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純電動汽車集成電驅(qū)系統(tǒng)油冷方案的研究
2021-10-08 16:03:10· 來源：電動學(xué)堂
來源：電動學(xué)堂廣州汽車集團(tuán)股份有限公司汽車工程研究院陳廣林、周文、陳寄貴、譚立真集成電驅(qū)系統(tǒng)的冷卻一般分為風(fēng)冷、水冷和油冷，其中油冷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊、冷卻
來源：電動學(xué)堂
廣州汽車集團(tuán)股份有限公司汽車工程研究院
陳廣林、周文、陳寄貴、譚立真
集成電驅(qū)系統(tǒng)的冷卻一般分為風(fēng)冷、水冷和油冷，其中油冷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊、冷卻效率高是一種優(yōu)良的電驅(qū)冷卻方式。本文重點(diǎn)就純電動汽車集成電驅(qū)系統(tǒng)的油冷方案進(jìn)行研究分析。
1. 研究分析
1.1 方案介紹
純電動汽車集成電驅(qū)系統(tǒng)油冷方案如下圖所示：電驅(qū)冷卻油通過油泵從電驅(qū)油底殼進(jìn)入油冷器，在油冷器內(nèi)與整車的冷卻液進(jìn)行熱交換后對電機(jī)進(jìn)行冷卻，再回流至電驅(qū)油底殼。該方案需要確定電驅(qū)系統(tǒng)中所需的油泵流量、油冷器功率以及整車的冷卻液流量。
1.2 參數(shù)計(jì)算
電驅(qū)系統(tǒng)油冷方案的熱源主要來自電機(jī)運(yùn)行中的損耗，電機(jī)在不同的熱平衡工況下效率和損耗值各不相同，需確認(rèn)整車運(yùn)用中最大的損耗值。根據(jù)純電動汽車動力性的設(shè)置存在以下四種工況：1km最高車速、30min最高車速，百公里加速時間，1km爬坡車速，其中30min最高車速工況屬于持續(xù)運(yùn)行熱平衡狀態(tài)，其他均屬于短時運(yùn)行工況。結(jié)合某量產(chǎn)車型參數(shù)：30min最高車速150km/h、半載整備質(zhì)量約2158kg、車輪半徑324mm、風(fēng)阻系數(shù)0.245、迎風(fēng)面積2.35m2、滾阻系數(shù)7.8N/kN等。根據(jù)汽車的驅(qū)動力與行駛阻力的平衡關(guān)系建立汽車行駛放方程如下，其中行駛阻力Ft包括滾動阻力Ff、空氣阻力Fw、坡度阻力Fi和加速阻力Fj。
具體轉(zhuǎn)化為：
式中，Ttq為電機(jī)驅(qū)動扭矩；i0集成電驅(qū)減速比，為11.14；ηT傳動系統(tǒng)效率，約97%；r為輪胎半徑；G為汽車重量；f為滾動阻力系數(shù)；CD為空氣阻力系數(shù)；A為迎風(fēng)面積；μa為車速；i為道路坡度；σ為汽車旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)；m為汽車質(zhì)量；du/dt為加速度?？梢杂?jì)算出30min最高車速下對應(yīng)的電機(jī)運(yùn)行工況為轉(zhuǎn)速約13680rpm，扭矩約18.8N.m，功率為26.9Kw。
根據(jù)集成電驅(qū)系統(tǒng)電機(jī)的相關(guān)參數(shù)及整車電池的相關(guān)參數(shù)可以仿真計(jì)算出如下電機(jī)的效率Map圖：
可以得到電機(jī)在13680rpm和扭矩18.8N.m工況下效率為78.6%。所以可以計(jì)算出電機(jī)的損耗約為5.76kw，及該集成電驅(qū)系統(tǒng)在整車應(yīng)用中最大的損耗值為5.76kw，損耗功率主要通過電驅(qū)系統(tǒng)的油冷器與整車的冷卻液進(jìn)行熱交換，所以可確定在給定條件下油冷器的最小功率為5.76kw。
當(dāng)電驅(qū)系統(tǒng)達(dá)到熱平衡時，油冷器油側(cè)和水側(cè)的熱交換功率是一致的，可以得到如下平衡方程：
式中Qo為油側(cè)釋放的熱量；Qw為水側(cè)吸收的熱量。具體轉(zhuǎn)化為：
式中Co為冷卻油的比熱容；ρo為冷卻油的密度；Vo為單位時間內(nèi)經(jīng)過油冷器油的體積；T1油冷器入口油溫度；T2油冷器出口油溫度；Cw為冷卻液的比熱容；ρw為冷卻液的密度；Vw為單位時間內(nèi)經(jīng)過油冷器冷卻液的體積；T3油冷器出口冷卻液溫度；T4油冷器入口冷卻液溫度；根據(jù)該電驅(qū)系統(tǒng)冷卻油的物理特性可確定Co值2.156J/（kg•°C）、ρo值853kg/m3；根據(jù)整車?yán)鋮s液的物理特性可確定Cw值3.48J/（kg•°C）、ρw值1042kg/m3；該冷卻油最佳的穩(wěn)定持續(xù)運(yùn)行的高溫約100℃-120℃，這里取T1為105℃；根據(jù)一般整車運(yùn)行的冷卻系統(tǒng)設(shè)置水溫T4取為65℃，冷卻液流量取8L/min；油冷器達(dá)到最佳熱平衡狀態(tài)時T2與T3相等。計(jì)算得到油側(cè)的流量為6.69L/min。
綜上通過仿真計(jì)算已經(jīng)初步確定了在整車運(yùn)行工況最苛刻的條件下，電驅(qū)系統(tǒng)達(dá)到熱平衡的條件為：油冷器在給定工況下熱交換功率不低于5.76kw、油側(cè)的流量不低于6.69L/min，水側(cè)的流量不低于8L/min。
1.3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
將滿足設(shè)計(jì)要求的油冷器及油泵接入電驅(qū)系統(tǒng)，布置好相關(guān)傳感器搭建如下圖電驅(qū)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)臺架：
調(diào)整油泵的流量為6.69L/min、冷卻液流量為8L/min、冷卻液溫度為65℃，設(shè)置電機(jī)的運(yùn)行工況為轉(zhuǎn)速13680rpm，扭矩18.8N.m。整個實(shí)驗(yàn)過程中電驅(qū)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行未出現(xiàn)過溫的現(xiàn)象，冷卻系統(tǒng)滿足設(shè)計(jì)要求，實(shí)驗(yàn)過程采集的數(shù)據(jù)如下表：
2. 結(jié)論
結(jié)合集成電驅(qū)系統(tǒng)臺架實(shí)驗(yàn)溫升穩(wěn)定數(shù)據(jù)，選定給定工況下功率為6kw的油冷器；通過整車的標(biāo)定和電驅(qū)系統(tǒng)的臺架標(biāo)定結(jié)合整車的性能和成本要求設(shè)定如下參數(shù)：電驅(qū)系統(tǒng)油泵最大流量8L/min，采取變流量控制、整車?yán)鋮s液流量最大10L/min，采取變流量控制。最終通過了電驅(qū)系統(tǒng)臺架驗(yàn)證和整車搭載驗(yàn)證。
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