研究背景

    電動(dòng)汽車在運(yùn)行時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的熱，有效的冷卻對(duì)于電機(jī)和整個(gè)車輛的正常運(yùn)行至關(guān)重要。電機(jī)內(nèi)部的主要熱源是定子芯和定子繞組，工作溫度是影響其性能和可靠性的關(guān)鍵因素。目前車輛主要是使用水冷卻或油冷卻來滿足其冷卻需求。水冷電機(jī)通過在定子外側(cè)安裝水套來冷卻，結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，是最常用的冷卻方法。然而，由于冷卻液與熱源之間有多層熱傳遞，熱阻較大，冷卻表面無法直接接觸定子繞組，因此水冷電機(jī)無法在高功率運(yùn)行條件下有效抑制電機(jī)溫度上升。隨著市場上新能源汽車性能要求的不斷提高，水冷方法已無法滿足高功率電機(jī)的冷卻需求。油冷電機(jī)采用冷卻油作為冷卻介質(zhì)。由于油具有良好的絕緣性能，油液可以直接接觸電機(jī)的定子和繞組以散熱。熱傳遞路徑較短，熱阻較小，散熱面積較大。與水冷方式相比，在相同工作條件下，油冷方式可以將電機(jī)溫度降低到更低的水平，使電機(jī)能夠以更高的功率運(yùn)行。隨著電機(jī)向更高速度和小型化的發(fā)展，油冷冷卻方式是當(dāng)前的一個(gè)重要發(fā)展方向。

正文    

Pic. 1: 技術(shù)路線

    本文的總體技術(shù)路線為：使用電機(jī)設(shè)計(jì)軟件初步設(shè)計(jì)好電機(jī)，然后通過提取電機(jī)的關(guān)鍵參數(shù)（電機(jī)類型、極對(duì)數(shù)、電磁特性、電磁效率等），通過電機(jī)的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)搭建電機(jī)的熱網(wǎng)絡(luò)模型，與此同時(shí)，使用CFD仿真對(duì)電機(jī)的換熱特性進(jìn)行計(jì)算，將對(duì)流換熱系數(shù)輸入到熱網(wǎng)絡(luò)模型，最后再與整車動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行集成，通過動(dòng)態(tài)的駕駛工況（駕駛循環(huán)及恒定車速）對(duì)電機(jī)的產(chǎn)熱、散熱仿真分析，評(píng)估電機(jī)的繞組、轉(zhuǎn)子、定子、磁鋼的溫度，從而避免電機(jī)因高溫退磁。

    本文將使用1D與3D耦合仿真方法，充分利用了AMEsim在一維系統(tǒng)仿真方面的優(yōu)勢和STAR CCM+在三維計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）分析方面的專長，實(shí)現(xiàn)了對(duì)駕駛工況和特定工況下電機(jī)冷卻性能的快速、高精度的評(píng)估。

Pic. 2: AMEsim 模型

01 車輛及模型描述

驅(qū)動(dòng)形式：單電機(jī)前驅(qū)

車輛整備質(zhì)量：2270 kg

車輛風(fēng)阻系數(shù)：0.265

車輛正投影面積：2.35 m^2

輪胎尺寸：R19，胎寬155 mm, 扁平比50%

電機(jī)特性：

峰值扭矩: 310 Nm

最高轉(zhuǎn)速: 16000 rpm

峰值功率: 180 kw

電池電量: 62 kw*h

02 油冷電機(jī)的結(jié)構(gòu)

    在電機(jī)的殼體上設(shè)計(jì)有機(jī)油冷卻管路，油路可以冷卻電機(jī)的殼體，然后再通過熱傳導(dǎo)冷卻定子鐵芯，此外還可以通過噴嘴向定子繞組外圈進(jìn)行噴油冷卻，另外一路，用于將冷卻油引入轉(zhuǎn)子軸的轉(zhuǎn)子進(jìn)油管，轉(zhuǎn)子軸上設(shè)有油孔，可以將油噴射到定子繞組內(nèi)圈進(jìn)行冷卻。

03 STAR CCM+模型介紹

Pic. 3: Star CCM+模型

冷卻潤滑油流量為：15 L/min

冷卻潤滑油入口溫度：75 ℃

電機(jī)轉(zhuǎn)速：6000 rpm

求解軟件：Star CCM+

提取到的對(duì)流換熱（平均）為：

    定子繞組外圈：821 W/m2·K

    定子繞組內(nèi)圈：625 W/m2·K

提示：如果具備較強(qiáng)的計(jì)算資源，可以多計(jì)算幾個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)速下的對(duì)流換熱系數(shù)。

04 AMEsim 模型介紹

    AMEsim模型主要包括車輛及駕駛員模型、電機(jī)電學(xué)模型、電機(jī)熱管理模型以及電氣模型。

Pic. 4: AMEsim整車模型

    著重需要介紹的是電機(jī)熱管理模型。電機(jī)熱管理模型主要包括一個(gè)散熱器，其冷卻方式通過格柵的冷卻空氣進(jìn)行冷卻，進(jìn)風(fēng)量取決于車速，這里用了一個(gè)與車速相關(guān)的函數(shù)，可以理解為進(jìn)氣效率?；芈分杏梢粋€(gè)水泵進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，系統(tǒng)的流量為15 L/min。回路中有兩處換熱，一處為冷卻液與定子繞組外圈換熱，另一處為冷卻液與定子繞組內(nèi)圈換熱。在這里，我們可以將CFD計(jì)算的平均對(duì)流換熱系數(shù)與電機(jī)轉(zhuǎn)速的關(guān)系式輸入到換熱元件中。

Pic. 5: 局部的電機(jī)熱管理回路模型

    電機(jī)熱網(wǎng)絡(luò)模型是按照電機(jī)的物理結(jié)構(gòu)搭建的，主要包括電機(jī)殼體、轉(zhuǎn)子、定子、繞組。熱網(wǎng)絡(luò)模型中的材料需要按照電機(jī)的實(shí)際材料進(jìn)行定義，固體與固體的熱傳導(dǎo)是通過熱阻參數(shù)進(jìn)行定義。

Pic. 6: 電機(jī)熱網(wǎng)絡(luò)模型

    電機(jī)在120 kph車速下，模擬時(shí)長7200秒，轉(zhuǎn)子以及定子繞組的溫度均在90℃以下。對(duì)于電機(jī)的熱分析我們還可以使用WLTC以及CLTC駕駛循環(huán)工況，進(jìn)行評(píng)估。

Pic. 7: 等速120 km/h電機(jī)的溫度變化情況

    下面是WLTC工況下的電機(jī)溫度變化情況，我們可以看到電機(jī)的溫度隨著電機(jī)的功率上升而上升，但是，在幾個(gè)WLTC循環(huán)工況下，峰值最高溫度基本保持穩(wěn)定，大約在72℃。

Pic. 8: WLTC工況下電機(jī)的溫度變化情況

Prospects

展望

    在具體的工程方案實(shí)施過程中，我們可以通過測試數(shù)據(jù)對(duì)三維模型和一維模型進(jìn)行標(biāo)定，這樣可以提高模型的精度。在整車狀態(tài)下對(duì)電機(jī)性能的評(píng)估更具實(shí)際使用意義，而不是對(duì)電機(jī)的單一或者幾個(gè)工況點(diǎn)進(jìn)行分析評(píng)估。在一個(gè)較高的精度的整車模型，再配合整車控制，可以在虛擬環(huán)境中對(duì)我們車輛進(jìn)行控制策略的優(yōu)化和標(biāo)定，可以減少研發(fā)的成本和縮短開發(fā)周期。如果有感興趣的同僚，歡迎與西門子工程咨詢服務(wù)團(tuán)隊(duì)進(jìn)行深入的討論。