某新能源汽车电机冷却系统的设计

范王龙

(汉腾汽车研发中心，江西上饶 334100)

某新能源汽车电机冷却系统的设计

范王龙

(汉腾汽车研发中心，江西上饶 334100)

为保证所研究车型电机组合能够在合理高效的温度范围内工作，采用水冷却的形式，利用Flowmaster、CFD等CAE手段，在项目前期精确估算各个零部件在不同工况下的温度情况，提高设计稳健性。最后通过实验验证设计的可靠性，大大节省项目时间。

纯电动汽车；电机；冷却系统；Flowmaster计算

0 引言

汽车的发展推动了现代社会的进步，促进了地区之间人和物的交流并提高了人们出行的便捷性和舒适性，但同时也带来了能源消耗和环境污染等问题。因此，新型能源低污染甚至零污染的汽车开发越来越重要。根据环境保护部发布的《2017年中国机动车污染防治年报》显示：2016年全国机动车保有量达2.95亿辆，比2015年增长8.1%，全国机动车排放污染物初步核算为4 472.5 t，比2015年削减1.3%。这主要得益于新能源汽车的开发与市场占有量的快速上升。

以电动汽车为代表的新能源汽车将是解决汽车工业化可持续发展的重要且行之有效的途径。纯电动汽车采用蓄电池、电机组合等零件取代传统汽车发动机作为驱动源，用电能代替传统柴、汽油，大大降低了传统能源的消耗及环境的污染。

1 冷却系统基本原理

纯电动汽车整车蓄电池放电带动电动机转动，在电能转化成动能的过程中会释放大量的热。基于原始传动车型冷却系统的设计原理及各相关零部件性能，去除发动机、发动机散热器及相关零部件，增加动力蓄电池、电动机、电子水泵及相关控制元件开发新的纯电动汽车。由于风扇开发成本高，此车电子风扇借用原车，重新开发冷却系统。

此车冷却系统的原理设计详细参考图1—图2。

该车型电机系统冷却设计原理介绍：此车型电机系统采用水冷方式冷却，依靠图2中的电动水泵作为水循环动力源。通过读取传感器感应的冷却回路水温来控制水泵的占空比，通过控制水泵的占空比控制水泵的泵水能力，使电机系统放出的热量被流经的水吸收，水的热量通过散热器散发给大气，整个循环最终达到一个平衡，以达到冷却系统设计目标。

图1 被研究车型前端模块的布置

图2 被研究车型电机系统冷却设计方案

2 相关零部件的介绍及其性能参数的设计和相关要求

2.1 HS2系统

此车型的电机系统是由国内知名XX供应商提供的动力系统，包括P0电机、P0电机逆变器、P3电机逆变器、P3电机。其功能是将蓄电池提供的电能转化成动能传递给半轴，达到驱动车辆的效果。对此研究有影响的基本参数如表1、表2所示。

HS2系统冷却回路其他要求如表3所示。

表1 冷却液回路冷却液压降性能(厂家实际测量值)

表2 最大散热性能(厂家实测)

表3 HS2系统冷却回路其他要求

2.2 电子水泵

电子水泵是冷却液循环的动力源，水泵在旋转过程中，会在叶轮前造成一个低压吸头，把进口处的冷却水吸入水泵，进入水泵叶轮的冷却水从叶轮获得能量使压力升高，并在离心力的作用下甩出叶轮，进入水泵蜗壳，在蜗壳的导向下流出水泵获得动能。

遵循能量守恒定律，当水泵所提供的静压等于闭合回路中所有其他元件的压力损失时，此时回路达到一个平衡：

p水泵=pHS2+pRAD+pHose+pbottle

2.3 电子风扇

HS2系统的散热量通过水泵传递到散热器，再通过散热器的热交换从冷却水侧传递到冷却空气侧，最终由空气散给环境。在整车静止或者低速时，冷却空气的流动是由风扇驱动的。由于此课题的基础车型有已完成开发的风扇，作者借用原车风扇，在整车上进行优化。风扇性能：在静压180 Pa时风量大于等于2 400 m3/h(此性能是基于风扇高速挡状态下的性能曲线)。

图3 风扇性能曲线图

2.4 散热器

文中所采用的散热器是交叉流动的非接触式汽水散热器。电子水泵把HS2系统的散热量通过冷却水的循环传递到散热器，再通过散热器的冷却水管把冷却水的热量传递给冷却空气，再由空气散发到大气环境中。所以在冷却系统循环过程中流体的流量大小、冷却空气的流量大小、零部件的热交换性能是直接影响冷却系统冷却效率的因素。

根据整车现有的布置形式和布置空间，为最大限度地设计高效能的散热器，利用初始设置的散热器性能，采用CFD方法进行校核。初始设计的散热器性能参数如表4所示。

表4 电机回路散热器性能参数(冷却液为50%乙二醇、50%蒸馏水，液气温差30 ℃，环境温度35 ℃)

2.5 储液壶和水管

储液壶的作用是储存冷却液体，防止整个闭路循环的冷却液因挥发消耗而缺液体及水温升高后膨胀溢出；水管的作用是连接回路中各个零件，给冷却液体一个传递的路径。文中不再赘述。

3 系统之间零部件的匹配计算

采用Flowmaster 和CFD软件进行分析。其中Flowmaster主要进行二维冷却液流量分布情况和温度分布情况。

3.1 系统原理设计

系统原理及布置安装参考图2。系统模型如图4所示。

3.2 参数设计

(1)HS2系统

HS2系统是此课题的高阶布置，是在项目前期产品策略所决定的，故HS2系统性能参数的输入参照HS2系统介绍内容。

图4 Flowmaster电机冷却系统模型

(2)水泵的选型

由于HS2系统对系统流量的要求是6～16 L/min，对于散热器来说，冷却液流量越大，其冷却能力越强，故在初步设计时，为最大限度地降低散热器要求，冷却水流量定义为最大16 L/min。根据系统流量的初步设定可以进行水泵的选型。

文中选取100 W、扬程为11 m的水泵。

Flowmaster耦合计算如图5所示。

经Flowmaster耦合计算，选用CWA100型号水泵时，系统冷却水流量为15.7 L/min，是较为理想的型号。

(3)系统温度的计算

系统要求：

①高速工况：在外界环境温度43 ℃、湿度50%的条件下，车辆以EV模式、100 km/h的速度、0%坡度行驶，P3电机入口温度不得大于65 ℃。此工况下零件温度分布如图6所示。

②低速爬坡工况：在外界环境温度43 ℃、湿度50%的条件下，车辆以EV模式、30 km/h的速度、12%坡度行驶，P3电机入口温度不得大于65 ℃。此工况下零件温度分布图如图7所示。

说明：计算冷却液温度时，作者采用的是反证法，假设按照各个零部件要求，以要求入口温度不大于65 ℃为边界，根据Q=CmΔt，则温度变化

Δt=Q/Cm

式中：Q为热量；C为比热容；m为流经液体质量。

图6 43 ℃，车辆在100 km/h速度，0%坡度状态下，零件温度分布图

图7 43 ℃，车辆在30 km/h速度，12%坡度状态下，零件温度分布图

因为此课题造型设计方案还没有冻结，CFD无法计算系统进风量，故采用先计算出散热器的散热能力来要求进风量。

经Flowmaster软件计算可知：在43 ℃外界环境中，30 km/h车速，12%坡度时散热器要求从66.64 ℃降到62.63 ℃；在43 ℃外界环境中，100 km/h车速，0%坡度时散热器要求从66.44 ℃降到62.94 ℃。

根据空气侧Q=CmΔt计算得：在43 ℃外界环境中，30 km/h车速，12%坡度时需要通过散热器的风量为2.01 m/s；在43 ℃外界环境中，100 km/h车速，0%坡度时需要通过散热器的风量为1.62 m/s。

经后期造型模型确定后，CFD计算测得：在43 ℃外界环境中，30 km/h车速，12%坡度时需要通过散热器的风量为2.101 m/s>2.01 m/s；在43 ℃外界环境中，100 km/h车速，0%坡度时需要通过散热器的风量为5.805 m/s>1.62 m/s。

计算结果分析：

车辆在低速爬坡或者高速情况下，电机均处于满负荷状态下工作，此时电机散热量理论上是最大的，但是由于车速越高，流经电机散热器的风速越大，电机散热器的散热效率越高，故在高速条件下，热风险小，在低速条件下，热风险大。

30 km/h车速、12%爬坡情况下，前仓风速为2.101 m/s与最低要求2.01 m/s非常接近，说明此计算是接近现实的。

上述结果表明冷却系统的设计达到设计要求。

4 实验对标及小结

由CAE分析结果及各工况实验数据对比，冷却系统在43 ℃外界环境中、30 km/h车速、12%坡度时，电机冷却系统的温度是最高的。将主要研究最恶劣条件下的试验数据，其他数据不一一罗列。

在43 ℃外界环境中、30 km/h车速、12%坡度时，TASE实验结果显示在1 h内回路中所有零部件温度最高为62.6 ℃，满足所有零部件要求。

与CFD计算结果的差异性主要是由于冷却系统造型的进风量大于要求的进风量。实际系统表现略微优于计算结果，这是整车可接受的。

5 对未来的展望

冷却系统的设计包含水泵的选型设计、风扇的选型设计、散热器的选型设计，这些必须要在整车可靠性基础上进行匹配设计。同时如何通过更加紧凑的零部件设计，利用最低的零件成本、开发成本、开发周期，匹配出合理高效的冷却系统是冷却系统设计一直不变的研究方向。

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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

范王龙(1988—)，男，本科学历，助理工程师，从事发动机冷却系统、新能源汽车冷却系统研究开发工作。E-mail：441270060@qq.com。

10.19466/j.cnki.1674-1986.2017.12.007

U469.72

A

1674-1986(2017)12-028-06