電動汽車動力系統熱管理和熱仿真知識概要

bluewind 2017-04-24

三、電機和驅動器熱管理
3.1 電機熱管理簡介
電動汽車采用永磁電機作為驅動心臟，這種類型的電機具有高效率、高功率因數、寬弱磁范圍、高轉矩過載能力以及低噪聲與振動等一系列優點。受車輛空間與運行環境的限制，研發人員總是力求使驅動電機的轉矩密度高、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，這勢必導致散熱困難，由此將會帶來電機過熱。當電動汽車在惡劣環境和惡劣工況下運行時（持續處于起動、爬坡、加速等狀態），電機熱耗更大，溫升更嚴重，對電機的安全性和使用壽命均產生不利影響。因此，準確預測電機在不同工況下的內部溫度分布，合理設計器冷卻散熱方式，是保證電機穩定安全運行的前提。
目前常規電動汽車的電機一般采用水套冷卻。驅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行裝配，這樣電機定子鐵心中產生的電磁力將通過此種配合傳遞到冷卻水套上。整個電機內產生的熱量也將被冷卻水帶走。

在一定泵功驅動下，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，其對流傳熱系數增大，但流動阻力也將增大。
可見，在設計冷卻水套時，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、水道內的對流傳熱分析以及整個水套的機械應力分析與計算。利用熱流仿真分析軟件可以對電機的冷卻水套進行優化設計，實現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電動汽車的驅動電機的冷卻水套系統。該水套采用鑄造成型，在高度方向上分三層，每層留設中空的流道，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
根據溫度場是否隨時間變化而將電機的熱分析模型分為穩態熱分析模型和瞬態熱分析模型。前者主要是指電機所產生的全部熱量都散發到周圍介質中，電機達到熱平衡狀態；后者強烈依賴于電機內熱源、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相關。瞬態熱分析的場景有電機啟停、突然爬坡、瞬時加速、短期堵轉等等，通常考驗電機冷卻系統的極限散熱能力。
針對不同電機熱模型，采用不同的分析方法。對于電機的穩態熱模型，一般采用二維等效熱網絡法；而對于熱源和邊界條件動態變化的電機瞬態熱分析模型，一般采用三維熱流分析軟件進行計算。熱分析的內容主要包含以下幾個部分：

驅動電機電磁損耗分析
驅動電機額定工作溫度下的冷卻系統參數設定
驅動電機的極限熱工況散熱分析

3.2.1 驅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。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子提供恒定磁場，且轉速較低，引起的渦流損耗和齒槽效應可以忽略不計。
3.2.2 冷卻系統參數確定及參數敏感性分析
3.2.2.1 驅動電機有限元熱分析模型建立
電機實體結構非常復雜，其各部件之間的熱交換也是一個復雜過程。為滿足工程實際，需要對電機結構進行合理簡化，抓住主要矛盾，忽略次要因素。對驅動電機作如下假設：
（1）電機機械損耗微小，可忽略不計；
（2）電機內部封閉空間為對稱結構，因而其溫度分布相同；
（3）電機運行時，頻率較低，可忽略轉子和永磁體產生的熱量，為等效熱網絡中的無源節點；
（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，各周期的結構冷卻邊界條件相同，僅需對其中之一的周期性結構構建熱分析模型；
3.2.2.2 冷卻系統參數確定及敏感性分析
根據上述熱流分析模型，對不同流動工況（驅動壓力、流量、壓力損失）下電機的溫度場分布進行計算分析。根據電機最佳使用溫度范圍和極限工況等設計目標，設定合理的冷卻系統參數（流速、泵功，安全系數等）。同時，對影響電機溫度分布的各個冷卻系統參數進行敏感性分析，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
根據建立的熱分析模型，對驅動電機在不同的轉速和不同的驅動力矩下進行仿真計算，預示不同工況下驅動電機的發熱量以及對整機的影響。待驅動電機樣件完成后，進行試驗驗證與分析結果的比對。
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），負責對電流、功率進行變換以輸出符合要求的電力。該設備也是重要的發熱大戶。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，高溫會嚴重減損其使用壽命。因此，該逆變器設備對散熱能力要求非常高，傳統強迫風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行精確仿真分析，需要獲知以下幾個方面的詳細信息：
（1）IGBT詳細熱分析模型
包括IGBT器件的詳細結構形式，器件中各種材料的物性，額定功耗，不同溫度下的轉換效率，溫度指標（工作結溫）許可等信息。

（2）冷板參數
包括槽道結構形式，基板材質，冷卻介質種類及性質，冷卻介質的各種流動參數（流量），各個傳熱路徑上的傳熱熱阻（如TIM熱阻，冷板流體側到基板頂蓋熱阻），壓降等。
（3）液冷系統的其他參數
換熱器、風扇等部件的參數。
下圖給出的為我司為某公司高功率密度IGBT組件水冷系統設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
對特定車型設計其熱管理系統（軟硬件），并對其進行熱仿真分析，均需要以獲知具體車型，結構布局，關鍵部件熱耗特征（電池包、逆變器、電機），以及安全系數等為前提。前期的熱仿真可提供方向性設計思路，具體熱管理細節還要深入到具體對象層面的研究。