電動汽車驅動器冷卻系統(tǒng)的研究

宋健

摘 要：隨著節(jié)能經濟在全世界的不斷普及，越來越多的國家開始關注電動汽車的研究和推廣。電動汽車與傳統(tǒng)汽車不同，它主要由三大部分組成，分別是電機驅動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)以及能源子系統(tǒng)。在這三個系統(tǒng)中，最重要的就是電機驅動系統(tǒng)。電機驅動系統(tǒng)管理中最大的難點就是對它發(fā)熱的管理，因此，開發(fā)和研制電動汽車驅動器的冷卻系統(tǒng)成為研究熱點。該文首先分析了電動汽車驅動器發(fā)熱對其性能的影響，然后介紹了目前常用的幾種冷卻系統(tǒng)，最后提出了并提出了冷卻系統(tǒng)的性能評價方式及標準。

關鍵詞：電動汽車 驅動器 冷卻系統(tǒng)

中圖分類號：TM351 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）02（a）-0049-01

1 電機汽車驅動系統(tǒng)發(fā)熱對其性能的影響

電動汽車的驅動器一般由三大部分組成，包括電動機、功率轉換器和電子控制。電動汽車驅動器在運行過程發(fā)熱，大量的熱量會對電動汽車驅動系統(tǒng)的運行產生不良的影響，這些影響主要包括以下三個方面。首先，過高的溫度會降低電機的絕緣性。因為，過高的溫度會使電動汽車上的絕緣材料的物理性質發(fā)生變化，進而使得其絕緣能力下降，甚至有可能完全尚失，最終危害人的生命安全。其次，過高的溫度也會降低電機中金屬體的強度和硬度，使整個電動汽車變動脆弱不堪，影響整個汽車的運行性能。最后，過高的溫度還會影響電機驅動系統(tǒng)中功率和控制模塊。

2 電機驅動系統(tǒng)的冷卻方法

電動汽車電機驅動系統(tǒng)主要由三個部分組成：電機、功能轉換器、電子控制。這三部分的冷卻方式有多種，現(xiàn)分別進行以下介紹。

2.1 電機冷卻方式

電機的冷卻方式按照冷卻介質的不同，主要可以分為兩大類：即氣體冷卻和液體冷卻。

（1）氣體冷卻。

氣體冷卻主要是通過將氣體作為冷卻介質對電機進行冷卻，常用的氣體主要包括空氣和氫氣?？諝馐窃缙陔姍C冷卻最常用的一種冷卻方式，因為空氣冷卻成本低、構造簡單，而且便于后期維護。然而空氣冷卻也有很大的弊端就是它的冷卻效果差，而且空氣冷卻會帶來很大的額摩擦損耗，會降低電機的壽命。隨著，空氣冷卻在電機冷卻系統(tǒng)中的不斷應用，空氣冷卻系統(tǒng)帶來的各種弊端也受到越來越多人的關注。人們開始尋找新的冷卻方式以減少空氣冷卻帶來的不良的影響。隨后，氫氣冷卻系統(tǒng)應運而生。氫氣冷卻系統(tǒng)經歷表面冷卻向定子內冷卻發(fā)展的兩個階段。

（2）液體冷卻。

液體冷卻方式主要是通過液體對電機系統(tǒng)進行冷卻，而這些液體主要包括水和油。水冷卻是目前最為常用的一種冷卻方式，早在1958年，我國研制出了世界上第一臺125MW級雙水內冷汽輪發(fā)電機。到20世紀70年代初期，我國又研制出了200至300MW級大型雙水冷汽輪發(fā)電機。水冷卻的冷卻效果要明顯比空氣冷卻的效果好，主要得益于水的比熱大。水冷卻雖然成本低廉、冷卻效果好，但是它也有很大的弊端。

（3）其他冷卻方式。

隨著技術的不斷革新，越來越多的新的冷卻技術出現(xiàn)在人們的視野中。最具代表性的是目前出現(xiàn)的一種新型技術，即蒸發(fā)冷卻技術。蒸發(fā)冷卻技術與前述的兩種冷卻技術存在的最本質的區(qū)別就是它們的冷卻機制不同?？諝饫鋮s和液體冷卻的冷卻機制是借助介質的比熱吸收熱而帶走熱量。而蒸發(fā)冷卻則是利用液體沸騰汽化潛熱的冷卻方式進行散熱。蒸發(fā)冷卻的冷卻效果好，冷卻效率高。

2.2 電子元件的冷卻

電子元件是電動汽車驅動系統(tǒng)的十分重要的組成部分，對于電子元件的冷卻也是十分重要和必要的。電子元件只有在正常的溫度范圍內才能夠正常的工作，才能夠保證真?zhèn)€電機系統(tǒng)的正常工作，一旦溫度過高，電子元件的功能就會下降，甚至會被燒壞。電子元件的冷卻方式在這里主要介紹兩種：強迫風冷技術和熱管式散熱器。

（1）強迫風冷技術。

這種散熱方式在目前市場上相當普遍，其基本結構是在電子元器件上方或下方或其他位置安裝風扇，利用風扇將熱量帶走。其中在電子元器件安裝基座上也會有散熱翅片等結構

（2）熱管式散熱器。

充分利用了熱傳導原理，使發(fā)熱體產生的熱量可快速通過熱管散發(fā)出去。熱管技術是進行自冷，所以散熱系統(tǒng)無需風扇、無噪聲、免維護、安全可靠等各方面優(yōu)點。其基本工作原理是將管內抽成負壓以填充適量液體，使沿管壁鋪設的毛細結構多孔材料充滿液體并予以密封。管的一端為熱段，另一端為冷卻端，當熱管中的一端受熱時，毛細結構區(qū)域的液體蒸發(fā)汽化，蒸發(fā)帶走散熱的熱量，在壓差作用下，汽化液體流向另一端放出熱量而冷凝成液體，再演多孔毛細結構材料回流到蒸發(fā)端。

3 冷卻系統(tǒng)性能驗證和性能評價

3.1 性能驗證

無論是電池還是電機冷卻系統(tǒng)，都必須通過車輛相關的試驗驗證，這就涉及到試驗條件、試驗要求和評價準則。對于電池冷卻系統(tǒng)的驗證，電池充放電時的發(fā)熱特性，只要滿足電池放電狀態(tài)下的工作狀態(tài)即可，應選擇整車電能消耗最大的工況進行考核。而對于電機冷卻系統(tǒng)，要研究車輛工況與動力系統(tǒng)負荷的關系，這就涉及到車輛的使用工況和動力匹配。綜合考慮以上因素，以下工況可供借鑒：

（1）爬坡工況（s60 km/h，8%坡度）；

（2）高速工況（最高車速，水平路）；

（3）城市工況（0～40 km/h（5 s）一停車怠速（30 s）一啟動～40 km/h（5 s）循環(huán)，加速和減速時間均為5 s，共10個循環(huán)）；

（4）40 km/h至最高車速間隔車速勻速行駛，至少4個車速；

（5）車輛加速工況（0至最高車速）。

3.2 性能評價

對于純電動汽車冷卻系統(tǒng)的性能評價，主要從以下方面進行評價：

（1）各控制單元具有故障自診斷和保護功能；

（2）按照傳統(tǒng)車輛冷卻系統(tǒng)評價原理，計算車輛是否滿足要求的使用環(huán)境溫度限值（車輛運行環(huán)境溫度限值：-25～45℃）；

（3）考慮冷卻系統(tǒng)是否保證被冷卻單元是否處于最佳的運行溫度，以保證其處于最佳的工作效率；

（4）冷卻系統(tǒng)的運行在滿足要求的同時要求各部件的能耗和噪音滿足政策和要求；

（5）滿足使用壽命和可靠性要求。

4 結語

隨著低碳經濟和可持續(xù)發(fā)展理念的不斷推經，電動汽車在全世界的推廣將成為不可阻擋的趨勢。而對電動汽車驅動系統(tǒng)的冷卻是目前影響電動汽車推廣的一個重大的問題，解決這一重大的問題成為了電動汽車推廣的重中之重。而從面前的現(xiàn)狀來看，電動汽車驅動系統(tǒng)的冷卻方式多種多樣，如何選取最有效的冷卻系統(tǒng)既要考慮成本費用，又要考慮降溫效果和安全性。未來在電動汽車的研究領域中，關于低成本、高效率、安全性高、維護方便的電動汽車的驅動系統(tǒng)的冷卻系統(tǒng)的研究將成為研究的重點。

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