【原创】日产增程e-POWER总成结构及热管理技术

EVH1000

增程系统e-POWER动力总成核心包括发动机、耦合机构（发电机、电动机、减速器集成模块）、逆变器三大部件，如下图1-1所示。

增程e-POWER动力总成结构紧凑，可适配搭载A0级轿车机舱，具体尺寸示意如下图1-2所示。

整个动力总成最大外轮廓尺寸为：（不含逆变器）长度977mm、宽度658mm、高度750mm。

（1）增程系统冷却架构

增程系统冷却包括发电机、电动机、逆变器（MCU）以及管路和水泵散热器等，整个冷却系统路线为串联冷却方式，从水泵泵出冷却液，之后按照冷却需求的先后顺序，依次冷却逆变器、电动机之后到发电机，冷却后的水流入散热器再回水泵。系统冷却架构如下图1-3所示。

增程系统冷却架构中标示的流量、压损参数是各个零部件分配后的结果（通过冷却系统计算或者冷却系统试验获取）。

（2）双电机+逆变器冷却回路

双电机逆变器冷却回路中，逆变器采用金属框架通道进行水循环，直接冷却逆变器热部位；而两个电机冷却都是采用水套砂芯方式，发电机冷却要求较低，水套结构简单，直接采用整体砂芯水套冷却；而电动机冷却要求相对于发电机要高，采用砂芯冷却说套要复杂，形成环绕冷却方式，提升水流速度，增加冷却效果。具体如下图1-4所示。

（3）双电机+逆变器冷却回路流向

双电机+逆变器冷却回路流向为：①→②→③→④→⑤→⑥。

①处为冷却回路入水口（逆变器），冷却液从水泵经过水管流入。

⑥处为冷却回路出水口（发电机），冷却液流出经过水管到散热器。

相应冷却回路流向示意如下图1-5所示。

（1）热平衡温度计算

对日产e-POWER电动机设置不同的入口流量进行额定工况热平衡仿真分析，绘制温度-流量曲线，查看最具性价比优势的流量区间。仿真工况如下表1-1所示。

电机模型及温度分布结果如下图1-6所示。

国内同级别电动车电控~电机冷却回路的水泵流量一般为8L/min。

（2）冷却流量确定

由仿真结果可知：

1）流量6L/min~8L/min，绕组最高温度由145.9℃降为131.7℃，ΔT=14.2℃。

2）流量8L/min~10L/min，绕组最高温度由131.7℃降为125.7℃，ΔT=6℃。

3）流量10L/min~12L/min，绕组最高温度由125.7℃降为123.8℃，ΔT=1.9℃。

温度流量关系如下表1-2所示。

结合国内车企的标准，选择8L/min作为冷却流道仿真输入条件。

（1）双电机表面流速分析

双电机水套冷却计算分析流速分布结果如下图1-7所示。

双电机水套流速较低，冷却液流速基本都在0.1m/s以下。

（2）表面低流速区域分析

双电机水套冷却计算结果中提取低流速冷却区域，分析结果如下图1-8所示。

双电机水套流速分析结果中，低流速区域水道避免流速低于0.03m/s。

（3）流线分布分析

双电机水套冷却计算结果中，流线分布分析结果如下图1-9所示。

双电机流线分布分析显示，冷却液流速基本都在0.5m/s以下，驱动电机冷却流速更高，流速分布更好。

（4）冷却压损分析

双电机水套冷却压损计算结果如下图1-10所示。

计算结果显示，冷却水套压损较小，总压损仅7.469KPa。

（1）冷却水套砂芯结构

增程e-POWER系统驱动电机水套砂芯结构及主要尺寸示意如下图1-11所示。

1）电动机冷却回路整体轴向高度为180mm。

2）上下两端部周向冷却回路的高度各为25mm。

3）中间部分起主要散热功能的冷却水道高度为130mm。

（2）冷却水套截面结构

驱动电机冷却水套截面结构及主要尺寸示意如下图1-12所示。

1）冷却水道外圆半径122mm，内圆半径109mm，水道壁厚13mm。

2）轴向水道圆周分布角度占比如图，共12条支路数串联。

（3）冷却水套装配

驱动电机冷却水套装配关系及主要尺寸示意如下图1-13所示。

1）水道轴向高度完全覆盖定子铁芯叠高。

2）出线端水道顶部~定子铁芯16mm，即周向冷却回路存在9mm的高度与定子铁芯直接通过壳体导热。

3）非出线端水道顶部~定子铁芯22mm，即周向冷却回路存在3mm的高度与定子铁芯直接通过壳体导热。

（4）冷却水套装配截面

驱动电机冷却水套装配截面及主要尺寸示意如下图1-14所示。

冷却水道内圆半径109mm，定子铁芯外径100mm，壳体壁厚9mm。

（5）冷却回路参数

驱动电机冷却水路参数汇总如下表1-3所示。

（6）驱动电机冷却水套计算

1）冷却水套表面流速分布计算分析

驱动电机冷却水套计算分析结果如下图1-15所示。

① 周向水道各支路上下端面居中处流速较高。

② 内外侧水道表面拐角处流速较高。

2）冷却水套Y向流速分布计算分析

驱动电机冷却水套Y向流速计算分析结果如下图1-16所示。

① 由于水道表面与铝壳接触，水道内部流速远高于水道表面流速。

② 水道拐角处流速较低，水道内部中间段流速要高于上下两端流速，铁芯槽内铜线导热路径为绕组→铁芯→壳体→冷却水，热阻较小，即中间段流道起主要散热作用。

③ 各支路内部流道流速分布相同。

3）冷却水套Z向流速分布计算分析

驱动电机冷却水套Z向流速计算分析结果如下图1-17和图1-18所示。

Z向流速（两端）的分析结果总结如下：

①由于水道表面与铝壳接触，水道内部流速远高于水道表面流速

②在上下两端部周向流道中，呈现出中间流速高，两端流速低的分布，即在水道拐角处流速较低，各支路的分布状态相同

③由于上下端绕组采用浸漆而非灌封工艺，因此导热路径为绕组→空气→壳体→冷却水，由于空气参与导热，热阻较大，即上下两端部处水道对电机散热的作用并不明显。

Z向流速（中间）的分析结果总结如下：

①中间段流道中，整体流速高于上下两端部，在不同高度的截面上各支路分布状态相同。

②铁芯槽内铜线导热路径为绕组→铁芯→壳体→冷却水，热阻较小，即中间段流道起主要散热作用。

③标识X处由于入水口位置靠端部，在此处形成死区，流速较低。

（7）驱动电机冷却水套HTC计算

驱动电机冷却水套HTC计算分析结果如下图1-19所示。

1）从HTC分布可以看出，换热系数与流速之间存在正相关，在各支路的拐角处流速较低，换热系数也较低。

2）在弧度较长的流道支路中，换热系数低于5000W/m^2-k的区域面积较大。

3）电机温度传感器埋入位置在此位置，猜测整体散热效果较差，此处端部线包温度最高。

（8）驱动电机冷却水套压损计算

驱动电机冷却水套压损计算分析结果如下图1-20所示。

1）从仿真分析云图可以得出出现压损较大位置为流道拐角位置，且各支路的压损值相近。

2）整个冷却回路总压损为4.612Kpa。

（9）驱动电机热仿真计算

1）额定工况计算（3008rpm）

热平衡工况：电机最高温度出现在绕组端部，为145.9℃，与测试值接近。计算分析结果如下图1-21所示。

2）额定工况计算（10000rpm）

热平衡工况：电机最高温度出现在绕组端部，为150.3℃，与测试值接近。计算分析结果如下图1-22所示。

3）峰值工况计算

峰值工况：电机最高温度出现在绕组端部，155s时为151℃，与测试值接近。计算分析结果如下图1-23所示。

1. 日产e-POWER增程系统结构紧凑，采用三缸机，轴向空间较小，适合大小各种车型搭载；

2. 日产e-POWER增程系统热管理采用常规冷却方式，先冷却高压控制器，再驱动电机冷却，最后发电机冷却；

3. 驱动电机采用蛇形环绕冷却水套，冷却效果更好，温度传感器布置在温度最高处，检测准确。