范王龍

(漢騰汽車研發(fā)中心，江西上饒 334100)

某新能源汽車電機冷卻系統(tǒng)的設(shè)計

范王龍

(漢騰汽車研發(fā)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(nèi)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(shè)計穩(wěn)健性。最后通過實驗驗證設(shè)計的可靠性，大大節(jié)省項目時間。

純電動汽車；電機；冷卻系統(tǒng)；Flowmaster計算

0 引言

汽車的發(fā)展推動了現(xiàn)代社會的進(jìn)步，促進(jìn)了地區(qū)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(huán)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(fā)越來越重要。根據(jù)環(huán)境保護部發(fā)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(dá)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(fā)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(yè)化可持續(xù)發(fā)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(tǒng)汽車發(fā)動機作為驅(qū)動源，用電能代替?zhèn)鹘y(tǒng)柴、汽油，大大降低了傳統(tǒng)能源的消耗及環(huán)境的污染。

1 冷卻系統(tǒng)基本原理

純電動汽車整車蓄電池放電帶動電動機轉(zhuǎn)動，在電能轉(zhuǎn)化成動能的過程中會釋放大量的熱?；谠紓鲃榆囆屠鋮s系統(tǒng)的設(shè)計原理及各相關(guān)零部件性能，去除發(fā)動機、發(fā)動機散熱器及相關(guān)零部件，增加動力蓄電池、電動機、電子水泵及相關(guān)控制元件開發(fā)新的純電動汽車。由于風(fēng)扇開發(fā)成本高，此車電子風(fēng)扇借用原車，重新開發(fā)冷卻系統(tǒng)。

此車?yán)鋮s系統(tǒng)的原理設(shè)計詳細(xì)參考圖1—圖2。

該車型電機系統(tǒng)冷卻設(shè)計原理介紹：此車型電機系統(tǒng)采用水冷方式冷卻，依靠圖2中的電動水泵作為水循環(huán)動力源。通過讀取傳感器感應(yīng)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(tǒng)放出的熱量被流經(jīng)的水吸收，水的熱量通過散熱器散發(fā)給大氣，整個循環(huán)最終達(dá)到一個平衡，以達(dá)到冷卻系統(tǒng)設(shè)計目標(biāo)。

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(tǒng)冷卻設(shè)計方案

2 相關(guān)零部件的介紹及其性能參數(shù)的設(shè)計和相關(guān)要求

2.1 HS2系統(tǒng)

此車型的電機系統(tǒng)是由國內(nèi)知名XX供應(yīng)商提供的動力系統(tǒng)，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(zhuǎn)化成動能傳遞給半軸，達(dá)到驅(qū)動車輛的效果。對此研究有影響的基本參數(shù)如表1、表2所示。

HS2系統(tǒng)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(tǒng)冷卻回路其他要求

2.2 電子水泵

電子水泵是冷卻液循環(huán)的動力源，水泵在旋轉(zhuǎn)過程中，會在葉輪前造成一個低壓吸頭，把進(jìn)口處的冷卻水吸入水泵，進(jìn)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(jìn)入水泵蝸殼，在蝸殼的導(dǎo)向下流出水泵獲得動能。

遵循能量守恒定律，當(dāng)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(dá)到一個平衡：

p水泵=pHS2+pRAD+pHose+pbottle

2.3 電子風(fēng)扇

HS2系統(tǒng)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(cè)傳遞到冷卻空氣側(cè)，最終由空氣散給環(huán)境。在整車靜止或者低速時，冷卻空氣的流動是由風(fēng)扇驅(qū)動的。由于此課題的基礎(chǔ)車型有已完成開發(fā)的風(fēng)扇，作者借用原車風(fēng)扇，在整車上進(jìn)行優(yōu)化。風(fēng)扇性能：在靜壓180 Pa時風(fēng)量大于等于2 400 m3/h(此性能是基于風(fēng)扇高速擋狀態(tài)下的性能曲線)。

圖3 風(fēng)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(tǒng)的散熱量通過冷卻水的循環(huán)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(fā)到大氣環(huán)境中。所以在冷卻系統(tǒng)循環(huán)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(tǒng)冷卻效率的因素。

根據(jù)整車現(xiàn)有的布置形式和布置空間，為最大限度地設(shè)計高效能的散熱器，利用初始設(shè)置的散熱器性能，采用CFD方法進(jìn)行校核。初始設(shè)計的散熱器性能參數(shù)如表4所示。

表4 電機回路散熱器性能參數(shù)(冷卻液為50%乙二醇、50%蒸餾水，液氣溫差30 ℃，環(huán)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(huán)的冷卻液因揮發(fā)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(tǒng)之間零部件的匹配計算

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

3.1 系統(tǒng)原理設(shè)計

系統(tǒng)原理及布置安裝參考圖2。系統(tǒng)模型如圖4所示。

3.2 參數(shù)設(shè)計

(1)HS2系統(tǒng)

HS2系統(tǒng)是此課題的高階布置，是在項目前期產(chǎn)品策略所決定的，故HS2系統(tǒng)性能參數(shù)的輸入?yún)⒄誋S2系統(tǒng)介紹內(nèi)容。

圖4 Flowmaster電機冷卻系統(tǒng)模型

(2)水泵的選型

由于HS2系統(tǒng)對系統(tǒng)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(shè)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(jù)系統(tǒng)流量的初步設(shè)定可以進(jìn)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(jīng)Flowmaster耦合計算，選用CWA100型號水泵時，系統(tǒng)冷卻水流量為15.7 L/min，是較為理想的型號。

(3)系統(tǒng)溫度的計算

系統(tǒng)要求：

①高速工況：在外界環(huán)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(huán)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(shè)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(jù)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(jīng)液體質(zhì)量。

圖6 43 ℃，車輛在100 km/h速度，0%坡度狀態(tài)下，零件溫度分布圖

圖7 43 ℃，車輛在30 km/h速度，12%坡度狀態(tài)下，零件溫度分布圖

因為此課題造型設(shè)計方案還沒有凍結(jié)，CFD無法計算系統(tǒng)進(jìn)風(fēng)量，故采用先計算出散熱器的散熱能力來要求進(jìn)風(fēng)量。

經(jīng)Flowmaster軟件計算可知：在43 ℃外界環(huán)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(huán)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(jù)空氣側(cè)Q=CmΔt計算得：在43 ℃外界環(huán)境中，30 km/h車速，12%坡度時需要通過散熱器的風(fēng)量為2.01 m/s；在43 ℃外界環(huán)境中，100 km/h車速，0%坡度時需要通過散熱器的風(fēng)量為1.62 m/s。

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

計算結(jié)果分析：

車輛在低速爬坡或者高速情況下，電機均處于滿負(fù)荷狀態(tài)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(jīng)電機散熱器的風(fēng)速越大，電機散熱器的散熱效率越高，故在高速條件下，熱風(fēng)險小，在低速條件下，熱風(fēng)險大。

30 km/h車速、12%爬坡情況下，前倉風(fēng)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(xiàn)實的。

上述結(jié)果表明冷卻系統(tǒng)的設(shè)計達(dá)到設(shè)計要求。

4 實驗對標(biāo)及小結(jié)

由CAE分析結(jié)果及各工況實驗數(shù)據(jù)對比，冷卻系統(tǒng)在43 ℃外界環(huán)境中、30 km/h車速、12%坡度時，電機冷卻系統(tǒng)的溫度是最高的。將主要研究最惡劣條件下的試驗數(shù)據(jù)，其他數(shù)據(jù)不一一羅列。

在43 ℃外界環(huán)境中、30 km/h車速、12%坡度時，TASE實驗結(jié)果顯示在1 h內(nèi)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(jié)果的差異性主要是由于冷卻系統(tǒng)造型的進(jìn)風(fēng)量大于要求的進(jìn)風(fēng)量。實際系統(tǒng)表現(xiàn)略微優(yōu)于計算結(jié)果，這是整車可接受的。

5 對未來的展望

冷卻系統(tǒng)的設(shè)計包含水泵的選型設(shè)計、風(fēng)扇的選型設(shè)計、散熱器的選型設(shè)計，這些必須要在整車可靠性基礎(chǔ)上進(jìn)行匹配設(shè)計。同時如何通過更加緊湊的零部件設(shè)計，利用最低的零件成本、開發(fā)成本、開發(fā)周期，匹配出合理高效的冷卻系統(tǒng)是冷卻系統(tǒng)設(shè)計一直不變的研究方向。

[1]中華人民共和國環(huán)境保護部.2017年中國機動車防治污染年報[R].北京:環(huán)境保護部,2017.

[2]北京?；萍及l(fā)展責(zé)任有限公司.Flowmaster 2中文技術(shù)手冊[M],2006.

[3]楊小松.汽車?yán)鋮s系統(tǒng)的匹配性探討[J].汽車工程學(xué)報,1999(2):24-26.

[4]俞小麗,李婷.發(fā)動機熱平衡仿真研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].車用發(fā)動機,2005(5):1-5.

YU X L,LI T.Research and Development in Thermal Balance Simulation for the Engine[J].Vehicle Engine,2005(5):1-5.

[5]楊文興.純電動汽車動力系統(tǒng)匹配設(shè)計與仿真研究[D].蘭州:蘭州理工大學(xué),2014.

[6]朱輝,張逸成,朱昌平,等.電動汽車電池組熱管理系統(tǒng)的研究[J].實驗室研究與探索,2011(6):8-10.

ZHU H,ZHANG Y C,ZHU C P,et al.Study on Electric Vehicle Battery Thermal Management System[J].Research and Exploration in Laboratory,2011(6):8-10.

[7]劉忠民.余小莉.沈瑜銘.發(fā)動機熱平衡實驗研究[J].浙江大學(xué)學(xué)報(工學(xué)版),2008,42(7):1247-1250.

LIU Z M,YU X L,SHEN Y M.Engine Thermal Balance Test[J].Journal of Zhejiang University(Engineering Science),2008,42(7):1247-1250.

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(xué)歷，助理工程師，從事發(fā)動機冷卻系統(tǒng)、新能源汽車?yán)鋮s系統(tǒng)研究開發(fā)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