长城汽车股份有限公司，河北省汽车工程技术研究中心，河北保定071000
摘要：随着社会进步发展，我国的科技水平不断提高。为了降低电动汽车控制器工作温度，提高其工作效率，设计出控制器水冷却系统，系统包含水道、水泵、散热片、风扇等。控制器的功率管紧贴在水道上，功率管的热被水道里的水吸收，并被送往散热片。散热片在风扇的作用下把热量吹散开，降低了驱动功率管的温度。利用DS18B20检测水温，利用PWM控制L298内部MOS管的开度，风扇和水泵的转速随着驱动管温度改变而变化。试验表明，在大负荷工况下，驱动管的温升得到有效抑制，控制器的工作效率明显提高。
关键词：电动汽车；电机；风冷系统；液冷系统
引言：近几十年来，世界经济蓬勃发展，作为人类主要交通工具的汽车数量也达到了可观的规模，其中绝大部分是传统燃油汽车，这给化石资源和大气环境带来了很大压力。随着全球能源危机和大气污染问题愈演愈烈，与传统能源汽车相比，更加绿色清洁、零排放的电动汽车正越来越引起人们的重视。在中国，电动汽车产业已经成为受政策大力扶持的新兴产业，获得了飞速发展。但在电动汽车的发展过程中，也存在着一些不可忽视的问题。为满足性能需求，电动汽车通常采用高功率密度电机，相比传统电机，高功率密度电机运行过程中发热量较高，而车厢的安装空间狭小，恶劣复杂的工况也加剧了散热的困难性，使得车用电机存在严重的温升问题，这成为限制电动汽车电机性能进一步提升的主要因素之一。因此，研究电机的温升问题，合理设计冷却系统，对电机的安全经济运行有着重要意义。目前对车用电机冷却系统的研究主要分为风冷和液冷两大类，国内外研究人员针对这两个方向展开了大量研究并取得了诸多重要研究成果。本文主要介绍了各类冷却系统的原理、特点、主要应用和发展历程，国内外研究现状及发展动态，对比分析了各自的优缺点，描述了目前面临的主要研究问题，并在此基础上对电动汽车用电机冷却系统进行进一步探讨。
1冷却风扇和水泵的选型设计
本套冷却系统的应用对象是某电动汽车发动机，发动机型号是BYD371QA。该发动机缸体采用的是铝合金材质，燃油箱容积为30L，最大扭矩转速为4000~4500r/min，最大扭矩为60N·m，最大功率为50kW，散热器面积为0.77m2。根据上述参数，在设计时需要对冷却风扇和水泵进行选型，以满足发动机工作时的散热需求。电动汽车行驶时，发动机燃料燃烧释放出的热量随着缸体、废气等各种渠道散发出去，进入冷却系统中的热量只占了总散发热量的15%~20%。冷却系统带走的热量QS用经验公式计算：
式中：A——冷却液带走的热量与燃料燃烧时释放的能量的百分比，一般取0.25；g——燃料消耗率，一般取0.198kJ/(kW·h)；p——发动机额定功率，此设计中某电动汽车的最大功率为50kW；h——燃料低热值，汽油一般取43000kJ/kg。将数值带入式（1）计算可得电动汽车冷却系统带走发动机工作时总热量QS=29.5kJ/s。
2风冷系统
风冷系统一般适用于功率较小的小型电机，对小功率电动汽车来说，由于其不需要额外冷却装置，结构简单可靠，成本低廉，所以存在一定的应用价值。风冷系统按是否添加额外的增强空气流动装置，可分为自然风冷和强迫风冷。自然风冷不额外添加冷却装置，通过电机运行中自然的空气流动冷却电机，一般需要在机壳表面增设散热筋、散热片等增强散热，冷却成本低廉。轮毂电机是一种在车辆车轮上集成驱动、制动系统的电机，安装空间十分紧张，且对可靠性要求高，所以采用自然风冷较多。设计了一款10kW的电动汽车用内置式永磁同步轮毂电机，采用自然冷却方式，在机壳上装有扩展散热筋以加强散热效果。中以一台2kW的直驱外转子式无刷轮毂电机进行了研究，采用了自然风冷式进行冷却。这种结构简单可靠，比较适合于工作中有较多自然空气流动，并且功率较小的电机。
除了通过在机壳设散热片增大散热面积外，还可以通过设计辅助的散热装置增强散热。通过设计制冷涡流管来增强电机散热，如图1所示，空气流入布置于电机定子内的冷却涡管风道内，达到了较好的冷却效果。
图1某风冷电机制冷涡流管
强迫风冷的基本结构是在电机上设置风扇，利用风扇带动空气流动，增强风冷效果。根据空气不同的流通路径，可分为内部风冷和外部风冷两类。外通风即通过在电机外部非轴伸端装设风扇，通过风扇旋转增压后形成气流，对电机机壳外表面进行冷却，通常在机壳表面设计扩展散热筋来增大散热面积，这种结构具有构造简单，成本低的优点。内通风即在电机内部设置风路，并通过风扇带动气流通过风路进行散热。相比外通风，内通风拥有较好的冷却效果。内通风根据风路的不同有径向式结构、轴向式结构和径向轴向混合通风结构，微型电动汽车体积较小，采用轴向式风冷较多。轴向式风冷典型结构如图2所示，空气被风扇驱动流入电机，沿电机铁心上的通风孔及气隙构成的轴向通风道进行冷却换热。
图3某轴向式风冷电机主要结构
根据内部风路与外部风路的关联，强迫风冷可分为封闭式和开启式系统。开启式系统以内外风路联通，外部空气可循环到电机内部直接换热，这种方式冷却效率高，但由于电机内部直接与外界接触，环境中灰尘污垢容易进入电机，运行一段时间后需对电机进行拆卸清理，并且转子上的冷却风扇高速运转，噪声较大，早期小型车用电机应用这种结构较多。封闭式系统，即内风路封闭，利用电机内部同轴风扇带动气流将热量传递到机壳表面，再对外散热。这种无外风扇全封闭式风冷结构能有效地解决灰尘问题，并减小风扇噪声，结构如图4所示
图4无外风扇全封闭风冷电机结构图
在风冷系统中，冷却介质空气的流速是影响冷却效果的一个重要因素。以一台全封闭风冷电机为对象，分析测试了空气流速对冷却效果的影响，测得随着内部空气流速的增加，电机的主要发热部分温度均随之减小。
结语：
随着能源结构的改变，未来新能源汽车将迎来快速发展期，对电动汽车用驱动电机冷却系统的研究具有重要的现实意义。本文介绍了电动汽车用高功率密度电机的特点、电机主要热源，系统梳理了国内外车用电机冷却系统的研究现状，综述风冷系统和液冷系统的基本结构、特点和研究动态，并对两者优缺点进行了比较，给出其适用条件，为今后车用高功率密度电机冷却系统的研究和设计提供了一定的参考价值。
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