【技术】新能源汽车电机热管理技术解析

电机与控制器在电能与机械能的转换过程中，部分电能会损耗成为热能释放。对于新能源汽车，驱动电机作为动力源，控制器提供能量转换，缺一不可。两者的热管理系统则主要对其冷却，使其能够安全可靠运行。

电机热管理3个方法

电机及其电控热管理的主要任务是分析电机内部的产热机理，设计冷却系统对其进行降温，保证电机及电控系统处于合适的温度范围内。目前电机冷却系统主要有空冷、液冷及其他冷却方式，液冷又分为水冷和油冷。

有研究者设计了一种新型的混合型电机冷却系统，冷却系统包括热管、铜管水套、风扇，风扇可以加速带走冷凝端的热量，如下图所示。这种被动式和主动式相结合的冷却系统，可以设计有效的控制策略以优化冷却系统的能耗。对电机冷却系统的热特性进行了试验和数值研究。结果发现，对于250 VA的热负荷，在保证运行工况的前提下，采用混合冷却策略可节省33%的功耗。

图新型混合型电机冷却系统（更正：图中“电池”更正为“铜管水套”）

1、风冷

采用风冷的优点是结构简单、不需要设计独立的冷却零件、维护方便及成本低，缺点是冷却效果较差。为保证足够的散热量需求，驱动电机与控制器需要增大与气流的接触面积，导致电机和控制器体积和成本的增加；驱动电机和控制器在车辆上使用时对应的工况较为复杂，风冷无法在各工况下保持所需的散热量，故仅在热负荷小的小型车驱动电机或辅助电机采用风冷。

气体冷却方式的结构简单、制造成本低。KONDO M等对永磁同步电机设计了一个冷却系统，在轴承四周布置了环形冷却腔以隔绝电机内部的热空气，在电机轴承的外侧安装了带槽的小圆盘，通过风扇实现强迫对流。结果表明，该结构增强了电机的冷却性能，且平均能耗也有所减少。

2、油冷

日系车型的电机则能够采用ATF（自动变速器油）作为冷却介质，与冷却液相比，油冷电机体积更小，前机舱布置较为紧凑。

3、水冷

液体具有更高的比热，且可以根据需要主动调节系统温度，故而液冷具有更好的稳定性。对于新能源汽车的驱动电机和控制器等元件，采用液冷可以迅速带走热量，实现温度的快速降低，提高电机和控制器的效率和寿命。现阶段新能源汽车电机和控制器普遍使用液冷冷却。

液体冷却方式因其优异的换热性能，而广受关注，主要研究热点是电机外壳水套的结构设计及水道的设计。田玉冬等对一台额定功率为21 kW的电动车的永磁同步电机优化设计了一种C型环槽水路结构，并运用有限元数值计算的方法，对电机水冷系统及电机内部的三维温度场进行了计算分析。研究结果显示，转子区域内温度分布均匀，最高温度集中于磁钢中部；定子区域内绕组端部的温度高于中部温度。丁杰等对电动车用高功率密度的永磁同步电机螺旋水路的进出口水管布置方式进行了分析。仿真计算表明，进出水管切向于水路方式比进出水管法向于水路方式的压降损失要小，降低了10.7%。通过压降、表面散热系数与散热面积的综合分析，最终确定了最优化的水路结构设计方案。

电机热管理控制策略

1、电子水泵控制

电子水泵根据电机系统各发热零部件的冷却需求对水泵转速进行调节。电子水泵通常是PWM控制，其控制曲线如图2所示。

图2 电机电子水泵PWM曲线

前水泵满足下述条件中任意一条即开始工作：

①前电机检测温度达到T3；

②前电机控制器检测温度达到T3；

③发电机检测温度达到T3；

④发电机控制器检测温度达到T3。

随着上述零部件的工作温度的上升，前水泵开度开始增大，直到前电机、前电机控制器、发电机、发电机控制器中任何一个零件温度达到T4，后水泵开启到100%（全开）；当检测到上述全部零部件最高温度回落到T2时，前水泵开度开始逐步减小，直到全部零部件最高温度达到T1，水泵停止工作。

后水泵满足下述条件中任意一条即开始工作：

①后电机检测温度达到T3；

②后电机控制器检测温度达到T3；

③OBC检测温度达到T3；

④DC-DC检测温度达到T3。

随着上述零部件的工作温度的上升，后水泵开度开始增大，直到后电机、后电机控制器、OBC、DC/DC中任意一个零件温度达到T4，后水泵开启到100%（全开）；当检测到上述全部零部件最高温度回落到T2时，后水泵开度开始逐步减小，直到全部零部件最高温度达到T1，水泵停止工作。

2、电子三通阀控制

电子三通阀可以实现一进两出的功能。连接液路1是常开状态，连接液路2是切换状态。根据电机系统中各零部件工作情况不同，对其状态进行控制。控制策略如表1所示。

表1 电子三通阀控制条件

需要注意的是，满足常开条件中任何一个条件，电子三通阀即保持常开状态；只有满足常闭的所有条件时，电子三通阀才切换状态。

3、电子风扇控制

电子风扇的控制与传统车类似，电子风扇采用PWM控制调节档位，初始设计3个档位。其控制逻辑主要涉及OBC、压力传感器、空调系统压力等信号，混合动力车型还涉及发动机（或增程器）冷却液温度信号。

电机热管理系统设计注意点

1、控制器温度需求普遍低于电机，在管路连接上，将控制器置于电机前端；

2、DC/DC和OBC工作条件和发热量对冷却液温度升高程度影响较小，管路连接时可置于控制器前端串联，或并联于前端管路上以减小其流量；

3、电子水泵根据液路的总液阻和液流量要求选取合适的产品，布置时将水泵布置在回路中位置较低的地方；

4、根据需要选择控制元件电子三通阀和电子四通阀；

5、因电机的工作效率也会受到低温影响，可在管路中设计电子三通阀模拟节温器的功能，在寒冷工况使冷却液不经过散热器，为电机保温；

6、电机散热器对冷却风温度需求与冷凝器接近，如果可以分开布置在最前端，则分开布置；如不能，因冷凝器为电池提供冷却，可将冷凝器置于最前，适当加大散热的面积；

7、设计膨胀水箱解决加注和除气的问题，机舱空间紧张时可与电池膨胀水箱合一使用，在通气管路中设计毛细管，减少冷却液的交换。