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        新能源汽車發(fā)電機溫升問題改進

        2013-06-06 04:34:14夢,喻皓,洪
        機電工程技術(shù) 2013年6期
        關鍵詞:發(fā)電機汽車

        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(guī)車,增加了高壓驅(qū)動系統(tǒng)。驅(qū)動電機系統(tǒng)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(tǒng)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(fā)電機因溫升引起的功率下降現(xiàn)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(fā)電機安裝于汽車前艙、發(fā)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(fā)動機工作時汽油燃燒產(chǎn)生的大量熱能,導致前艙環(huán)境溫度高,電機工作環(huán)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(nèi)部自身散熱渠道和能力有限,從而使得電機內(nèi)部定、轉(zhuǎn)子溫度升高。而電機過熱會導致整車動力性能降低,車內(nèi)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(shù)據(jù))左右,電機控制器將進入降功率運行狀態(tài),此時電池電量逐漸降低。嚴重時會整車會出現(xiàn)高壓掉電。數(shù)據(jù)如圖2所示。

        圖1 某項目發(fā)電機在整車中的布置圖

        圖2 發(fā)電機、電池數(shù)據(jù)

        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(huán)境、設計、材料等方面進行分析和驗證。

        (1)控制策略

        由于發(fā)動機和離合器的發(fā)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(fā)電轉(zhuǎn)速由1 000 r/min提高到1 400 r/min,雖然改變了電機的發(fā)電工作點,提高了發(fā)電效率,但并未解決頻繁掉電的現(xiàn)象。

        (2)外部工作環(huán)境

        由于發(fā)動機工作和離合器頻繁吸合所產(chǎn)生的熱量不可避免,并且發(fā)電機位于散熱器的后下方,汽車運行時,經(jīng)散熱器的熱風(最高溫度約130 ℃)進入前艙,也使得發(fā)電機的工作環(huán)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(yōu)化前艙的結(jié)構(gòu)來改善電機的外部工作環(huán)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(tǒng)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(shù)

        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(jīng)定子鐵芯,機殼內(nèi)壁與外界空氣進行熱交換,兩條路徑都需要通過電機內(nèi)部空氣進行熱傳導??諝獾膶崧蕿?.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(fā)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(nèi)部導熱系數(shù)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(nèi)部導熱能力差的現(xiàn)象,可通過增強散熱通道的導熱系數(shù)來改善電機內(nèi)部的散熱能力,從而降低電機內(nèi)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(shù)。灌膠后真空烘干,減小定子槽內(nèi)氣隙,增大繞組與定子硅鋼片的接觸面積,增加槽內(nèi)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(shù),增大線圈截面積以降低繞組電阻,減少發(fā)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(jié)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(xiàn)高壓掉電的現(xiàn)象。

        表2 樣機測試結(jié)果

        3 總結(jié)

        本文針對新能源車自然冷卻發(fā)電機溫升問題引起的功率下降提出了技術(shù)改進。闡述了電機發(fā)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(xiàn)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(qū)動電機系統(tǒng)[J].汽車與配件,2012(41):38-41.

        [2]唐任遠.現(xiàn)代永磁電機理論與設計[M].北京:機械工業(yè)出版社,1997.

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