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电动汽车动力系统热管理和热仿真知识概要

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三、电机和驱动器热管理
3.1 电机热管理简介
电动汽车采用永磁电机作为驱动心脏,这种类型的电机具有高效率、高功率因数、宽弱磁范围、高转矩过载能力以及低噪声与振动等一系列优点。受车辆空间与运行环境的限制,研发人员总是力求使驱动电机的转矩密度高、功率密度高。在功率不变的情况下,电机体积减小,不仅使其功率密度得到了提高,其损耗密度也有所增加,这势必导致散热困难,由此将会带来电机过热。当电动汽车在恶劣环境和恶劣工况下运行时(持续处于起动、爬坡、加速等状态),电机热耗更大,温升更严重,对电机的安全性和使用寿命均产生不利影响。因此,准确预测电机在不同工况下的内部温度分布,合理设计器冷却散热方式,是保证电机稳定安全运行的前提。
目前常规电动汽车的电机一般采用水套冷却。驱动电机剖面如下图所示,定子铁心与冷却水套之间采用过盈配合进行装配,这样电机定子铁心中产生的电磁力将通过此种配合传递到冷却水套上。整个电机内产生的热量也将被冷却水带走。
 
 


在一定泵功驱动下,水道截面尺寸增大,其冷却水流速将下降,水道对流传热系数也将减小,受冷却水套机械强度的限制,水道截面尺寸不能无限制增大;若水道截面尺寸减小,冷却水流速将增加,其对流传热系数增大,但流动阻力也将增大。
可见,在设计冷却水套时,除了工艺实施性和造价因素之外,更需要考虑括冷却水套水头损失分析、水道内的对流传热分析以及整个水套的机械应力分析与计算。利用热流仿真分析软件可以对电机的冷却水套进行优化设计,实现最佳散热性能和最小泵功消耗的最佳匹配。
以下组图为尼桑LEAF电动汽车的驱动电机的冷却水套系统。该水套采用铸造成型,在高度方向上分三层,每层留设中空的流道,各层之间有流道相连。整个水套与电机定子外壁过盈配合,最大限度减小两者之间的热阻。
 

3.2 电机热仿真分析
根据温度场是否随时间变化而将电机的热分析模型分为稳态热分析模型和瞬态热分析模型。前者主要是指电机所产生的全部热量都散发到周围介质中,电机达到热平衡状态;后者强烈依赖于电机内热源、外部散热边界条件等瞬变物理量,除此之外还与其初始状态相关。瞬态热分析的场景有电机启停、突然爬坡、瞬时加速、短期堵转等等,通常考验电机冷却系统的极限散热能力。
针对不同电机热模型,采用不同的分析方法。对于电机的稳态热模型,一般采用二维等效热网络法;而对于热源和边界条件动态变化的电机瞬态热分析模型,一般采用三维热流分析软件进行计算。热分析的内容主要包含以下几个部分:

  1. 驱动电机电磁损耗分析
  2. 驱动电机额定工作温度下的冷却系统参数设定
  3. 驱动电机的极限热工况散热分析

3.2.1 驱动电机电磁损耗分析
热源是电机温度场中不可缺少的参量,他与各部分的损耗有关。电机的损耗一般包括基本铁耗、杂散损耗、电气损耗和机械损耗。电动车用永磁同步电机永磁转子提供恒定磁场,且转速较低,引起的涡流损耗和齿槽效应可以忽略不计。
3.2.2 冷却系统参数确定及参数敏感性分析
3.2.2.1 驱动电机有限元热分析模型建立
电机实体结构非常复杂,其各部件之间的热交换也是一个复杂过程。为满足工程实际,需要对电机结构进行合理简化,抓住主要矛盾,忽略次要因素。对驱动电机作如下假设:
(1)电机机械损耗微小,可忽略不计;
(2)电机内部封闭空间为对称结构,因而其温度分布相同;
(3)电机运行时,频率较低,可忽略转子和永磁体产生的热量,为等效热网络中的无源节点;
(4)定子轴向绕组为不等温体;
(5)电机在圆周方向上呈周期性阵列布置,各周期的结构冷却边界条件相同,仅需对其中之一的周期性结构构建热分析模型;
3.2.2.2 冷却系统参数确定及敏感性分析
根据上述热流分析模型,对不同流动工况(驱动压力、流量、压力损失)下电机的温度场分布进行计算分析。根据电机最佳使用温度范围和极限工况等设计目标,设定合理的冷却系统参数(流速、泵功,安全系数等)。同时,对影响电机温度分布的各个冷却系统参数进行敏感性分析,抓住影响热控效果的核心因素。
3.3.3 不同载荷工况下的热分析及验证
根据建立的热分析模型,对驱动电机在不同的转速和不同的驱动力矩下进行仿真计算,预示不同工况下驱动电机的发热量以及对整机的影响。待驱动电机样件完成后,进行试验验证与分析结果的比对。
3.4 功率器件热分析
电动汽车中的功率器件主要是指逆变器(Inverter),负责对电流、功率进行变换以输出符合要求的电力。该设备也是重要的发热大户。逆变器的核心元件为IGBT(绝缘栅双极管),该器件为高热流密度器件,高温会严重减损其使用寿命。因此,该逆变器设备对散热能力要求非常高,传统强迫风冷一般难以满足要求,通常需要使用液冷降温。


为对逆变器的温度分布进行精确仿真分析,需要获知以下几个方面的详细信息:
(1)IGBT详细热分析模型
包括IGBT器件的详细结构形式,器件中各种材料的物性,额定功耗,不同温度下的转换效率,温度指标(工作结温)许可等信息。
IGBT详细热分析模型

(2)冷板参数
包括槽道结构形式,基板材质,冷却介质种类及性质,冷却介质的各种流动参数(流量),各个传热路径上的传热热阻(如TIM热阻,冷板流体侧到基板顶盖热阻),压降等。
(3)液冷系统的其他参数
换热器、风扇等部件的参数。
下图给出的为我司为某公司高功率密度IGBT组件水冷系统设计和热流分析所做的工作。流体流速分布非常均匀,可满足大功率IGBT器件的散热要求。
 

 
四、讨论
对特定车型设计其热管理系统(软硬件),并对其进行热仿真分析,均需要以获知具体车型,结构布局,关键部件热耗特征(电池包、逆变器、电机),以及安全系数等为前提。前期的热仿真可提供方向性设计思路,具体热管理细节还要深入到具体对象层面的研究。

 

详细附件,热设计论坛下载:  新能源汽车热管理及热仿真 知识体系 

 

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