汽车配套驱动电机装机数量达17.39万台。按驱动电机种类来看,交流异步电机共配套8 200台。永磁同步电机共配套165 304台[4]。从数据可以看出,永磁同步电机逐渐成为了电动汽车乘用车种类中的发展主力,因此本节主要介绍永磁同步电机内各部分的损耗原理。

绕组铜耗在电动汽车驱动电机损耗中占比较大,为定子绕组中电流产生的电阻损耗,计算铜耗公式[8]为

(1)

式中:PCu为铜耗;m为电机相数;Iave为每相电流的有效值;R为定子交流相电阻。

绕组铜耗由欧姆损耗和涡流损耗两部分构成,其中涡流损耗受肌肤效应、内部临近效应以及外部交变磁场的影响[9]。对于欧姆损耗来说,由于电动汽车驱动电机在运行时温度不断变化,绕组的电阻值也在不断改变,绕组的欧姆损耗也随之改变[10]。因此想要得到更加精准的绕组铜耗,需要考虑温度效应。考虑温度效应的绕组电阻模型为

Rp=R0[1+α(T-T0)]。

(2)

式中:Rp为温度为T时的绕组电阻值;R0为温度为T0时绕组的阻值;α为电阻温度系数;T为电机环境温度;T0为起始温度。

铁心损耗主要是由电机旋转时铁心中变化的磁场产生的,其中包含磁滞损耗、涡流损耗和额外损耗[11],公式为

Pfe=Ph+Pc+Pe。

(3)

式中:Pfe为单位重量的铁心损耗;Ph为单位重量的磁滞损耗;Pc为单位重量的额外损耗;Pe为单位重量的涡流损耗。

目前大量的文献提出了许多不同的计算模型[12-15],其中被广为使用的Bertotti铁耗分离模型为

(4)

式中:PV为单位重量的总铁心损耗;Kh为磁滞系数;Kc为额外损耗系数;Ke为涡流损耗系数;f为磁通密度的交变频率;Bmax为磁密峰值。

对于永磁同步电机来说,相比于铁心损耗和绕组铜耗,永磁体的涡流损耗数值较小,在一些情况下可以忽略其对电机温升的影响。但是对于分数槽绕组结构的永磁电机来说,电枢反应磁动势的谐波磁动势较大,同时永磁体的电导率较高,电机运行旋转时,永磁体内感应产生涡流,产生损耗进而导致永磁体温度升高,温升过高时可能还会造成永磁体不可逆退磁的后果[16-18]。目前在计算永磁体涡流损耗时,为了方便计算通常假设每一块永磁体尺寸大小相等并且各相同性,电导率磁导率为定值,不受温度或磁场等因素影响。永磁体涡流损耗公式[19]为

(5)

式中:V为涡流损耗空间积分区域;σ为永磁体电导率;E为电场强度;Jw为涡流密度。

电动汽车驱动电机计算多数采用有限元计算来保证计算效率及精度。电机在正常运行中其损耗不仅受各类电磁参数的影响,同时也受复杂物理场耦合因素的影响,如电磁场、流场和机械场,场与场之间相互作用,会对最终得到的计算结果造成影响。近年来随着多物理场耦合研究的不断发展,物理场的分布越来越精确,参数的变化规律也更加清晰,电机损耗计算的精度也在不断提高[20-33]。

由式(2)可以发现电动汽车驱动电机绕组的温度升高会增加绕组阻值,进而增大了绕组铜耗。另外,过高的温升也会降低定子铁心、永磁体等磁性材料的性能,增大电机的铁心损耗,降低电机的工作效率[34]。因此需要为电动汽车驱动电机设计额外的冷却结构以降低其温升,保证驱动电机的正常运行。高效可靠的散热系统能够将驱动电机运行中所产生的热量快速传递至外部,避免热量在电机内部聚集,使驱动电机始终在合适的温度下工作,对驱动电机的使用寿命、效率以及可靠性都有着重要意义。

2.1 自然冷却

自然冷却指的是没有额外的冷却装置结构,结合电机配置的组件来进行散热[35],适用于可靠性较高、工作环境通风良好的电机。机壳是将热量从内部传导到周围环境的主要路径。机壳的设计需要进行优化,以最大限度地提高对流散热的速率。通过增加传热系数、散热片表面积,可以提高散热片的传热速率。然而,自然对流换热系数取决于环境条件,因此改善自然对流换热的一种常用方法是扩大散热片面积。但是增大散热片面积会增加气流的阻力,进而降低增益系数。因此,散热片结构的合理优化是自然冷却的主要设计方向。通过改变散热片的深度、散热片间距、散热片数量等参数,如图1[36]所示,是提高自然冷却性能的主要方法[37-42]。最终三维设计目标是使散热率最大化,同时使散热片的重量和体积最小化。然而,自然冷却方法只适用于低功率或具有足够传热区域的大型电机,因此很少应用在电动汽车驱动电机领域。

图1 散热片构造示意图
Fig.1 Structural diagram of heat sink

2.2 强迫风冷结构

受限于电动汽车驱动电机复杂的工作环境,自然冷却很难满足其冷却要求。强迫风冷结构一般采用风扇系统提高电机内部与外部空气的热交换。自然冷却散热系统的热传导率只有2～25 W/(m2·K),而强迫风冷散热系统的热传导率可以达到20～300 W/(m2·K),显著提高了电机的冷却效率[43]。同时,受限于某些电动汽车驱动电机内部空间过小,无法加装液冷结构,虽然强迫风冷比液冷效率要低得多,但是在总体系统成本和简单性方面强迫风冷还是具有显著优势[44-45]。

文献[46]通过热模拟研究了带有空冷的转子结构对径向磁通永磁同步电机工作区域的影响,结构示意图如图2[46]所示。实验表明,转子冷却使高速运转时的永磁体温度显著降低,有效地扩大了可能连续运行的区域以及可能的过载,电机的热利用率显著提高。

图2 带有空冷转子结构的电机截面图
Fig.2 Section of motor with air-cooled rotor structure

按照电机内部风路和外部风路的连通形式,可以将强迫风冷散热系统分为开启式和封闭式系统。内-外风路相连通的为开启式强迫风冷散热系统,其特点是外部空气可以进入电机内部直接进行热交换,散热效率较高;内-外风路不相连通的为封闭式强迫风冷散热系统,该系统是借助电机内部的同轴风扇,以驱动气流的形式将热量传递到机壳,然后与外部环境进行热交换[47]。

文献[48]以一台紧凑型电动汽车的20 kW永磁电机为研究对象,提出了一种适用于开启式强迫风冷散热的定子铁心内部及外部双冷却通路的强化散热方案,如图3[48]所示。通过可视化实验验证了该方案的有效性,结果表明该方案可以有效的提高电机的冷却性能。

图3 双冷却通路散热方案
Fig.3 Dual cooling path heat dissipation scheme

开启式强迫风冷散热系统虽然有着较高的散热效率,但是在运行过程中空气中的灰尘极易进入电机内部,影响冷却效果,所以需要对其进行定期维护。由于电动汽车驱动电机保养间隔时间具有不确定性,因此无法保证开启式强迫风冷散热系统运行的稳定性。封闭式强迫风冷散热系统能够有效阻止空气中的污染物进入电机内部,降低电机维护成本,同时也有着不错的散热性能。因此逐渐取代了开启式强迫风冷散热系统,并得到了广泛的应用。

文献[49]针对一台电车用牵引电机设计了一套封闭式的强迫风冷散热系统,如图4[49]所示。该系统除了内部风扇外,还引入了转子通风道。电机轴端的扇叶驱动气流在电机定、转子间隙及转子通风道中流动,再通过机壳表面的散热翅片与外界进行热交换,冷却后的气流再进入电机内部进行下一次循环。经过试验测得该系统额定负载下电机各部件的温升,结果表明该系统能够提供足够的冷却能力,满足电机的正常运行温度。

图4 封闭式强迫风冷散热系统截面图
Fig.4 Sectional view of closed forced air cooling heat dissipation system

强迫风冷散热系统具有价格低、结构简单、安装维护方便及可靠性高等优点,其冷却效率主要由散热翅片的结构设计、流体通道的分布位置、流体流量以及机壳表面的散热系数等因素决定。但是强迫风冷散热系统的散热效率还是远低于液冷散热系统的,因此目前只适用于功率密度较低的电机。

2.3 液冷结构

液冷散热结构是在电机机壳内部或电机内部设计密封的循环流道,冷却介质通过机壳水套、定子通道、转子通道等冷却结构进行热交换的一种电机冷却方案。按照冷却介质可以将液冷散热结构分为水冷散热和油冷散热两类。液体冷却方案适用于大功率电机等通过自然散热无法达到冷却要求的应用情况。液体冷却方案中使用较多的高热容液体冷却介质为水、乙二醇和变压器油,其常温常压下的物理特性如表1所示。

表1 冷却介质常温常压下的物理特性

Table 1 Properties of cooling medium under normal temperature and pressure

根据表1可以看出水介质具有较高的热导率和质量热容,除此之外水还具有无污染、成本低等特点,因此得到了广泛应用。为了改善水介质凝固点较高、沸点较低的缺点,在使用过程中通常会采用水-乙二醇混合溶液,以降低介质的凝固点,提高水冷散热系统整体的环境适应性。另外,水冷散热系统在长时间工作过程中易产生水垢腐蚀机壳,因此在使用时还应该添加抗腐蚀和抗泡沫等添加剂[50]。

水冷散热系统主要是通过在机壳内部、定子铁心等部件处设置循环流道以达到散热的目的。近年来,国内外学者对电动汽车驱动电机冷却水套流体分析进行了深入探索,并取得了较多的成果[51-54]。

文献[55]以装有水冷冷却水套的异步电机为研究对象,分析了不同通道数量下电机温度场分布及进出口压降,如图5[55]所示。实验结果表明,增加通路数或提高流速会降低电机的最高温度,同时所需的泵功率也会增加。此外,研究发现多端口系统对于降低电机的最高温度并没有什么实质性用处。与相同操作条件下的双端口配置相比,多端口的整体最高温度要更高。

图5 不同通道数量的冷却护套配置图
Fig.5 Configuration diagram of cooling jacket with different number of channels

文献[56]利用二维有限元法生成的损耗图和热集总参数网络,对同一台永磁电动汽车驱动电机3种不同冷却方案进行了比较。其中一部分是波浪形、螺旋形水套式冷却结构,另一种是端部屏蔽、端部绕组封装式弯曲冷却结构,如图6[56]所示。利用三维共轭传热模拟软件对冷却液对流换热进行了估算。结果表明,两种类型水套的性能非常相似,其中螺旋形水套冷却温度和损耗略低。当使用弯曲冷却方案时,低速连续扭矩比采用波形冷却的方案高出27 N·m,在高速水平下略低于波浪形水套。与波形通道和螺旋通道相比,弯曲式冷却结构还可以在一定时间内保持较高的扭矩水平,并且驱动循环能量损失和绕组温度都较低。

图6 3种冷却结构示意图
Fig.6 Schematic diagram of three cooling structures

文献[57]以小型电动汽车用水冷感应电机为例,推导了冷却系统结构参数、冷却面积、对流换热系数和流体流动阻力之间的关系。建立了水冷电机流场和温度场的耦合数学求解模型,研究了水套数对电机内部温度和流体流动阻力的影响。根据理论分析和仿真结果,提出了水冷电机冷却系统的优化设计方案,为中小型水冷电机冷却系统的设计提供了参考。

虽然冷却水套为定子绕组的活动部分提供足够的传热传递,但由于热源和冷却介质之间的高热阻,通常不足以消散端绕组和转子的热量。因此,该冷却结构并不适用于具有长端绕组的电机。针对此类电机,可以对其发热严重部分设计专用冷却结构以满足电机的冷却需求。

文献[58]提出了一种简单有效的冷却系统,该系统专门为电动汽车用外转子永磁同步轮毂电机设计,如图7[58]所示。该学者建立了详细结构的热模型,细述考虑电动汽车主要条件的热分析程序,并对冷却系统的尺寸、冷却液入口温度和流量等参数进行了详细的模拟和研究。

图7 外转子永磁同步轮毂电机冷却系统示意图
Fig.7 Schematic diagram of cooling system of external rotor permanent magnet synchronous hub motor

文献[59]以新型无磁轭分段电枢轴向磁通轮毂电机为研究对象,基于此结构提出了一种新型冷却系统,如图8[59]所示。这种新型的冷却系统有2个主要特点:一个是散热片位于水冷却壳体的内表面,绕组固定在靠近翅片的地方,另一个特点是U型水冷却管道集成在散热片内。冷却系统中从绕组中产生的热量可以直接传递到散热片上,然后被散热片内的水冷却管中的液体带走,以达到散热的目的,从而有效降低定子绕组与水冷却管道之间的热阻,最终提高电机的输出功率。

图8 U型水冷水道示意图
Fig.8 Schematic diagram of U-shaped water cooling channel

文献[60]提出了一种改进的非接触引入式(non-contact lead-in,NCLI)冷却结构,如9[60]所示。该结构采用孔板分隔水道,通过向安装在定子两侧的水冷板水道提供冷却水来散热。从流-热耦合计算结果可以看出,改进的非接触式引入冷却结构可以实现对该轮毂电机定子部件的有效冷却。

图9 NCLI冷却结构示意图
Fig.9 Schematic diagram of NCLI cooling structure

文献[61]基于电动汽车用轴向磁通永磁同步电机设计了4种冷却结构,如图10[61]所示。实验结果表明,在考虑冷却效果和冷却成本的条件下,串联式结构是4种冷却结构中的最佳选择。通过优化冷却结构的通道数、径向长度和轴向长度,得出了提高冷却效率的最佳参数。为提高轴向磁通电机热分析计算效率,推导了冷却水最佳进口速度的计算公式,并通过有限元仿真验证了该方法的准确性,为改进永磁同步电机热管理提供了理论依据。

图10 4种类型冷却结构
Fig.10 Four types of cooling structures

虽然水冷结构有着较高的散热效率,但是目前对于电动汽车驱动电机来说,水冷结构存在两大难点:一是管道连接复杂,二是密封结构存在绝缘安全问题。油介质具有较好的绝缘特性,沸点和凝点比水要高,低温下不易结冰,高温下不易沸腾。油介质在电机内部与电机绕组、定子铁心等发热严重部件直接进行热交换,称作直接油冷。另外,油介质也可以在机壳内部的流道中循环流动达到散热的目的,称作间接油冷。其中直接油冷可以分为浸油式和喷油式两种形式。浸油式油冷是指将电机的定转子都浸没在冷却油中,该方案有着较好的冷却效果同时可以降低电机工作噪声[62],但是油介质的粘度比较大,增大了电机转子旋转时的能量损耗;喷油式油冷是将冷却油喷淋到机壳内表面及定子端部,从而对电机进行高效散热。因此,油冷冷却结构也逐渐成为了众学者的研究对象[63]。

文献[64]以电动汽车用发夹绕组式电机为研究对象,研究了喷油方式对电机冷却性能的影响。采用油冷却方法电机的冷却性能与油和线圈的接触面积成正比。研究结果表明滴水喷嘴在线圈上形成油膜越厚,其对发夹式电机的冷却越有效,如图11[64]所示。

图11 油膜形成示意图
Fig.11 Schematic diagram of oil film formation

文献提出了采用端部绕组浸油冷却结构和定子磁轭轴向油道冷却的直接油冷却方法,如图12[65]所示。根据油冷电动汽车用永磁同步电机在额定工况下的试验结果可以看出,相同电磁结构的油冷电机的温升低于水冷电机,电机前后温差在半小时内降低18 ℃。

图12 浸油冷却结构示意图
Fig.12 Schematic diagram of oil immersed cooling structure

目前,水冷散热系统在电动汽车驱动电机领域仍占领着主导地位。但是水冷散热系统目前存在也许多缺点,如管道内污渍、腐蚀、泄漏以及污染。冷却通道内残留的污渍可能导致流动阻力显著上升,导致冷却效率下降。因此为了驱动电机运行的安全性和稳定性,需要对水冷散热系统的循环管路进行更可靠的密封。直接油冷散热系统的散热效率要远高于水冷散热系统,但是该系统需要非常严格的过滤系统对油介质进行过滤,防止油中的杂质对电机内部的绝缘造成损害。这就导致油冷散热系统成本要高于水冷散热系统,因此其应用规模目前不如水冷散热系统广泛。

尼桑日产LEAF电动汽车配备了一台永磁电机,设计了水套冷却散热系统,其驱动电机及冷却结构分布如图13[36]所示。该冷却结构架设于定子上方,同时为了保证冷却性能,该散热系统采用了EGW50/50作为冷却介质。

图13 尼桑LEAF电机及其冷却结构示意图
Fig.13 Schematic diagram of Nissan LEAF motor and its cooling structure

Zytek所制造的电动汽车用永磁同步电机采用了双冷却散热系统,如图14[36]所示。该系统由水套散热和强迫风冷散热组成,风扇驱动流体循环,循环的流体将电机内部热量传递到水套,再通过水套与外界进行热交换,达到散热的目的。

图14 Zytek电机双冷却散热系统
Fig.14 Zytek motor dual cooling system

本文针对电动汽车驱动电机以及相应的冷却方案进行了汇总,如表2所示。

表2 电动汽车驱动电机及冷却方案
Table 2 Electric vehicle drive motor and cooling scheme

从表2中可以看出随着冷却技术的不断发展,油冷和多种冷却综合使用的方案逐渐成为了各车企的首选。对于油冷技术来说,为了提高冷却效果,更加智能化的油冷控制器将会逐步兴起,“按需分配”将会成为冷却的核心策略;多种冷却综合使用的方案可以进一步挖掘驱动电机的功率潜力,进而提高功率密度和功率上限,进一步降低材料成本。对于车企来说,冷却技术没有最好的方案,只有最适合的方案,选择好成本与能效的平衡点才是最优的方案。

本文以电动汽车驱动电机“热的来源-热的处理-实际应用”为主线,对近年来国内外电动汽车驱动电机热分析模型、冷却系统结构设计、冷却系统应用实例等方面的研究现状进行了综述。总体而言,经过国内外学者近年来的研究,电动汽车驱动电机冷却技术得到了显著提高,结合当前电机散热系统的研究现状,今后可以从以下几方面开展研究:

1)完善液冷散热系统流道模型参数与冷却效率、水道压降的理论模型。流道模型参数对液冷散热系统的冷却效率以及水道压降有着重大影响,现有的热分析模型在实际使用中仍存在局限性,缺乏完善的理论模型。

2)对风冷散热系统中翅片结构尺寸、安装位置及风速等因素与冷却效率之间的联系进行深入研究,建立并优化翅片结构参数与冷却效率、制作成本之间的关系模型,进一步推动风冷散热系统向高冷却效率、低成本方向发展,并在其基础上研制复合冷却方案。

3)目前水冷散热系统在长期使用后仍会出现腐蚀、泄露等降低整体冷却效率的现象,为了电动汽车驱动电机的稳定运行,需要对水冷散热系统的循环管路进行更可靠的密封设计;优化油冷散热系统的结构,提高生产技术,降低油冷散热系统的成本。

根据中汽协以及乘联会数据,在2020年疫情的影响下,新能源汽车销量前高后低,纯电动汽车产销分别完成了110.5万辆和111.5万辆[66]。传统内资车、合资车分化明显,其中以上汽五菱生产的宏光MINI EV为首的A00级车型大大超过市场预期,成为年度爆款。2020年新能源上牌量达到114.12万,同比增长23.6%,2021年全年销量有望超过240万辆,同比增长70%多[67]。根据数据可以看出,电动汽车已逐渐被消费者接受,随着研制的电动汽车驱动电机性能不断提高,成本不断降低,相信环保高效的电动汽车会有一个充满光明的未来。

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