新能源汽車發電機溫升問題改進

譚 夢，喻 皓，洪 兢

（廣州汽車集團股份有限公司汽車工程研究院，廣東廣州 510640）

0 前言

新能源車相比常規車，增加了高壓驅動系統。驅動電機系統因為是整車的動力輸出單元，也被稱為電動汽車的“心臟”[1]。作為電機系統的核心部件之一，電機溫升過高影響整車的動力性能及駕駛舒適性，本文就汽車發電機因溫升引起的功率下降現象進行分析并提出改進措施。

1 原因分析

1.1 基本介紹

某款新能源車的發電機安裝于汽車前艙、發動機與變速箱之間，如圖1所示。

電機與變速箱之間的離合器頻繁斷開吸合，以及發動機工作時汽油燃燒產生的大量熱能，導致前艙環境溫度高，電機工作環境惡劣，同時受空間限制，雖在電機殼體外部設計了散熱片加強外部散熱，但由于采用無強迫通風式冷卻，電機內部自身散熱渠道和能力有限，從而使得電機內部定、轉子溫度升高。而電機過熱會導致整車動力性能降低，車內舒適度差，混動模式失效。當電機溫度升至140 ℃（電機電樞繞組溫度傳感器采集數據）左右，電機控制器將進入降功率運行狀態，此時電池電量逐漸降低。嚴重時會整車會出現高壓掉電。數據如圖2所示。

圖1 某項目發電機在整車中的布置圖

圖2 發電機、電池數據

1.2 原因分析

為更好地梳理導致電機溫升過高的原因，本文從控制、環境、設計、材料等方面進行分析和驗證。

（1）控制策略

由于發動機和離合器的發熱量無法精確測量，最初預估汽車前艙工作溫度為85 ℃，設定了電機工作溫度保護閾值為120 ℃，但實際前艙的工作溫度達到了近105 ℃，后將溫度保護閾值提高到了140 ℃，并且將怠速發電轉速由1 000 r/min提高到1 400 r/min，雖然改變了電機的發電工作點，提高了發電效率，但并未解決頻繁掉電的現象。

（2）外部工作環境

由于發動機工作和離合器頻繁吸合所產生的熱量不可避免，并且發電機位于散熱器的后下方，汽車運行時，經散熱器的熱風（最高溫度約130 ℃）進入前艙，也使得發電機的工作環境溫度進一步上升。而前艙的空間緊湊，零部件散熱改進空間有限，基本無法通過優化前艙的結構來改善電機的外部工作環境。

圖3 電機永磁體材料磁感應強度隨溫度變化曲線

（3）電磁設計

電機在低速運行時效率普遍比較低，但電機系統的整體效率仍然能夠滿足整車的要求。因此電磁設計不合理不是電機過熱的根本原因之一。

（4）定子導熱系數

由電機導熱路徑分析，無論熱量是從定子繞組傳到端蓋與外界空氣進行熱交換，還是經定子鐵芯，機殼內壁與外界空氣進行熱交換，兩條路徑都需要通過電機內部空氣進行熱傳導。空氣的導熱率為0.023 W/mK，是后端蓋鋁材料導熱率的1/5 000是定子鐵芯硅鋼片導熱率的1/2 100，空氣的低導熱率直接導致定子繞組的熱量對外擴散緩慢。

（5）定子沖片材料磁阻

更換電機定子硅鋼片材料由B35AV1900 改為B27AHV1500，降低電機的鐵耗，但電機低速下發熱量減小不明顯。

從以上分析和驗證可看出，導致電機溫升最主要的原因是電機內部導熱系數小，散熱差。可針對性地進行改進。

2 改進及效果確認

針對電機內部導熱能力差的現象，可通過增強散熱通道的導熱系數來改善電機內部的散熱能力，從而降低電機內部溫度。

方法1：在定子繞組端部、定子槽、鐵芯外徑處分別灌注導熱膠，以增強導熱路徑的導熱系數。灌膠后真空烘干，減小定子槽內氣隙，增大繞組與定子硅鋼片的接觸面積，增加槽內繞組的熱傳導效率。

方法2：對定子電樞繞組增加線圈導體數，增大線圈截面積以降低繞組電阻，減少發熱量。

采用不同的改進措施組合制作了4 臺樣機，并對其進行了測試。改進措施以及試驗結果分別如表1、表2所示。

表1 4臺樣機及措施實施

表2 中可看出電機的降功率運行問題得到了不同程度的改善，其中樣機4，即水冷樣機的改進措施最為顯著，整車測試中也未出現高壓掉電的現象。

表2 樣機測試結果

3 總結

本文針對新能源車自然冷卻發電機溫升問題引起的功率下降提出了技術改進。闡述了電機發熱的原因和改進措施。通過試驗驗證有效改善了降功率運行的現象，為今后的汽車電機設計提供了一定的參考。

［1］應紅亮.新能源汽車的驅動電機系統［J］.汽車與配件，2012（41）：38-41.

［2］唐任遠.現代永磁電機理論與設計［M］.北京：機械工業出版社，1997.