电动汽车驱动电机冷却技术研究发展综述

动电机需要经常性的启停、加速、减速，在上坡时需要高转矩，而在高速行驶时需要低转矩，需要有较宽的变速范围。因此通工业电机相比，电动汽车驱动电机在负载要求、设计方案等方面有着更为特殊的需求，其相对于普通工业电机体积更小、最高转速更高、过载能力更强，同时所面对的运行工况更加复动汽车驱动电机在工作过程中，其内部器件些损耗会以热的形式体现，导致电机整体温度升高。电机高会导致驱动电机绕组绝缘老化加快、定转子发生形变、寿命降低等不良后果，大大降低了驱动电机的可靠性和安全性。因此，基于温升预测求解的损耗计算和冷却结构在电动汽车驱动电机设计初期有着非常重要的现实意义。本文以电动汽车驱动电机“热的来源－热的处理－实际应用”为主线，首先对电动汽车驱动电机温升的来源－损耗原了简述，进而对近年来国内外电动汽车驱动电机冷却设计按照自然冷却、强迫风冷、液冷的分类方式对其研究现状进行了阐述，并提供了相应的实际案例，总结了近年来电动汽车驱动电机冷却1、电动汽车驱动电机损耗计算电动汽车驱动电机温升的热源就是电机内各部分所产生的每个部位的产热原理有所不同。目前主流的损耗计[1-2][3-5],该方法就是将电机划分为有限元模型，将连续的求解域剖分成若干个单元，使其离散化，将每个单元的解通过连续函数进行近似描述损耗主要包括电磁损耗和机械损耗，其中机械损耗主要包括通风损耗以及摩擦损耗，通常对于大型电机影响较大，然而要精准计算出这些损耗非常困难，因此在电动汽车驱动电机这类中小型电机温度场的研究中，一般不考虑机械损耗这个因素。电绕组铜耗、铁心损耗和永磁体涡流损耗组成。电磁场的损耗结果会以热载荷的形式输入到温度场有限元分析或以热源的形式[6-7]。根据第一电动研究院数据，2021年1月新[4]。从数据可以看出，永磁同步电机逐渐成为了电动汽车乘用车种类主力，因此本节主要介绍永磁同步电机内各部分的损耗绕组铜耗在电动汽车驱动电机损耗中占比较大，为定[8]为PCu=mI2aveR0(1)式中：PCu为铜耗；m为电机相数；Iave绕组铜耗由欧姆损耗和涡流损耗两部分构成，其中涡肤效应、内部临近效应以及外部交变磁场的[9]。对于欧姆损耗来说，由于电动汽车驱动电机在运行时温度不断变化，绕组的电阻值也在不断改变，绕组的欧姆损耗也随之[10]。度效应的绕组电阻模型为0[1+α(T-T0)]。(2)式中：Rp为温度为T时的绕组电阻值；R0为温度为T0时绕组的阻值；α为电阻温度系数；T为电机环境温度；T0为起始[11],e(3)式中：Pfe为单位重量的铁心损耗；Ph为单位重量的磁滞损耗；c为单位重量的额外损耗；Pe为单位重量的涡流损耗。目前大量的文献提出了许多不同的计算模型[12-15],其中被广为使用的Bertotti铁耗分离模型为(fBmax)1.5+Ke(fBmax)2（4）式中：PV为单位重量的总铁心损耗；Kh为磁滞系数；Kc为额外损耗系数；Ke为涡流损耗系数；f为磁通密度的交变频率；Bmax为对于永磁同步电机来说，相比于铁心损耗和绕组铜耗，永磁体的涡流损耗数值较小，在一些情况下可以忽略其对电机温升的影响。但是对于分数槽绕组结构的永磁电机来说，电枢反应磁动势的谐波磁动势较大，同时永磁体的电导率较高，电机运行旋转时，永磁体内感应产生涡流，产生损耗进而导致永磁体温度升高，温升过高时可能还会造成永磁体不可逆退磁的后果[16-18]。目前在计算永磁体涡流损耗时，为了方便计算通常假设每一块永磁体尺寸大小相等并且各相同性，电导率磁导率为定值，不受温度或磁场等因素影响。永磁体涡流损耗公式[19]为式中：V为涡流损耗空间积分区域；σ为永磁体电导率；E为电场强度；Jw为涡流密度。电动汽车驱动电机计算多数采用有限元计算来保证计算效率及精度。电机在正常运行中其损耗不仅受各类电磁参数的影响，同时也受复杂物理场耦合因素的影响，如电磁场、流场和机械场，场与场之间相互作用，会对最终得到的计算结果造成影响。近年来随着多物理场耦合研究的不断发展，物理场的分布越来越精确，参数的变化规律也更加清晰，电机损耗计算的精度也在不断提高[20-33]。2、电动汽车驱动电机冷却结构研究现状由式(2)可以发现电动汽车驱动电机绕组的温度升高会增加绕组阻值，进而增大了绕组铜耗。另外，过高的温升也会降铁心、永磁体等磁性材料的性能，增大电机的铁心损耗[34]冷却结构以降低其温升，保证驱动电机的正常运行。高散热系统能够将驱动电机运行中所产生的热量快速传递至外部，避免热量在电机内部聚集，使驱动电机始终在合适的温度下工作，2.1自然冷却[35],适用于可靠性较高、工作环境通风良好的电机。机壳是将热量从内部传导到周围环境的主要路加传热系数、散热片表面积，可以提高散热片的传热速率。然而，自然对流换热系数取决于环境条件，因此改善自然对流换热的一种常用方法是扩大散热片面积。但是增大散热片面积会增加气流[36][37-42]时使散热片的重量和体积最小化。然而，自然冷却方法只适用于低功率或具有足够传热区域的大型电机，因此很少应用在电动汽受限于电动汽车驱动电机复杂的工作环境，自然冷却要求。强迫风冷结构一般采用风扇系统提高电(m2·K)，而强迫风冷散热系统的热传导率可以达到/(m2·K)，显著提高了电机的冷却效率[43]。冷结构，虽然强迫风冷比液冷效率要低得多，但是在总通过热模拟研究了带有空冷的转子结构对径向磁通永磁[46]实验表明，转子冷却使高速运转时的永磁体温度地扩大了可能连续运行的区域以及可能的过载，电机的热利用率按照电机内部风路和外部风路的连通形式，可以将强系统分为开启式和封闭式系统。内－外风路相连通的为强迫风冷散热系统，其特点是外部空气可以进入电机内部行热交换，散热效率较高；内－外风路不相连通的为封迫风冷散热系统，该系统是借助电机内部的同轴风扇，以[47]文献［48］以一台紧凑型电动汽车的20kW永磁电机为研究对象，提出了一种适用于开启式强迫风冷散热的定子铁心内部证了该方案的有效性，结果表明该方案可以有效的提高开启式强迫风冷散热系统虽然有着较高的散热效程中空气中的灰尘极易进入电机内部，影响冷却效果，所以需要对定性，因此无法保证开启式强迫风冷散热系统运行的稳定性。封[49]冷散热系统，如图4[49]入了转子通风道。电机轴端的扇叶驱动气流在电机定、转子间隙及转子通风道中流动，再通过机壳表面的散热翅片与外界进交换，冷却后的气流再进入电机内部进行下一次循环。经测得该系统额定负载下电机各部件的温升，结果表明该系统性高等优点，其冷却效率主要由散热翅片的结构设计、流体通道的分布位置、流体流量以及机壳表面的散热系数等因素决液冷散热结构是在电机机壳内部或电机内部设计密封的循环流道，冷却介质通过机壳水套、定子通道、转子通道等冷却结交换的一种电机冷却方案。按照冷却介质可以将液冷散为水冷散热和油冷散热两类。液体冷却方案适用于大功率通过自然散热无法达到冷却要求的应用情况。液体冷用较多的高热容液体冷却介质为水、乙二醇和变压器油之外水还具有无污染、成本低等特点，因此得到了广泛了改善水介质凝固点较高、沸点较低的缺点，在使用过程中会采用水－乙二醇混合溶液，以降低介质的凝固点，提散热系统整体的环境适应性。另外，水冷散热系统在长时间工作过程中易产生水垢腐蚀机壳，因此在使用时还应该添加抗腐[50]。水冷散热系统主要是通过在机壳内部、定子铁心等部环流道以达到散热的目的。近年来，国内外学者对电电机冷却水套流体分析进行了深入探索，并取得了较[55][55]所示。实验结果表明，增加通路数或提高流速会降低电机的最高温度，同时所需的泵功率也会增加。此外，研究发现多端口系统对于降低电机的最高温度并没有什么实质性用处。与相同操作[56]利用二维有限元法生成的损耗图和热集总参数网络，其中一部分是波浪形、螺旋形水套式冷却结构，另一种[56]利用三维共轭传热模拟软件对冷却液对流换热进行表明，两种类型水套的性能非常相似，其中螺旋形水套和损耗略低。当使用弯曲冷却方案时，低速连续扭矩比冷却的方案高出27N·m,在高速水平下略低于波浪形水套。与波形通道和螺旋通道相比，弯曲式冷却结构还内保持较高的扭矩水平，并且驱动循环能量损失和绕组温度都较文献[57]以小型电动汽车用水冷感应电机为例，推导了冷却系统结构参数、冷却面积、对流换热系数和流体流动阻力关系。建立了水冷电机流场和温度场的耦合数学求解模型，了水套数对电机内部温度和流体流动阻力的影响。根和仿真结果，提出了水冷电机冷却系统的优化设计方案，于热源和冷却介质之间的高热阻，通常不足以针对此类电机，可以对其发热严重部分设计专用冷却结[58][58]者建立了详细结构的热模型，细述考虑电动汽车主要条件的热分析程序，并对冷却系统的尺寸、冷却液入口温度和流量等参数进[59]以新型无磁轭分段电枢轴向磁通轮毂电机为研究对象，[59]的内表面，绕组固定在靠近翅片的地方，另一个特点是U型水冷却管道集成在散热片内。冷却系统中从绕组中产生的热量可以直接传递到散热片上，然后被散热片内的水冷却管中的液体带走，以达到散热的目的，从而有效降低定子绕组与水冷却文献[60]提出了一种改进的非接触引入式(non-cont actlead-in,NCLI)冷却结构，如9[60]该结构采用孔板分隔水道，通过向安装在定子两侧的水提供冷却水来散热。从流－热耦合计算结果可以非接触式引入冷却结构可以实现对该轮毂电机定子部件文献[61]基于电动汽车用轴向磁通永磁同步电机设计了410[61]所示。实验结果表明，在考虑的最佳选择。通过优化冷却结构的通道数、径向长得出了提高冷却效率的最佳参数。为提高轴向磁通电机热分析计算效率，推导了冷却水最佳进口速度的计算公式，并通过有限元仿真验证了该方法的准确性，为改进永磁同步电机热管理提供了电机来说，水冷结构存在两大难点：一是管道连接复杂，二封结构存在绝缘安全问题。油介质具有较好的绝缘特性，沸机内部与电机绕组、定子铁心等发热严重部件直接进行热交换，称作直接油冷。另外，油介质也可以在机壳内部的流道中循环流动达到散热的目的，称作间接油冷。其中直接油冷可以分为式和喷油式两种形式。浸油式油冷是指将电机的定转子都浸冷却油中，该方案有着较好的冷却效果同时可以降低电机工声[62]量损耗；喷油式油冷是将冷却油喷淋到机壳内表面及定子端部，[63]。文献[64]以电动汽车用发夹绕组式电机为研究对象，研究了喷油方式对电机冷却性能的影响。采用油冷却方法电性能与油和线圈的接触面积成正比。研究结果表明滴水圈上形成油膜越厚，其对发夹式电机的冷却越有效，如图11[64]所示。文献提出了采用端部绕组浸油冷却结构和定12[65]所示。根据油冷电动汽车用永磁同步电机在额定工况下的试验结果可以看出，结构的油冷电机的温升低于水冷电机，电机前后温差在降低18℃。目前，水冷散热系统在电动汽车驱动电机领域仍占领着主导地位。但是水冷散热系统目前存在也许多缺点，如管道内污渍、腐蚀、泄漏以及污染。冷却通道内残留的污渍可能导致流动阻力显著上升，导致冷却效率下降。因此为了驱动电机运行的安全性和稳定性，需要对水冷散热系统的循环管路进行更可靠的密封。直接油冷散热系统的散热效率要远高于水冷散热系统，但是该系统需要非常严格的过滤系统对油介质进行过滤，防止油中的杂质对电机内部的绝缘造成损害。这就导致油冷散热系统成本要高于水冷散热系统，因此其应用规模目前不如3电动汽车冷却系统应用实例尼桑日产LEAF电动汽车配备了一台永磁电机，设计了水套冷却散热系统，其驱动电机及冷却结构分布如图13[36]所示。该冷却结构架设于定子上方，同时为了保证冷却性能，该散热系统采用了EGW50/50Zytek所制造的电动汽车用永磁同步电机采用了双冷却散热系统，如图14[36]组成，风扇驱动流体循