電動汽車動力系統(tǒng)熱管理和熱仿真知識概要

bluewind 2017-04-24

三、電機和驅(qū)動器熱管理
3.1 電機熱管理簡介
電動汽車采用永磁電機作為驅(qū)動心臟，這種類型的電機具有高效率、高功率因數(shù)、寬弱磁范圍、高轉(zhuǎn)矩過載能力以及低噪聲與振動等一系列優(yōu)點。受車輛空間與運行環(huán)境的限制，研發(fā)人員總是力求使驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)矩密度高、功率密度高。在功率不變的情況下，電機體積減小，不僅使其功率密度得到了提高，其損耗密度也有所增加，這勢必導(dǎo)致散熱困難，由此將會帶來電機過熱。當(dāng)電動汽車在惡劣環(huán)境和惡劣工況下運行時（持續(xù)處于起動、爬坡、加速等狀態(tài)），電機熱耗更大，溫升更嚴(yán)重，對電機的安全性和使用壽命均產(chǎn)生不利影響。因此，準(zhǔn)確預(yù)測電機在不同工況下的內(nèi)部溫度分布，合理設(shè)計器冷卻散熱方式，是保證電機穩(wěn)定安全運行的前提。
目前常規(guī)電動汽車的電機一般采用水套冷卻。驅(qū)動電機剖面如下圖所示，定子鐵心與冷卻水套之間采用過盈配合進(jìn)行裝配，這樣電機定子鐵心中產(chǎn)生的電磁力將通過此種配合傳遞到冷卻水套上。整個電機內(nèi)產(chǎn)生的熱量也將被冷卻水帶走。

在一定泵功驅(qū)動下，水道截面尺寸增大，其冷卻水流速將下降，水道對流傳熱系數(shù)也將減小，受冷卻水套機械強度的限制，水道截面尺寸不能無限制增大；若水道截面尺寸減小，冷卻水流速將增加，其對流傳熱系數(shù)增大，但流動阻力也將增大。
可見，在設(shè)計冷卻水套時，除了工藝實施性和造價因素之外，更需要考慮括冷卻水套水頭損失分析、水道內(nèi)的對流傳熱分析以及整個水套的機械應(yīng)力分析與計算。利用熱流仿真分析軟件可以對電機的冷卻水套進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，實現(xiàn)最佳散熱性能和最小泵功消耗的最佳匹配。
以下組圖為尼桑LEAF電動汽車的驅(qū)動電機的冷卻水套系統(tǒng)。該水套采用鑄造成型，在高度方向上分三層，每層留設(shè)中空的流道，各層之間有流道相連。整個水套與電機定子外壁過盈配合，最大限度減小兩者之間的熱阻。

3.2 電機熱仿真分析
根據(jù)溫度場是否隨時間變化而將電機的熱分析模型分為穩(wěn)態(tài)熱分析模型和瞬態(tài)熱分析模型。前者主要是指電機所產(chǎn)生的全部熱量都散發(fā)到周圍介質(zhì)中，電機達(dá)到熱平衡狀態(tài)；后者強烈依賴于電機內(nèi)熱源、外部散熱邊界條件等瞬變物理量，除此之外還與其初始狀態(tài)相關(guān)。瞬態(tài)熱分析的場景有電機啟停、突然爬坡、瞬時加速、短期堵轉(zhuǎn)等等，通常考驗電機冷卻系統(tǒng)的極限散熱能力。
針對不同電機熱模型，采用不同的分析方法。對于電機的穩(wěn)態(tài)熱模型，一般采用二維等效熱網(wǎng)絡(luò)法；而對于熱源和邊界條件動態(tài)變化的電機瞬態(tài)熱分析模型，一般采用三維熱流分析軟件進(jìn)行計算。熱分析的內(nèi)容主要包含以下幾個部分：

驅(qū)動電機電磁損耗分析
驅(qū)動電機額定工作溫度下的冷卻系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定
驅(qū)動電機的極限熱工況散熱分析

3.2.1 驅(qū)動電機電磁損耗分析
熱源是電機溫度場中不可缺少的參量，他與各部分的損耗有關(guān)。電機的損耗一般包括基本鐵耗、雜散損耗、電氣損耗和機械損耗。電動車用永磁同步電機永磁轉(zhuǎn)子提供恒定磁場，且轉(zhuǎn)速較低，引起的渦流損耗和齒槽效應(yīng)可以忽略不計。
3.2.2 冷卻系統(tǒng)參數(shù)確定及參數(shù)敏感性分析
3.2.2.1 驅(qū)動電機有限元熱分析模型建立
電機實體結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，其各部件之間的熱交換也是一個復(fù)雜過程。為滿足工程實際，需要對電機結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理簡化，抓住主要矛盾，忽略次要因素。對驅(qū)動電機作如下假設(shè)：
（1）電機機械損耗微小，可忽略不計；
（2）電機內(nèi)部封閉空間為對稱結(jié)構(gòu)，因而其溫度分布相同；
（3）電機運行時，頻率較低，可忽略轉(zhuǎn)子和永磁體產(chǎn)生的熱量，為等效熱網(wǎng)絡(luò)中的無源節(jié)點；
（4）定子軸向繞組為不等溫體；
（5）電機在圓周方向上呈周期性陣列布置，各周期的結(jié)構(gòu)冷卻邊界條件相同，僅需對其中之一的周期性結(jié)構(gòu)構(gòu)建熱分析模型；
3.2.2.2 冷卻系統(tǒng)參數(shù)確定及敏感性分析
根據(jù)上述熱流分析模型，對不同流動工況（驅(qū)動壓力、流量、壓力損失）下電機的溫度場分布進(jìn)行計算分析。根據(jù)電機最佳使用溫度范圍和極限工況等設(shè)計目標(biāo)，設(shè)定合理的冷卻系統(tǒng)參數(shù)（流速、泵功，安全系數(shù)等）。同時，對影響電機溫度分布的各個冷卻系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行敏感性分析，抓住影響熱控效果的核心因素。
3.3.3 不同載荷工況下的熱分析及驗證
根據(jù)建立的熱分析模型，對驅(qū)動電機在不同的轉(zhuǎn)速和不同的驅(qū)動力矩下進(jìn)行仿真計算，預(yù)示不同工況下驅(qū)動電機的發(fā)熱量以及對整機的影響。待驅(qū)動電機樣件完成后，進(jìn)行試驗驗證與分析結(jié)果的比對。
3.4 功率器件熱分析
電動汽車中的功率器件主要是指逆變器（Inverter），負(fù)責(zé)對電流、功率進(jìn)行變換以輸出符合要求的電力。該設(shè)備也是重要的發(fā)熱大戶。逆變器的核心元件為IGBT（絕緣柵雙極管），該器件為高熱流密度器件，高溫會嚴(yán)重減損其使用壽命。因此，該逆變器設(shè)備對散熱能力要求非常高，傳統(tǒng)強迫風(fēng)冷一般難以滿足要求，通常需要使用液冷降溫。

為對逆變器的溫度分布進(jìn)行精確仿真分析，需要獲知以下幾個方面的詳細(xì)信息：
（1）IGBT詳細(xì)熱分析模型
包括IGBT器件的詳細(xì)結(jié)構(gòu)形式，器件中各種材料的物性，額定功耗，不同溫度下的轉(zhuǎn)換效率，溫度指標(biāo)（工作結(jié)溫）許可等信息。

（2）冷板參數(shù)
包括槽道結(jié)構(gòu)形式，基板材質(zhì)，冷卻介質(zhì)種類及性質(zhì)，冷卻介質(zhì)的各種流動參數(shù)（流量），各個傳熱路徑上的傳熱熱阻（如TIM熱阻，冷板流體側(cè)到基板頂蓋熱阻），壓降等。
（3）液冷系統(tǒng)的其他參數(shù)
換熱器、風(fēng)扇等部件的參數(shù)。
下圖給出的為我司為某公司高功率密度IGBT組件水冷系統(tǒng)設(shè)計和熱流分析所做的工作。流體流速分布非常均勻，可滿足大功率IGBT器件的散熱要求。

四、討論
對特定車型設(shè)計其熱管理系統(tǒng)（軟硬件），并對其進(jìn)行熱仿真分析，均需要以獲知具體車型，結(jié)構(gòu)布局，關(guān)鍵部件熱耗特征（電池包、逆變器、電機），以及安全系數(shù)等為前提。前期的熱仿真可提供方向性設(shè)計思路，具體熱管理細(xì)節(jié)還要深入到具體對象層面的研究。