某新能源汽車電機冷卻系統的設計

范王龍

(漢騰汽車研發中心，江西上饒 334100)

某新能源汽車電機冷卻系統的設計

范王龍

(漢騰汽車研發中心，江西上饒 334100)

為保證所研究車型電機組合能夠在合理高效的溫度范圍內工作，采用水冷卻的形式，利用Flowmaster、CFD等CAE手段，在項目前期精確估算各個零部件在不同工況下的溫度情況，提高設計穩健性。最后通過實驗驗證設計的可靠性，大大節省項目時間。

純電動汽車；電機；冷卻系統；Flowmaster計算

0 引言

汽車的發展推動了現代社會的進步，促進了地區之間人和物的交流并提高了人們出行的便捷性和舒適性，但同時也帶來了能源消耗和環境污染等問題。因此，新型能源低污染甚至零污染的汽車開發越來越重要。根據環境保護部發布的《2017年中國機動車污染防治年報》顯示：2016年全國機動車保有量達2.95億輛，比2015年增長8.1%，全國機動車排放污染物初步核算為4 472.5 t，比2015年削減1.3%。這主要得益于新能源汽車的開發與市場占有量的快速上升。

以電動汽車為代表的新能源汽車將是解決汽車工業化可持續發展的重要且行之有效的途徑。純電動汽車采用蓄電池、電機組合等零件取代傳統汽車發動機作為驅動源，用電能代替傳統柴、汽油，大大降低了傳統能源的消耗及環境的污染。

1 冷卻系統基本原理

純電動汽車整車蓄電池放電帶動電動機轉動，在電能轉化成動能的過程中會釋放大量的熱。基于原始傳動車型冷卻系統的設計原理及各相關零部件性能，去除發動機、發動機散熱器及相關零部件，增加動力蓄電池、電動機、電子水泵及相關控制元件開發新的純電動汽車。由于風扇開發成本高，此車電子風扇借用原車，重新開發冷卻系統。

此車冷卻系統的原理設計詳細參考圖1—圖2。

該車型電機系統冷卻設計原理介紹：此車型電機系統采用水冷方式冷卻，依靠圖2中的電動水泵作為水循環動力源。通過讀取傳感器感應的冷卻回路水溫來控制水泵的占空比，通過控制水泵的占空比控制水泵的泵水能力，使電機系統放出的熱量被流經的水吸收，水的熱量通過散熱器散發給大氣，整個循環最終達到一個平衡，以達到冷卻系統設計目標。

圖1 被研究車型前端模塊的布置

圖2 被研究車型電機系統冷卻設計方案

2 相關零部件的介紹及其性能參數的設計和相關要求

2.1 HS2系統

此車型的電機系統是由國內知名XX供應商提供的動力系統，包括P0電機、P0電機逆變器、P3電機逆變器、P3電機。其功能是將蓄電池提供的電能轉化成動能傳遞給半軸，達到驅動車輛的效果。對此研究有影響的基本參數如表1、表2所示。

HS2系統冷卻回路其他要求如表3所示。

表1 冷卻液回路冷卻液壓降性能(廠家實際測量值)

表2 最大散熱性能(廠家實測)

表3 HS2系統冷卻回路其他要求

2.2 電子水泵

電子水泵是冷卻液循環的動力源，水泵在旋轉過程中，會在葉輪前造成一個低壓吸頭，把進口處的冷卻水吸入水泵，進入水泵葉輪的冷卻水從葉輪獲得能量使壓力升高，并在離心力的作用下甩出葉輪，進入水泵蝸殼，在蝸殼的導向下流出水泵獲得動能。

遵循能量守恒定律，當水泵所提供的靜壓等于閉合回路中所有其他元件的壓力損失時，此時回路達到一個平衡：

p水泵=pHS2+pRAD+pHose+pbottle

2.3 電子風扇

HS2系統的散熱量通過水泵傳遞到散熱器，再通過散熱器的熱交換從冷卻水側傳遞到冷卻空氣側，最終由空氣散給環境。在整車靜止或者低速時，冷卻空氣的流動是由風扇驅動的。由于此課題的基礎車型有已完成開發的風扇，作者借用原車風扇，在整車上進行優化。風扇性能：在靜壓180 Pa時風量大于等于2 400 m3/h(此性能是基于風扇高速擋狀態下的性能曲線)。

圖3 風扇性能曲線圖

2.4 散熱器

文中所采用的散熱器是交叉流動的非接觸式汽水散熱器。電子水泵把HS2系統的散熱量通過冷卻水的循環傳遞到散熱器，再通過散熱器的冷卻水管把冷卻水的熱量傳遞給冷卻空氣，再由空氣散發到大氣環境中。所以在冷卻系統循環過程中流體的流量大小、冷卻空氣的流量大小、零部件的熱交換性能是直接影響冷卻系統冷卻效率的因素。

根據整車現有的布置形式和布置空間，為最大限度地設計高效能的散熱器，利用初始設置的散熱器性能，采用CFD方法進行校核。初始設計的散熱器性能參數如表4所示。

表4 電機回路散熱器性能參數(冷卻液為50%乙二醇、50%蒸餾水，液氣溫差30 ℃，環境溫度35 ℃)

2.5 儲液壺和水管

儲液壺的作用是儲存冷卻液體，防止整個閉路循環的冷卻液因揮發消耗而缺液體及水溫升高后膨脹溢出；水管的作用是連接回路中各個零件，給冷卻液體一個傳遞的路徑。文中不再贅述。

3 系統之間零部件的匹配計算

采用Flowmaster 和CFD軟件進行分析。其中Flowmaster主要進行二維冷卻液流量分布情況和溫度分布情況。

3.1 系統原理設計

系統原理及布置安裝參考圖2。系統模型如圖4所示。

3.2 參數設計

(1)HS2系統

HS2系統是此課題的高階布置，是在項目前期產品策略所決定的，故HS2系統性能參數的輸入參照HS2系統介紹內容。

圖4 Flowmaster電機冷卻系統模型

(2)水泵的選型

由于HS2系統對系統流量的要求是6～16 L/min，對于散熱器來說，冷卻液流量越大，其冷卻能力越強，故在初步設計時，為最大限度地降低散熱器要求，冷卻水流量定義為最大16 L/min。根據系統流量的初步設定可以進行水泵的選型。

文中選取100 W、揚程為11 m的水泵。

Flowmaster耦合計算如圖5所示。

經Flowmaster耦合計算，選用CWA100型號水泵時，系統冷卻水流量為15.7 L/min，是較為理想的型號。

(3)系統溫度的計算

系統要求：

①高速工況：在外界環境溫度43 ℃、濕度50%的條件下，車輛以EV模式、100 km/h的速度、0%坡度行駛，P3電機入口溫度不得大于65 ℃。此工況下零件溫度分布如圖6所示。

②低速爬坡工況：在外界環境溫度43 ℃、濕度50%的條件下，車輛以EV模式、30 km/h的速度、12%坡度行駛，P3電機入口溫度不得大于65 ℃。此工況下零件溫度分布圖如圖7所示。

說明：計算冷卻液溫度時，作者采用的是反證法，假設按照各個零部件要求，以要求入口溫度不大于65 ℃為邊界，根據Q=CmΔt，則溫度變化

Δt=Q/Cm

式中：Q為熱量；C為比熱容；m為流經液體質量。

圖6 43 ℃，車輛在100 km/h速度，0%坡度狀態下，零件溫度分布圖

圖7 43 ℃，車輛在30 km/h速度，12%坡度狀態下，零件溫度分布圖

因為此課題造型設計方案還沒有凍結，CFD無法計算系統進風量，故采用先計算出散熱器的散熱能力來要求進風量。

經Flowmaster軟件計算可知：在43 ℃外界環境中，30 km/h車速，12%坡度時散熱器要求從66.64 ℃降到62.63 ℃；在43 ℃外界環境中，100 km/h車速，0%坡度時散熱器要求從66.44 ℃降到62.94 ℃。

根據空氣側Q=CmΔt計算得：在43 ℃外界環境中，30 km/h車速，12%坡度時需要通過散熱器的風量為2.01 m/s；在43 ℃外界環境中，100 km/h車速，0%坡度時需要通過散熱器的風量為1.62 m/s。

經后期造型模型確定后，CFD計算測得：在43 ℃外界環境中，30 km/h車速，12%坡度時需要通過散熱器的風量為2.101 m/s>2.01 m/s；在43 ℃外界環境中，100 km/h車速，0%坡度時需要通過散熱器的風量為5.805 m/s>1.62 m/s。

計算結果分析：

車輛在低速爬坡或者高速情況下，電機均處于滿負荷狀態下工作，此時電機散熱量理論上是最大的，但是由于車速越高，流經電機散熱器的風速越大，電機散熱器的散熱效率越高，故在高速條件下，熱風險小，在低速條件下，熱風險大。

30 km/h車速、12%爬坡情況下，前倉風速為2.101 m/s與最低要求2.01 m/s非常接近，說明此計算是接近現實的。

上述結果表明冷卻系統的設計達到設計要求。

4 實驗對標及小結

由CAE分析結果及各工況實驗數據對比，冷卻系統在43 ℃外界環境中、30 km/h車速、12%坡度時，電機冷卻系統的溫度是最高的。將主要研究最惡劣條件下的試驗數據，其他數據不一一羅列。

在43 ℃外界環境中、30 km/h車速、12%坡度時，TASE實驗結果顯示在1 h內回路中所有零部件溫度最高為62.6 ℃，滿足所有零部件要求。

與CFD計算結果的差異性主要是由于冷卻系統造型的進風量大于要求的進風量。實際系統表現略微優于計算結果，這是整車可接受的。

5 對未來的展望

冷卻系統的設計包含水泵的選型設計、風扇的選型設計、散熱器的選型設計，這些必須要在整車可靠性基礎上進行匹配設計。同時如何通過更加緊湊的零部件設計，利用最低的零件成本、開發成本、開發周期，匹配出合理高效的冷卻系統是冷卻系統設計一直不變的研究方向。

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DesignofElectricMotorCoolingSystemofOneNewEnergyAutomobile

FAN Wanglong

(Hanteng Automotive R & D Center,Shangrao Jiangxi 334100,China)

In order to guarantee the electric motor could work in a reasonable and efficient temperature range, water cooling system was designs. Using CAE methods such as Flowmaster and CFD, the temperature of each component under different working conditions was precisely estimated at the early stage of the project,to improve the design robustness.Finally, the reliability of the design was verified by experiment and the project time was saved greatly.

Battery electric vehicle；Electric motor; Cooling system; Flowmaster calculation

2017-09-14

范王龍(1988—)，男，本科學歷，助理工程師，從事發動機冷卻系統、新能源汽車冷卻系統研究開發工作。E-mail：441270060@qq.com。

10.19466/j.cnki.1674-1986.2017.12.007

U469.72

A

1674-1986(2017)12-028-06