電驅(qū)系統(tǒng)熱管理策略對整車性能的影響分析

摘 要：電驅(qū)系統(tǒng)熱管理策略的制定直接影響電動汽車整車動力性能與能耗經(jīng)濟性以及運行可靠性，熱傳遞機制與散熱路徑的合理設(shè)計，決定了電機及功率電子器件的溫度場分布以及熱穩(wěn)定性。研究發(fā)現(xiàn)，電驅(qū)系統(tǒng)熱負(fù)荷顯著制約整車動力性能，電機效率與溫度變化呈現(xiàn)強關(guān)聯(lián)性，功率器件熱響應(yīng)直接影響系統(tǒng)功率輸出能力，熱積累效應(yīng)對續(xù)航里程產(chǎn)生潛在制約。熱管理技術(shù)的應(yīng)用能夠有效提升電驅(qū)系統(tǒng)性能，主動冷卻方式在促進(jìn)電驅(qū)動響應(yīng)速度以及保障系統(tǒng)可靠性方面表現(xiàn)突出。

關(guān)鍵詞：電驅(qū)系統(tǒng) 熱管理策略 整車性能 溫度場分布 熱負(fù)荷制約 動力輸出

電動汽車電驅(qū)系統(tǒng)作為核心動力總成，其熱管理策略的科學(xué)性直接決定整車性能表現(xiàn)。隨著電驅(qū)系統(tǒng)功率密度持續(xù)提升，熱管理問題日益凸顯，成為制約整車性能發(fā)揮的關(guān)鍵因素，電機以及功率電子器件在高負(fù)荷運行時產(chǎn)生大量熱量，若熱管理策略不當(dāng)，將導(dǎo)致溫度過高與效率下降以及功率限制等問題，嚴(yán)重影響整車動力性與可靠性。因此，深入研究電驅(qū)系統(tǒng)熱管理策略對整車性能的影響機理，制定科學(xué)有效的熱控制方案，對提升電動汽車綜合性能具有重要意義。

1 電驅(qū)系統(tǒng)熱管理的基礎(chǔ)理論與關(guān)鍵參數(shù)

1.1 熱傳遞機制與散熱路徑分析

電驅(qū)系統(tǒng)熱傳遞過程遵循傳導(dǎo)對流輻射三種基本機制，其中傳導(dǎo)為主要熱量傳遞方式，在IGBT功率器件之中，熱量從芯片產(chǎn)生之后依次通過芯片焊接層，銅片，陶瓷層與系統(tǒng)焊接層到達(dá)基板，形成多層結(jié)構(gòu)復(fù)雜傳熱路徑，每一層材料熱阻以及熱容特性會直接影響熱量傳遞效率，電機系統(tǒng)散熱路徑涵蓋定子繞組到鐵芯，鐵芯到機殼，機殼到冷卻介質(zhì)傳熱過程，冷卻液循環(huán)系統(tǒng)依靠強制對流換熱把熱量從發(fā)熱部件傳遞至散熱器，最終經(jīng)空氣對流以及輻射散發(fā)到環(huán)境當(dāng)中。散熱路徑設(shè)計需要考慮材料導(dǎo)熱系數(shù)與接觸熱阻以及流體流動特性等關(guān)鍵參數(shù)，以此確保熱量能夠高效傳遞，散熱器翅片設(shè)計與水道布局以及風(fēng)扇配置等因素共同決定整體散熱效果，影響電驅(qū)系統(tǒng)熱管理性能。

1.2 溫度場對電機及功率電子器件的影響

溫度場分布直接決定電機及功率電子器件的工作特性與性能表現(xiàn)，對于永磁同步電機，溫度升高會導(dǎo)致永磁體磁性能下降，磁鏈減弱，進(jìn)而影響電機的轉(zhuǎn)矩輸出能力與效率[1]。繞組電阻隨溫度升高而增大，導(dǎo)致銅損增加，效率進(jìn)一步降低，當(dāng)溫度超過絕緣材料的耐熱等級時，絕緣性能急劇惡化，可能引發(fā)絕緣擊穿故障。IGBT功率器件的開關(guān)損耗以及導(dǎo)通損耗均與結(jié)溫密切相關(guān)，結(jié)溫升高會增加器件的漏電流，降低開關(guān)速度，影響系統(tǒng)的功率密度與能量轉(zhuǎn)換效率，溫度梯度過大還會在器件內(nèi)部產(chǎn)生熱應(yīng)力，導(dǎo)致焊接層疲勞與鍵合線斷裂等可靠性問題，電容器的容量以及等效串聯(lián)電阻也會隨溫度變化，影響濾波效果以及系統(tǒng)穩(wěn)定性。因此，精確控制溫度場分布對維持電驅(qū)系統(tǒng)高效穩(wěn)定運行至關(guān)重要。

1.3 熱平衡狀態(tài)與熱穩(wěn)定性評估

熱平衡狀態(tài)是電驅(qū)系統(tǒng)穩(wěn)定運行所必需的基礎(chǔ)條件，它要求系統(tǒng)產(chǎn)熱功率與散熱功率達(dá)成動態(tài)平衡，熱平衡分析需要構(gòu)建完整的熱網(wǎng)絡(luò)模型，把各發(fā)熱部件抽象成熱源，將散熱路徑表示成熱阻與熱容網(wǎng)絡(luò)，F(xiàn)oster熱網(wǎng)絡(luò)模型借助RC網(wǎng)絡(luò)描述溫度響應(yīng)特性，雖說網(wǎng)絡(luò)節(jié)點缺乏物理意義，卻能夠準(zhǔn)確反映結(jié)溫與環(huán)境溫度之間的傳遞函數(shù)關(guān)系，Cauer熱網(wǎng)絡(luò)模型的每一組熱阻熱容都對應(yīng)實際物理結(jié)構(gòu)，便于理解但獲取參數(shù)比較困難。熱穩(wěn)定性評估需要考量系統(tǒng)在不同工況下的溫度響應(yīng)速度以及穩(wěn)定裕度，瞬態(tài)熱分析能夠預(yù)測溫度變化的具體過程，識別熱沖擊以及熱疲勞方面的風(fēng)險，穩(wěn)態(tài)熱分析可確定最高工作溫度以及熱平衡點，熱穩(wěn)定性指標(biāo)涵蓋溫度波動幅度與響應(yīng)時間常數(shù)以及熱容量等參數(shù)，這些指標(biāo)直接影響電驅(qū)系統(tǒng)的功率輸出能力與工作可靠性。

2 電驅(qū)系統(tǒng)熱負(fù)荷對整車動力性能的制約

2.1 電機效率與溫度變化的關(guān)聯(lián)性研究

電機效率的溫度敏感性根源于熱電磁耦合效應(yīng)，如圖1所示的效率退化曲線反映了實際運行特性，繞組電阻按照規(guī)律變化：

其中為實際溫度下電阻值，為參考溫度，為下電阻值，為電阻溫度系數(shù)（銅繞組為0.00393/℃）。當(dāng)繞組溫度從80℃升至120℃時，銅繞組電阻增加15.7%，I2R損耗顯著增加，Hair-Pin繞組結(jié)構(gòu)使熱點分布復(fù)雜化，端部與槽內(nèi)存在溫差梯度，永磁體在150℃以上發(fā)生不可逆退磁，氣隙磁密永久性下降，需要更大勵磁電流維持轉(zhuǎn)矩，形成惡性循環(huán)，油冷系統(tǒng)通過直接接觸能有效控制繞組溫度，水冷系統(tǒng)需通過定子鐵芯傳導(dǎo)，存在熱阻較大問題[2]。冷卻策略設(shè)計需兼顧繞組冷卻以及永磁體保護(hù)，合理的熱管理能維持電機在高效率區(qū)間運行。

2.2 功率器件熱響應(yīng)對系統(tǒng)功率輸出的影響

IGBT功率器件的熱響應(yīng)機制決定電驅(qū)系統(tǒng)瞬態(tài)功率輸出邊界，開關(guān)損耗與結(jié)溫呈指數(shù)關(guān)系：

其中Esw（Tj）為結(jié)溫Tj下的開關(guān)損耗，Esw，0為參考溫度下的開關(guān)損耗，kT為溫度系數(shù)（0.004-0.007/℃），Tj為結(jié)溫，Tj，0為參考結(jié)溫。結(jié)溫從25℃升至125℃時，開關(guān)損耗增加40%-60%，控制系統(tǒng)采用多級熱保護(hù)：115℃時開關(guān)頻率從16kHz遞減至6kHz；125℃時啟動電流限制；135℃時緊急關(guān)斷，功率器件熱時間常數(shù)差異導(dǎo)致多尺度熱響應(yīng)：芯片級1-5ms適合瞬態(tài)控制，模塊級100-500ms影響短期策略，散熱器級10-60s決定長期平衡。這種分級保護(hù)在保障安全同時造成動力性能階梯式衰減，需要通過結(jié)溫估算模型實現(xiàn)預(yù)測性熱管理。

2.3 熱積累效應(yīng)對續(xù)航里程的潛在影響

熱積累效應(yīng)源于系統(tǒng)級能量平衡失調(diào)，連續(xù)運行功率超過散熱能力時熱量逐步累積，城市擁堵工況下頻繁啟停產(chǎn)生高頻沖擊負(fù)載，而低車速導(dǎo)致散熱系統(tǒng)迎面風(fēng)量不足，熱積累導(dǎo)致連鎖效率退化：電機效率每下降1%對應(yīng)續(xù)航減少2-3km；功率器件溫度每升高10℃，開關(guān)損耗增加8%-12%，系統(tǒng)效率下降0.5%-0.8%，冷卻系統(tǒng)功耗呈非線性上升，風(fēng)扇功耗與轉(zhuǎn)速三次方成正比，水泵功耗與流量三次方相關(guān)。極端高溫下冷卻功耗占總能耗5%-8%，顯著侵蝕續(xù)航里程。智能熱管理策略需集成駕駛模式識別以及路況預(yù)測，長坡前預(yù)冷系統(tǒng)，高速時優(yōu)化冷卻功耗分配，將熱積累負(fù)面影響控制在可接受范圍。

3 熱管理技術(shù)對電驅(qū)系統(tǒng)性能提升的作用

3.1 主動與被動冷卻方式的比較分析

主動冷卻方式與被動冷卻方式在電驅(qū)系統(tǒng)應(yīng)用中體現(xiàn)出明顯的技術(shù)分化與性能權(quán)衡特征。從表1能看出，被動冷卻技術(shù)路線的優(yōu)勢是零功耗與低復(fù)雜度，但散熱能力與響應(yīng)速度存在固有限制，適合功率密度要求不高的應(yīng)用場景，主動冷卻技術(shù)路線是通過引入外部能量輸入實現(xiàn)散熱性能的跨越式提升，隨著冷卻方式主動化程度增加，散熱能力呈指數(shù)增長趨勢且響應(yīng)時間呈對數(shù)衰減規(guī)律，技術(shù)演進(jìn)路徑體現(xiàn)出散熱能力與系統(tǒng)復(fù)雜度之間存在正相關(guān)關(guān)系，功耗占比會隨冷卻效率提升而遞增，液冷技術(shù)跟風(fēng)冷技術(shù)相比，在散熱密度與響應(yīng)速度方面有顯著優(yōu)勢，不過需要承擔(dān)更高的系統(tǒng)集成成本以及維護(hù)復(fù)雜度。復(fù)合冷卻方案通過技術(shù)融合實現(xiàn)性能極值，代表著高端電驅(qū)系統(tǒng)熱管理的未來發(fā)展方向，冷卻方式的選擇需要在性能需求與成本約束以及可靠性要求之間尋求最優(yōu)平衡點。

3.2 熱管理系統(tǒng)對電驅(qū)動響應(yīng)速度的促進(jìn)

熱管理系統(tǒng)通過精確溫度控制消除熱致性能漂移，顯著提升電驅(qū)動系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)特性，溫度波動引起的電機參數(shù)變化是制約響應(yīng)速度的關(guān)鍵因素，繞組電阻與永磁體磁鏈的溫度敏感性導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩常數(shù)波動，影響控制精度[3]。主動熱管理采用預(yù)測控制算法，根據(jù)功率需求以及環(huán)境條件預(yù)調(diào)冷卻強度，將關(guān)鍵部件溫度波動控制在±5℃范圍內(nèi)，加快響應(yīng)冷卻系統(tǒng)的熱時間常數(shù)決定溫度調(diào)節(jié)速度：

其中為熱容質(zhì)量，為比熱容，為傳熱系數(shù)，為傳熱面積。油冷系統(tǒng)熱時間常數(shù)約5-15s，能夠跟隨瞬態(tài)功率變化，溫度穩(wěn)定性提升使電機控制器能夠采用更高帶寬設(shè)計，轉(zhuǎn)矩響應(yīng)時間從50-100ms縮短至20-40ms，集成化熱管理控制器通過溫度前饋補償，實現(xiàn)電機參數(shù)實時修正，保證不同溫度工況下控制性能一致性，消除熱致響應(yīng)延遲。

3.3 熱控制對系統(tǒng)可靠性及壽命的保障

精確熱控制通過多維度保護(hù)策略顯著提升電驅(qū)系統(tǒng)可靠性以及使用壽命，功率器件失效率與結(jié)溫呈指數(shù)關(guān)系，溫度每降低10℃器件壽命延長一倍，熱管理的經(jīng)濟價值極為顯著，系統(tǒng)采用分層熱保護(hù)架構(gòu)：監(jiān)控層實時采集多點溫度信號，預(yù)警層在溫度接近閾值時調(diào)整開關(guān)頻率以及電流幅值，保護(hù)層在危險溫度下實施功率限制或關(guān)斷保護(hù)，電機繞組絕緣材料熱老化遵循阿倫尼烏斯定律，溫度控制精度直接決定絕緣壽命[4]。永磁體熱穩(wěn)定性管理防止不可逆退磁，釹鐵硼材料在120℃以上開始顯著退磁，精確溫控維持磁性能長期穩(wěn)定，冷卻系統(tǒng)冗余設(shè)計提供故障安全保障，雙水泵或雙風(fēng)道配置確保單點故障不影響核心散熱功能，熱循環(huán)應(yīng)力是功率模塊焊接層疲勞的主要誘因，通過減小溫度波動幅度延長機械連接壽命，智能熱管理算法集成壽命預(yù)測模型，實現(xiàn)系統(tǒng)壽命最大化運行策略。

4 熱管理綜合效應(yīng)對整車運行特性的優(yōu)化體現(xiàn)

4.1 溫度均衡對動力輸出穩(wěn)定性的貢獻(xiàn)

溫度均衡性是保障電驅(qū)系統(tǒng)動力輸出穩(wěn)定的基礎(chǔ)，直接影響整車駕駛平順性與動力一致性，電機內(nèi)部溫度梯度分布不均會致使局部熱應(yīng)力集中，進(jìn)而引起轉(zhuǎn)子動平衡偏移與轉(zhuǎn)矩脈動增加，功率器件間的溫度差異會造成開關(guān)特性不匹配，產(chǎn)生相電流不平衡與諧波畸變問題，熱管理系統(tǒng)通過優(yōu)化冷卻流道設(shè)計以及溫度監(jiān)控策略，實現(xiàn)多相功率模塊的溫度一致性控制，將溫度偏差控制在±3℃范圍內(nèi)，均勻的溫度分布可保證各相IGBT具有相同導(dǎo)通電阻以及開關(guān)延遲，減少電流諧波含量與轉(zhuǎn)矩紋波現(xiàn)象。電機定子的徑向以及軸向溫度均勻性影響氣隙磁密分布，溫度梯度過大會產(chǎn)生熱變形，導(dǎo)致偏心與振動情況增加，集成化熱管理通過多點溫度反饋與分區(qū)冷卻控制，維持電機幾何精度以及磁場對稱性，穩(wěn)定的溫度環(huán)境使電驅(qū)系統(tǒng)能在全工況范圍保持一致動力輸出特性，提升整車動力傳遞可預(yù)測性與可控性。

4.2 熱控制下整車能耗與效率的協(xié)調(diào)提升

熱控制策略的優(yōu)化實現(xiàn)了電驅(qū)系統(tǒng)效率提升與冷卻功耗控制的動態(tài)平衡，達(dá)到整車能耗最小化目標(biāo)，智能熱管理系統(tǒng)根據(jù)實時工況與環(huán)境條件，動態(tài)調(diào)節(jié)冷卻強度，避免過度冷卻造成的能耗浪費。冷卻系統(tǒng)功耗與散熱需求呈非線性關(guān)系，通過精確的熱負(fù)荷預(yù)測與多級冷卻控制，實現(xiàn)冷卻效率與功耗的最優(yōu)配比，電機以及功率器件在最適宜溫度區(qū)間運行時，損耗最小化，系統(tǒng)效率達(dá)到峰值，熱管理控制器集成駕駛模式識別功能，在城市工況下優(yōu)先控制功率器件溫度，在高速工況下注重電機冷卻效果[5]。冷卻液溫度的精確控制影響整個熱管理回路的泵功以及風(fēng)扇功率需求，溫控精度每提高1℃對應(yīng)冷卻功耗降低2%-3%，協(xié)調(diào)優(yōu)化策略通過預(yù)測性熱管理，在保證關(guān)鍵部件安全溫度的前提下，最小化冷卻系統(tǒng)能耗，實現(xiàn)電驅(qū)效率提升與熱管理功耗控制的雙重目標(biāo)。

4.3 高效熱管理在極端工況下的性能保障

極端工況時候熱管理性能直接決定整車環(huán)境適應(yīng)性與任務(wù)完成能力，高溫環(huán)境當(dāng)中，環(huán)境溫度接近或超系統(tǒng)設(shè)計散熱溫差時，傳統(tǒng)散熱方式效果急劇衰減，需熱管理系統(tǒng)提供額外冷卻裕度，低溫環(huán)境之下冷卻液粘度增加以及熱交換器結(jié)霜現(xiàn)象影響散熱效率，且電機與功率器件需適度加熱維持最佳工作溫度，熱管理系統(tǒng)憑借多模式切換策略來適應(yīng)極端環(huán)境，高溫模式啟動最大冷卻能力并調(diào)整功率輸出策略，低溫模式采用余熱回收以及電加熱結(jié)合保溫措施。長時間大功率輸出工況時，熱積累效應(yīng)考驗熱管理系統(tǒng)持續(xù)散熱能力，需要熱容緩沖以及峰值散熱能力儲備，極端工況熱管理還需考慮系統(tǒng)級熱保護(hù)策略，通過功率分配工況調(diào)節(jié)以及冷卻優(yōu)先級管理，確保關(guān)鍵部件始終處于安全溫度范圍。

5 結(jié)語

電驅(qū)系統(tǒng)熱管理策略對整車性能具有全方位的深刻影響，基礎(chǔ)理論研究表明，合理的熱傳遞機制設(shè)計以及散熱路徑優(yōu)化是實現(xiàn)溫度場均勻分布的關(guān)鍵，直接影響電機與功率器件的工作狀態(tài)。熱負(fù)荷分析揭示了溫度變化對電機效率的制約作用，功率器件熱響應(yīng)成為系統(tǒng)功率輸出的決定性因素，熱管理技術(shù)的應(yīng)用顯著提升了電驅(qū)系統(tǒng)性能，主動冷卻方式在改善系統(tǒng)響應(yīng)速度與延長使用壽命方面效果顯著。綜合效應(yīng)分析證實，有效的熱管理策略能夠?qū)崿F(xiàn)溫度均衡，保障動力輸出穩(wěn)定性，在協(xié)調(diào)提升整車能耗效率的同時，為極端工況下的性能表現(xiàn)提供可靠保障。

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