一种新型纯电动汽车电机冷却系统研究.pdf

46汽车工业研究季刊2023年第2 期.新能源NewenergyDOl:10.3969/j.issn.1009-847X.2023.02.010一种新型纯电动汽车电机冷却系统研究孔令洋摘要：基于现有纯电动汽车电机冷却原理及存在问题本文提出一种新型电机冷却系统、冷却控制方法和冷却控制系统。该电机冷却系统将冷却泵、温控单元与电机本体集成在一起，具有不同的循环冷却回路，可简化并缩短整车冷却管路、节约前机舱空间、提高电机冷却效率，满足电机在不同工况下的精准冷却控制要求。关键词：电机冷却系统 冷却控制方法冷却控制系统精准冷却控制前前言随着汽车消费者对纯电动汽车电池的充电时间与充电效率以及整车动力性、经济性和续航里程等要求的不断提高，电机的功率和电压（电流）也逐步提高，电机正朝着智能化、微型化、高效率、节能环保的趋势发展，其热管理系统也朝着智能化与集成化的方向发展。当前多数整车研发企业已将8 0 0 V、上千伏甚至更高电压的高压系统提上研发日程，电机作为纯电动汽车的心脏需具有功率密度高、调速范围宽、过载能力强等特性 3。当汽车在复杂路况中行驶频繁加减速时，电机需有着很高的驱动转矩动态响应性能，在电机转矩急速增加时，其电流也会迅速增大，从而使电机温度迅速增高。当温升过高时会降低电机的工作效率和电机性能，缩短电机使用寿命，更甚者会影响电机的安全运行4，因此需有一套高效智能、控制精准的冷却系统为电机进行冷却降温。电机冷却系统是利用冷却介质将电机工作过程中产生的热量带走，对电机进行快速冷却降温5，从而使电机始终保持在最适宜的工作温度范围。高效智能的冷却系统不仅可以将电机温升控制在电机工作最适应的温度范围、提高电机功率密度和工作效率，从而起到节能降耗的目的，而且还能降低电机故障率并延长电机的使用寿命(6 17 。目前纯电动汽车电机冷却系统根据冷却介质的不同，有风冷、液冷、传导冷却8、氢冷及蒸发冷却等冷却方式9。风冷分为自然风冷和强制风冷两种方式，液冷主要有水冷、油冷及乙二醇等冷却介质，氢冷和蒸发冷却主要应用于大型发电机中12 现有电机冷却系统的冷却原理及存在问题1.1两种常见电机的冷却系统原理在诸多纯电动汽车电机冷却系统中，较为主流的是水冷和油冷两种冷却方式。水冷散热主要依靠电机内部的水道结构，通过冷却水在水道结构中的流动对流换热，带走电机工作时产生的热量。水冷冷却系统相比风冷与油冷两种冷却系统，其在电机水道结构上有着较宽的调整范围，有利于电机迅速散热。常见的纯电动汽车电机冷却系统的冷却原理是由布置在机舱中的冷却水泵驱动冷却水在电机控制器、电机本体及散热器之间往复循环流动，通过冷却水的循环将电机工作产生的热量散发到外界环境，保证电机工作在最适宜的温度范围。有汽车工业研究季刊2023年第2 期47新能源Newewenergy些电机内部的冷却油是在电机本体内的冷却通道及电机热交换器中循环流动，冷却水泵驱动冷却水在电机热交换器与散热器之间往复循环流动，通过电机热交换器对电机进行散热，将电机温升控制在最适宜的温度范围。1.2存在的问题以上提及的两种常见的电机冷却系统原理，均是由布置在机舱中的冷却水泵驱动冷却介质在电机控制器、电机本体、电机热交换器和散热器之间往复循环流动，并且冷却水泵、各种阀体与电机多为分离式。冷却水泵和阀体多布置在前机舱中，不仅占用机舱空间而且机舱管路结构较为复杂、长度也较长。另一方面，现有电机冷却系统的冷却循环回路较为单一，导致电机冷却控制精度偏低。一种新型电机冷却系统2结构为解决上述技术问题，本文提出一种新型电机冷却系统。如图1、图2 所示，冷却系统包括冷却泵2、温控单元3、散热单元4、冷却管路5。其中，冷却泵2 为冷却介质提供循环动力，可设置在电机本体中，443514323442543352图1电机冷却系统简图图2 电机冷却系统示意图石泪坛单单1、电机本体2、冷却泵3、温控单元4、散热单元5、冷却管路31、第一阀门32、第二阀门33、第三阀门41、散热器42、散热风扇43、膨胀壶51、温控进水管52、温控回水管53、散热进水管54、散热回水管48汽车工业研究季刊2023年第2 期新能源Nowewenergy也可集成在电机外壳体上。温控单元3由温度传感器（图中未示出）、第一阀门31、第二阀门32和第三阀门33等构成，可根据冷却介质温度控制其在不同循环回路中的流动。当第一阀门31开启、第二阀门32 和第三阀门33关闭时，第一阀门31和冷却泵2 形成小循环冷却回路。由冷却泵2 泵送冷却介质经温控进水管51、第一阀门31和温控回水管52 再次流回冷却泵2。当第二阀门32 和第三阀门33开启、第一阀门31关闭时，散热单元4和冷却泵2形成大循环冷却回路。冷却泵2 泵送冷却介质经温控进水管51、第二阀门32、散热进水管53、散热单元4、散热回水管54、第三阀门33再次流回冷却泵2。当第一阀门31、第二阀门32 和第三阀门33均开启时，冷却泵2 泵送一部分冷却介质在小循环回路中流动，另一部分冷却介质同时在大循环回路中流动。散热单元4由散热器41、散热风扇42 和膨胀壶43构成，用于加强电机冷却效果、提高冷却速度和效率。散热器41用于快速降低冷却介质的温度，散热器进水口和出水口分别与散热进水管53和散热回水管54连通。散热风扇42 用于驱散散热器41的热量，可安装于散热器41的出风口处4，可以根据设定转速自动旋转，提高散热器的散热效率。膨胀获取冷却介质的温度S310将冷却介质的温度与预设的温度阈值进行比较，并根据比较结果控制冷却介质在第一循环冷却回路和（或）第二循环冷却回路S320中流动图3电机冷却控制方法壶43与散热器41的一端连接，用于存储因高温膨胀产生的多余冷却介质，并且在低温收缩或漏损时对冷却介质进行补给冷却管路5由温控进水管51、温控回水管52、散热进水管53和散热回水管54构成，为冷却介质提供流动通道。冷却系统工作时，由电机输出轴驱动冷却泵2 旋转（也可通过电控控制）。冷却泵带动冷却介质在小循环回路和（或）大循环回路中循环流动，从而将控制器及电机产生的热量带出实现降温冷却。该电机冷却系统管路结构简单，具有不同的循环冷却回路，能满足电机在不同工况下的精准冷却控制要求。新型电机冷却控制方法基于上述电机冷却系统结构，本文提出一种电机冷却控制方法。如图3所示，该电机冷却控制方法包括步骤S310至S320。步骤S310获取冷却介质的温度，可以采用温度传感器监测冷却介质的温度。步骤S320将冷却介质的温度与预设的温度阈值进行比较，并根据比较结果控制冷却介质在小循环冷却回路和（或）大循环冷却回路中流动。其中，温度阈值包括第一温度阈值和第二温度值，可根据比较结果控制冷却介质在小循环冷却回路和（或）大循环冷却回路中循环流动。可以设第一温度阈值为tl，第二温度阈值为t2，冷却介质温度为t。其中，第一温度阈值可以根据电机正常工作所需的最低临界温度设定，第二温度阈值可以根据散热风扇转动所需的最低临界温度设定。（1）当判断冷却介质温度t满足ttl时，第一阀门31开启，第二阀门32 和第三阀门33关闭。此时，冷却泵2 泵送冷却介质由温控进水管51经电机冷却通道、第一阀门31和温控回水管52 再次流回冷却泵2。该种冷却循环方式亦称为小循环冷却，其能够缩短冷却介质在电机内的流通时间，适用于电机在低温工况快速升温且能够迅速达到正常工作温度的冷却需求。（2）当判断冷却介质温度t满足tltt2时，此时第一阀门31关闭，第二阀门32 和第三阀门33开启。冷却泵2 泵送冷却介质由温控进水管51新能源NowewenergyE-QM5经电机冷却通道后，全部的冷却介质经第二阀门32、散热进水管53、散热器41、散热回水管54、第三阀门33和温控回水管52 再次流回冷却泵2，即形成大循环冷却回路。该种冷却循环方式将电机工作产生的大部分热量通过大循环冷却回路中的散热器散发到外部，适用于电机在急加速、高转速或者高负荷等工况下的冷却需求。在冷却介质的温度大于第二温获取电机的转速S410根据冷却介质的温度和（或）电机的转速，调节冷却介质在第一S420循环冷却回路和或第二循环冷却回路中流动的速度图4电机冷却控制方法流程示意图度阈值的情况下，该冷却控制方法还能根据冷却介质的温度调节冷却介质的散热速率。在冷却介质温度tt2时，为了加快散热，可以通过控制散热风扇42 转动加速散热，提高冷却介质的散热速率。可以根据冷却介质的温度设定相应的散热风扇的转速。如图4电机冷却控制方法流程示意图所示，该电机冷却控制方法还包括步骤S410至步骤S420。步骤S410，获取电机的转速可以采用转速传感器获取电机的转速。步骤S420，根据冷却介质的温度和（或）电机的转速，调节冷却介质在小循环冷却回路和（或）大循环冷却回路中流动的速度。可以根据电机的转速和冷却介质的温度判断电机所处的工况，通过调节冷却介质的流动速度，加快或者降低冷却介质的流动速度，满足电机所处工况的冷却需求。新型电机冷却控制系统本文还提出一种新型电机冷却控制系统，该冷却控制系统包括新型电机冷却系统结构、执行该电机冷却控制方法的控制器以及机器可读存储介质。机器可读存储介质上存储有指令，用于使机器执行电机冷却控制方法。汽车工业研究季刊2023年第2 期月4950汽车工业研究季刊2023年第2 期编辑部电话：[phone]投稿邮箱:qcgyyj_.cr新能源Nowewenergy5（1）基于现有电机冷却系统的冷却原理及存在的问题，提出一种新型电机冷却系统结构、冷却控制方法及冷却控制系统。（2）冷却系统将冷却泵、温控单元与电机高度集成，能有效简化并缩短整车冷却管路、节约前机舱空间、提高电机冷却效率（3）冷却系统具有不同的循环冷却回路，能够满足电机在各种工况下的精准冷却控制要求本文所提出的新型电机冷却系统，其冷却泵、温控单元与电机本体高度集成，该新型电机与散热单元之间的连接管路结构简单，可简化车辆前机舱冷却管路结构并节约前机舱内部空间、缩短冷却管路长度并提高电机冷却效率；并且该新型电机冷却系统具有不同的循环冷却回路，根据电机所处的不同工况和实际需求，采用不同形式的冷却方式，提高冷却的精准性，满足电机在不同工况下的精准冷却控制要求。参考文献：1艾志华.纯电动车热泵空调与动力系统集成式热管理系统研究 D.长沙：湖南大学,2 0 18.2 Ahn J H,Kang H,Lee H S,et al.Heating performance characteristics of a dualsource heat pump using air and waste heat inelectric vehiclesJ.Applied 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