?來源|制冷與空調(diào) 電動汽車是未來汽車發(fā)展的重要方向，隨著技術(shù)的進(jìn)步，電動汽車電機(jī)與電機(jī)驅(qū)動器的功率密度越來越高，其工作溫度必然上升，這會對電機(jī)的工作效率和壽命造成不利影響。驅(qū)動系統(tǒng)能夠有效散熱是電動汽車熱管理的重要內(nèi)容，也是電動汽車性能開發(fā)
電動汽車是未來汽車發(fā)展的重要方向，隨著技術(shù)的進(jìn)步，電動汽車電機(jī)與電機(jī)驅(qū)動器的功率密度越來越高，其工作溫度必然上升，這會對電機(jī)的工作效率和壽命造成不利影響。驅(qū)動系統(tǒng)能夠有效散熱是電動汽車熱管理的重要內(nèi)容，也是電動汽車性能開發(fā)過程中需要重點(diǎn)關(guān)注的內(nèi)容。若散熱不理想: 冷卻液溫度可能會一直上升，從而觸發(fā)驅(qū)動系統(tǒng)的熱保護(hù)而限制動力輸出; 即便冷卻液溫度穩(wěn)定，但電機(jī)等動力輸出部件處于非最佳工作溫度，也會影響整車動力性及經(jīng)濟(jì)性。
目前，電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)主要采用強(qiáng)制風(fēng)冷與液冷2 種冷卻方式，其中液冷效果較好。液冷系統(tǒng)主要由水箱、水泵、電機(jī)冷卻外套、控制器冷卻外套、散熱器及水管等組成，若忽略系統(tǒng)中各部件的輻射散熱，則電機(jī)及其控制器產(chǎn)生的熱量主要由散熱器散出。所以，散熱器的性能直接決定整個冷卻系統(tǒng)的性能，從而對整機(jī)性能產(chǎn)生重要的影響［1］。筆者主要研究如何保證驅(qū)動系統(tǒng)有效熱平衡。 常規(guī)電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)所采用的液冷系統(tǒng)(見圖1) 主要包括由冷卻管路依次連接在一起的散熱器、水泵、電機(jī)控制器、DC /DC 及充電機(jī)二合一、電機(jī)、膨脹水箱等，其中冷卻管路內(nèi)充滿冷卻液，散熱器上裝有加強(qiáng)冷卻的電動風(fēng)機(jī)。
圖 1 電動汽車前艙水冷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖冷卻液流經(jīng)各發(fā)熱部件吸收熱量，然后流經(jīng)散熱器處與空氣進(jìn)行熱交換。如果驅(qū)動系統(tǒng)所產(chǎn)生的熱量不能被冷卻液有效地帶離并及時足量地傳遞給空氣，冷卻液的熱量就會出現(xiàn)堆積，溫度持續(xù)上升，致使電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)無法達(dá)到有效熱平衡。2 冷卻系統(tǒng)關(guān)鍵零部件設(shè)計(jì)作為電動汽車唯一驅(qū)動部件的電機(jī)，其發(fā)熱量來源于電機(jī)內(nèi)的各種損耗，因此確定電機(jī)的發(fā)熱功率實(shí)質(zhì)上是確定電機(jī)的各種損耗。在電機(jī)的各種損耗中，繞組損耗和鐵芯損耗是發(fā)熱量的主要來源，這些損耗都轉(zhuǎn)化成熱能，使電機(jī)內(nèi)部溫度升高，電機(jī)的物理、電氣和力學(xué)特性隨之發(fā)生變化，當(dāng)溫度上升到一定程度時，電機(jī)的絕緣材料會發(fā)生本質(zhì)上的變化，最終使其失去絕緣能力。因此，在冷卻系統(tǒng)選型過程中，要明確驅(qū)動系統(tǒng)發(fā)熱部件的散熱需求，以更好地做匹配分析。本研究涉及發(fā)熱部件的散熱需求及溫度要求如表1。
2. 2 散熱器設(shè)計(jì)
對于冷卻系統(tǒng)而言，散熱器是除了電機(jī)以外最重要的器件，散熱器通過風(fēng)機(jī)加快空氣流動帶走冷卻管中冷卻液的熱量，使冷卻液溫度下降。為了準(zhǔn)確確定發(fā)熱部件散熱需求，并保證其更貼合車輛在實(shí)際使用過程中的狀況，散熱器散熱量( Qw1) 采用加權(quán)法(額定散熱需求× 70% +峰值散熱需求× 30%) 計(jì)算。其中充電機(jī)只在充電時需要散熱且需求散熱量小，在選型計(jì)算中忽略其散熱量。散熱器使用一段時間后，受周邊環(huán)境的影響，通過散熱器的氣流會產(chǎn)生分布不均勻的現(xiàn)象，再加上散熱器自身老化等因素，散熱器散熱能力會減弱。因此，散熱器的散熱量需有一定的儲備余量。一般儲備系數(shù)(β)取1.10～1.25，輕型車取下限，中型車取上限。本冷卻系統(tǒng)β取1.10，即式中 Qmax1為系統(tǒng)散熱量( kW) 。2. 2.2 散熱器芯體迎風(fēng)面積( Ff1)
電機(jī)和電機(jī)控制器( MCU) 為主要發(fā)熱源，根據(jù)二者額定功率(額定功率約70 kW) 利用式( 2)求解［1］:Ff1=(0.0027～0.003 4)×Nemax ( 2)式中Nemax為發(fā)熱部件總額定功率( kW) 。2. 2.3 散熱器冷卻液( 水) 進(jìn)出口溫差( Δt水1)
散熱器進(jìn)出水溫差( 等于系統(tǒng)溫升)為Δt水1，由熱平衡方程可得，
2. 2.4 散熱器氣液平均溫差(Δt1)
水泵的主要功能就是加快冷卻液在冷卻管道中流動，以促進(jìn)冷卻液循環(huán)散熱，因此水泵在冷卻系統(tǒng)中是不可或缺的部件。2. 3.1 冷卻系統(tǒng)水阻估算
冷卻系統(tǒng)水阻為冷卻水流經(jīng)各個部件阻力之和，本冷卻系統(tǒng)中冷卻水主要流經(jīng)水泵、冷卻管路、電機(jī)、電機(jī)控制器、充電機(jī)及散熱器。依據(jù)企業(yè)提供的相應(yīng)零部件水阻測試結(jié)果可得DC /DC 及充電機(jī)二合一、電機(jī)及電機(jī)控制器水阻曲線，在水流量為10 L /min 時，水阻分別為2.4kPa、0.7 kPa和4.4kPa。冷卻管路水阻依據(jù)相似車型冷卻管路水阻取60kPa。綜上所述，冷卻系統(tǒng)水阻取為68 kPa。2. 3.2 水泵選型
根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，水泵選型主要依據(jù)流量10 L /min 和冷卻系統(tǒng)水阻，確定水泵揚(yáng)程需要不小于7 m。2. 4 風(fēng)機(jī)風(fēng)量分析
實(shí)現(xiàn)冷卻系統(tǒng)的能量優(yōu)化除元器件的合理布局外，風(fēng)機(jī)的控制也是優(yōu)化的重要內(nèi)容。對于風(fēng)機(jī)的優(yōu)化除合理的參數(shù)配置，更重要的是控制風(fēng)機(jī)的風(fēng)量。2. 4.1 風(fēng)量評估
風(fēng)機(jī)風(fēng)量( Va) 根據(jù)冷卻系統(tǒng)應(yīng)散出的總熱量Qtot確定［5］，即
在評估系統(tǒng)風(fēng)量時，需要充分考慮冷凝器的最惡劣工況，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，怠速狀態(tài)時冷凝器工況最為惡劣，此時依據(jù)經(jīng)驗(yàn)值，迎面風(fēng)速須在3 m /s左右，冷凝器迎風(fēng)面積約0.253m2，得到系統(tǒng)最低需求風(fēng)量為0.759m3 /s。2. 4.2 風(fēng)機(jī)靜壓計(jì)算
風(fēng)機(jī)的供氣壓力，即靜壓，是根據(jù)冷卻系統(tǒng)的類型、具體布置與結(jié)構(gòu)確定的。由于類型、具體布置與結(jié)構(gòu)的差異，風(fēng)機(jī)需要克服的空氣通道阻力不同。此處主要考慮怠速狀態(tài)，冷凝器工況最為惡劣，迎面風(fēng)速約為3 m /s。在該狀態(tài)下，依據(jù)選型設(shè)計(jì)結(jié)果，散熱器零部件供應(yīng)商選取相似散熱器做風(fēng)阻試驗(yàn)，散熱器風(fēng)阻和冷凝器風(fēng)阻的測試結(jié)果分別為40 kPa和53kPa。本系統(tǒng)匹配風(fēng)機(jī)性能曲線見圖2。
為驗(yàn)證系統(tǒng)設(shè)計(jì)選型結(jié)果，利用AMESim 仿真平臺搭建電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)所采用的冷卻系統(tǒng)仿真模型，模型主要包括電機(jī)、電機(jī)控制器( MCU) 、水泵、風(fēng)機(jī)等主要零部件［6］。3. 1 仿真工況
針對汽車在相對惡劣的山路爬坡工況 ( 車速60 km /h，坡度9% ) 進(jìn)行模擬。車輛高溫( 環(huán)境溫度為40 ℃) 下滿載運(yùn)行，電池荷電狀態(tài)( SOC) 運(yùn)行到30% 為止，空調(diào)開至最高檔且內(nèi)循環(huán)模式。3. 2 仿真結(jié)果分析
利用AMESim仿真軟件搭建驅(qū)動系統(tǒng)所采用的冷卻系統(tǒng)仿真模型，如圖3 所示。由圖4和圖5可以看出，電機(jī)和電機(jī)控制器的進(jìn)/出水溫度都處于比較合理的溫度范圍之內(nèi)。
本試驗(yàn)研究的惡劣工況為所需冷卻系統(tǒng)的散熱量較大的長距離山路爬坡工況。試驗(yàn)在整車環(huán)境艙中進(jìn)行(見圖6) ，車輛在環(huán)境溫度為40℃下滿載運(yùn)行，運(yùn)行時間為電池荷電狀態(tài)( SOC) 從80%一直運(yùn)行，直至30%為止，空調(diào)開至最高檔且內(nèi)循環(huán)模式，并增加太陽輻射強(qiáng)度( 1 050 W /m2 ) 。環(huán)境艙模擬山路爬坡工況運(yùn)行結(jié)束后，電機(jī)進(jìn)/出水溫度及電機(jī)控制器( MCU) 進(jìn)/出水溫度分別如圖7和圖8所示，可以看出，測試結(jié)束后，電機(jī)及電機(jī)控制器(MCU) 出水口溫度分別約為54.5 ℃和51.5 ℃，該溫度低于設(shè)計(jì)要求( 65℃及60℃) 。這說明冷卻系統(tǒng)具有很好的散熱性能，能夠保證電機(jī)和其他發(fā)熱部件的正常工作。
介紹了一種電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)的冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)匹配思路，以驅(qū)動系統(tǒng)主要散熱元件的散熱需求為設(shè)計(jì)目標(biāo)進(jìn)行理論分析，為設(shè)計(jì)選型提供參考，有效減少設(shè)計(jì)工作量。利用AMESim 軟件建立驅(qū)動系統(tǒng)冷卻模型，進(jìn)行一維仿真驗(yàn)算，再利用整車試驗(yàn)采集的溫度數(shù)據(jù)對仿真結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證對標(biāo)。結(jié)果表明，通過前期有效的理論分析，在高溫環(huán)境及較為惡劣的山路爬坡工況下，該冷卻系統(tǒng)能夠保證各部件有效工作，為電動汽車的可靠運(yùn)行提供保障。———————————————————————————
-
汽車測試網(wǎng)V課堂
-
微信公眾號
-
汽車測試網(wǎng)手機(jī)站
廣告
廣告 
