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水冷和油冷電機(jī)技術(shù)和經(jīng)濟(jì)性優(yōu)劣分析

2021-12-15 13:10:02·  來(lái)源：驅(qū)動(dòng)視界  
　
無(wú)論是補(bǔ)貼退坡、2025規(guī)劃等新能源汽車(chē)宏觀政策影響還是技術(shù)與配套進(jìn)一步成熟后私人消費(fèi)的市場(chǎng)催動(dòng)，新能源驅(qū)動(dòng)電機(jī)向著更高功率密度、更高效、更高品質(zhì)、更低成
無(wú)論是補(bǔ)貼退坡、2025規(guī)劃等新能源汽車(chē)宏觀政策影響還是技術(shù)與配套進(jìn)一步成熟后私人消費(fèi)的市場(chǎng)催動(dòng)，新能源驅(qū)動(dòng)電機(jī)向著更高功率密度、更高效、更高品質(zhì)、更低成本方向發(fā)展，相應(yīng)涌現(xiàn)出系統(tǒng)集成化、油冷一體化、高速高壓化、新型繞組技術(shù)、新型散熱與冷卻技術(shù)、新型材料與工藝等一系列解決方案。
現(xiàn)階段，新能源驅(qū)動(dòng)電機(jī)的散熱與冷卻方式主要有水冷與油冷，如表1所示，當(dāng)前BEV驅(qū)動(dòng)電機(jī)主要以水冷方式為主，由于可方便與發(fā)動(dòng)機(jī)、變速箱集成，油冷電機(jī)在HEV/PHEV上應(yīng)用廣泛。
表1 現(xiàn)階段主流電機(jī)產(chǎn)品冷卻方式


水冷電機(jī)相對(duì)常見(jiàn)且技術(shù)上也較成熟，按機(jī)殼成型工藝不同，壓鑄殼體多采樣螺旋型水道，內(nèi)外水套端部采用應(yīng)用較成熟的摩擦攪拌焊接；型材拉伸機(jī)殼多采用U型水道，端部采樣O圈密封，如西門(mén)子、博世e-Alxe、博格華納e-DM均采用特殊材料的O圓密封。
相對(duì)水冷，油冷電機(jī)能夠直接冷卻溫度最高的繞組端部，尤其是端部裸露面積更大的扁線繞組效果更明顯，能夠主動(dòng)冷卻到內(nèi)部轉(zhuǎn)子部件，冷卻效果更好 ；同時(shí)有利于電機(jī)與變速箱的集成，提高軸承的潤(rùn)滑冷卻效果；有利于電機(jī)與整車(chē)熱管理系統(tǒng)的集成，環(huán)境溫度較低時(shí)加熱變速箱油提高潤(rùn)滑攪拌效率、加熱電池等部件提高熱利用效率，因此，從整個(gè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)上講，油冷電機(jī)相對(duì)水冷具備一定的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。
如圖1所示，油冷又分為定子噴油與轉(zhuǎn)子甩油等，如通過(guò)機(jī)殼上設(shè)計(jì)噴油管、導(dǎo)油管或增設(shè)其他油路結(jié)構(gòu)噴灑冷卻電機(jī)定轉(zhuǎn)子；或轉(zhuǎn)軸為空心軸，轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)時(shí)通過(guò)軸向/徑向甩油孔冷卻電機(jī)定轉(zhuǎn)子。


圖1 油冷電機(jī)油路示意圖
此外，為進(jìn)一步提升冷卻效果，國(guó)內(nèi)外也有采樣下圖2所示的組合式冷卻方式，在沿用定子水道水冷的基礎(chǔ)上增加轉(zhuǎn)子油冷。



圖2 定子水冷+轉(zhuǎn)子油冷組合冷卻方式
技術(shù)與經(jīng)濟(jì)性優(yōu)劣分析
以應(yīng)用在A級(jí)車(chē)的100-120kW電橋內(nèi)集成OD180驅(qū)動(dòng)電機(jī)為例，參考行業(yè)內(nèi)已成熟應(yīng)用的油冷電機(jī)產(chǎn)品，盡量在同一設(shè)計(jì)水平的前提下對(duì)比分析水冷與油冷電機(jī)的性能與成本差異。
其中，水冷電機(jī)采用螺旋型水道，端部摩擦攪拌焊接；油冷電機(jī)采用定子噴油、轉(zhuǎn)子甩油油路結(jié)構(gòu)，減速箱與電機(jī)間無(wú)油封，減速箱油一部分經(jīng)過(guò)定子導(dǎo)油管對(duì)定子端部繞組進(jìn)行冷卻；另一部分經(jīng)過(guò)電機(jī)空心軸對(duì)電機(jī)軸承與轉(zhuǎn)子磁鋼進(jìn)行冷卻，轉(zhuǎn)軸兩端開(kāi)有徑向油孔，轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)時(shí)甩油到定子端部繞組內(nèi)壁面，進(jìn)一步冷卻定子繞組。
表2 對(duì)比方案設(shè)計(jì)


表3 水冷與油冷電機(jī)技術(shù)與性能對(duì)比


表4 水冷與油冷電機(jī)成本與經(jīng)濟(jì)性對(duì)比


注：為冷卻轉(zhuǎn)子軸承與轉(zhuǎn)子磁鋼，油冷電機(jī)的轉(zhuǎn)子大多要加工成空心軸，不同設(shè)計(jì)與加工工藝對(duì)空心軸成本有一定影響；另外，不同供應(yīng)商油冷配套系統(tǒng)（油泵電機(jī)與控制器、油管、冷凝器、濾網(wǎng)等）的采購(gòu)水平也有差異，因此，受不同加工工藝與采購(gòu)議價(jià)能力影響，不同供應(yīng)商所核算成本會(huì)有一定差異，上述成本結(jié)果僅為大致參考。
小結(jié)
現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)外BEV主流電橋或電機(jī)仍以相對(duì)成熟的水冷方式為主，由于要和發(fā)動(dòng)機(jī)、專用變速箱集成、冷卻與潤(rùn)滑及受制于布置空間，HEV/PHEV上油冷電機(jī)應(yīng)用較為普遍。
1、由于A0、A級(jí)或緊湊SUV等（無(wú)論是租賃市場(chǎng)還是私人消費(fèi)市場(chǎng)領(lǐng)域，現(xiàn)階段主流車(chē)型）整車(chē)運(yùn)行工況對(duì)電機(jī)的持續(xù)性能要求相對(duì)沒(méi)那么敏感；同時(shí)對(duì)于100kW電橋或電機(jī)，功率相對(duì)較小，電機(jī)溫升相對(duì)不是瓶頸因素，因此無(wú)論是常規(guī)的水冷冷卻還是理論上冷卻效果更好的油冷冷卻對(duì)整個(gè)電機(jī)系統(tǒng)的成本、性能影響相對(duì)不大；
2、對(duì)于某些B級(jí)或更高性能車(chē)，最高車(chē)速越來(lái)越高，峰值功率（150-200kW）與持續(xù)功率（Pcon/Ppeak＞2.5）要求高、對(duì)應(yīng)持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、運(yùn)行工況惡略如多次急加急減等組合運(yùn)行工況，電機(jī)的持續(xù)性能與溫升表現(xiàn)相對(duì)關(guān)鍵，此時(shí)，油冷電機(jī)的優(yōu)勢(shì)更易體現(xiàn)出來(lái)；
3、電機(jī)的功率密度要求越來(lái)越高，一些混動(dòng)等對(duì)結(jié)構(gòu)空間布置、軸向尺寸等要求苛刻的場(chǎng)景，油冷電機(jī)表現(xiàn)出一定的競(jìng)爭(zhēng)力；此外，20000rpm以上超高速電機(jī)會(huì)成為后續(xù)技術(shù)趨勢(shì)，對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)子潤(rùn)滑與冷卻成為技術(shù)瓶頸，此時(shí)定轉(zhuǎn)子油冷或定子水冷+轉(zhuǎn)子油冷成為不可或缺的解決方案。
因此，油冷電機(jī)當(dāng)前階段在技術(shù)與應(yīng)用上有了一定的經(jīng)驗(yàn)積累，配套系統(tǒng)也相對(duì)成熟，但小功率規(guī)格的油冷電機(jī)無(wú)論是性能還是成本，相對(duì)水冷還沒(méi)有表現(xiàn)出絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)；技術(shù)成熟度上無(wú)論是溫升一致性、清潔度管控、轉(zhuǎn)子甩油（油速過(guò)低影響冷卻效果，過(guò)高易損傷繞組表面絕緣及形成霧化，影響散熱效果）等還有繼續(xù)提升的空間。
然而隨著市場(chǎng)與配套技術(shù)的進(jìn)一步成熟，整車(chē)對(duì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的功率密度與低溫環(huán)境下續(xù)航里程的要求進(jìn)一步提高，油冷電機(jī)在某些應(yīng)用場(chǎng)合如持續(xù)功率密度要求高、安裝空間苛刻、軸承油封可靠性要求高，尤其是超高速電機(jī)領(lǐng)域會(huì)取得進(jìn)一步應(yīng)用并體現(xiàn)出巨大競(jìng)爭(zhēng)力。 
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