新能源汽車發(fā)電機溫升問題改進

譚 夢，喻 皓，洪 兢

（廣州汽車集團股份有限公司汽車工程研究院，廣東廣州 510640）

0 前言

新能源車相比常規(guī)車，增加了高壓驅(qū)動系統(tǒng)。驅(qū)動電機系統(tǒng)因為是整車的動力輸出單元，也被稱為電動汽車的“心臟”[1]。作為電機系統(tǒng)的核心部件之一，電機溫升過高影響整車的動力性能及駕駛舒適性，本文就汽車發(fā)電機因溫升引起的功率下降現(xiàn)象進行分析并提出改進措施。

1 原因分析

1.1 基本介紹

某款新能源車的發(fā)電機安裝于汽車前艙、發(fā)動機與變速箱之間，如圖1所示。

電機與變速箱之間的離合器頻繁斷開吸合，以及發(fā)動機工作時汽油燃燒產(chǎn)生的大量熱能，導致前艙環(huán)境溫度高，電機工作環(huán)境惡劣，同時受空間限制，雖在電機殼體外部設計了散熱片加強外部散熱，但由于采用無強迫通風式冷卻，電機內(nèi)部自身散熱渠道和能力有限，從而使得電機內(nèi)部定、轉(zhuǎn)子溫度升高。而電機過熱會導致整車動力性能降低，車內(nèi)舒適度差，混動模式失效。當電機溫度升至140 ℃（電機電樞繞組溫度傳感器采集數(shù)據(jù)）左右，電機控制器將進入降功率運行狀態(tài)，此時電池電量逐漸降低。嚴重時會整車會出現(xiàn)高壓掉電。數(shù)據(jù)如圖2所示。

圖1 某項目發(fā)電機在整車中的布置圖

圖2 發(fā)電機、電池數(shù)據(jù)

1.2 原因分析

為更好地梳理導致電機溫升過高的原因，本文從控制、環(huán)境、設計、材料等方面進行分析和驗證。

（1）控制策略

由于發(fā)動機和離合器的發(fā)熱量無法精確測量，最初預估汽車前艙工作溫度為85 ℃，設定了電機工作溫度保護閾值為120 ℃，但實際前艙的工作溫度達到了近105 ℃，后將溫度保護閾值提高到了140 ℃，并且將怠速發(fā)電轉(zhuǎn)速由1 000 r/min提高到1 400 r/min，雖然改變了電機的發(fā)電工作點，提高了發(fā)電效率，但并未解決頻繁掉電的現(xiàn)象。

（2）外部工作環(huán)境

由于發(fā)動機工作和離合器頻繁吸合所產(chǎn)生的熱量不可避免，并且發(fā)電機位于散熱器的后下方，汽車運行時，經(jīng)散熱器的熱風（最高溫度約130 ℃）進入前艙，也使得發(fā)電機的工作環(huán)境溫度進一步上升。而前艙的空間緊湊，零部件散熱改進空間有限，基本無法通過優(yōu)化前艙的結構來改善電機的外部工作環(huán)境。

圖3 電機永磁體材料磁感應強度隨溫度變化曲線

（3）電磁設計

電機在低速運行時效率普遍比較低，但電機系統(tǒng)的整體效率仍然能夠滿足整車的要求。因此電磁設計不合理不是電機過熱的根本原因之一。

（4）定子導熱系數(shù)

由電機導熱路徑分析，無論熱量是從定子繞組傳到端蓋與外界空氣進行熱交換，還是經(jīng)定子鐵芯，機殼內(nèi)壁與外界空氣進行熱交換，兩條路徑都需要通過電機內(nèi)部空氣進行熱傳導?？諝獾膶崧蕿?.023 W/mK，是后端蓋鋁材料導熱率的1/5 000是定子鐵芯硅鋼片導熱率的1/2 100，空氣的低導熱率直接導致定子繞組的熱量對外擴散緩慢。

（5）定子沖片材料磁阻

更換電機定子硅鋼片材料由B35AV1900 改為B27AHV1500，降低電機的鐵耗，但電機低速下發(fā)熱量減小不明顯。

從以上分析和驗證可看出，導致電機溫升最主要的原因是電機內(nèi)部導熱系數(shù)小，散熱差。可針對性地進行改進。

2 改進及效果確認

針對電機內(nèi)部導熱能力差的現(xiàn)象，可通過增強散熱通道的導熱系數(shù)來改善電機內(nèi)部的散熱能力，從而降低電機內(nèi)部溫度。

方法1：在定子繞組端部、定子槽、鐵芯外徑處分別灌注導熱膠，以增強導熱路徑的導熱系數(shù)。灌膠后真空烘干，減小定子槽內(nèi)氣隙，增大繞組與定子硅鋼片的接觸面積，增加槽內(nèi)繞組的熱傳導效率。

方法2：對定子電樞繞組增加線圈導體數(shù)，增大線圈截面積以降低繞組電阻，減少發(fā)熱量。

采用不同的改進措施組合制作了4 臺樣機，并對其進行了測試。改進措施以及試驗結果分別如表1、表2所示。

表1 4臺樣機及措施實施

表2 中可看出電機的降功率運行問題得到了不同程度的改善，其中樣機4，即水冷樣機的改進措施最為顯著，整車測試中也未出現(xiàn)高壓掉電的現(xiàn)象。

表2 樣機測試結果

3 總結

本文針對新能源車自然冷卻發(fā)電機溫升問題引起的功率下降提出了技術改進。闡述了電機發(fā)熱的原因和改進措施。通過試驗驗證有效改善了降功率運行的現(xiàn)象，為今后的汽車電機設計提供了一定的參考。

［1］應紅亮.新能源汽車的驅(qū)動電機系統(tǒng)［J］.汽車與配件，2012（41）：38-41.

［2］唐任遠.現(xiàn)代永磁電機理論與設計［M］.北京：機械工業(yè)出版社，1997.