基于北方氣候的電動汽車驅(qū)動器冷卻系統(tǒng)的研究

王作祿　付祥松　楊賢敏　龔智偉

（山東科技大學，山東青島　266590）

基于北方氣候的電動汽車驅(qū)動器冷卻系統(tǒng)的研究

王作祿付祥松楊賢敏龔智偉

（山東科技大學，山東青島266590）

隨著節(jié)能、環(huán)保經(jīng)濟在全世界的不斷發(fā)展，清潔、節(jié)能、高效的電動汽車越來越成為國內(nèi)外研究的重點。電機驅(qū)動系統(tǒng)作為電動汽車最重要的部分，其最大的問題就是對它發(fā)熱的處理。因此，開發(fā)和研制電動汽車驅(qū)動器的冷卻系統(tǒng)成為重要研究對象。本文基于北方冬季比較寒冷的氣候條件，通過對電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)的發(fā)熱分析和對電動汽車驅(qū)動系冷卻系統(tǒng)的分析，提出一種以液體和氣體兩種冷卻介質(zhì)對冷卻系統(tǒng)進行單獨冷卻的設計方案，采用ECU控制，傳感器采集信號，利用二位二通電磁換向閥實現(xiàn)空氣介質(zhì)和液體介質(zhì)兩種冷卻介質(zhì)的切換。同時，在以空氣為介質(zhì)的冷卻系統(tǒng)工作時，空氣冷卻系統(tǒng)排出的溫度較高的氣體與電動車空調(diào)系統(tǒng)相結(jié)合，實現(xiàn)駕駛艙內(nèi)空氣制熱，大量節(jié)省能源。

驅(qū)動系統(tǒng)發(fā)熱氣候條件冷卻系統(tǒng)ECU控制

1　電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)發(fā)熱對其性能的影響

電動汽車的驅(qū)動器一般由電動機、功率轉(zhuǎn)換器和電子控制三部分組成。電動汽車驅(qū)動器在運行過程發(fā)熱，大量的熱量會對電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)的運行產(chǎn)生不良的影響。首先，過高的溫度會降低電機的絕緣性，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。最后，過高的溫度還會影響電機驅(qū)動系統(tǒng)中功率和控制模塊。因此，在電動汽車行駛過程當中對電機驅(qū)動系統(tǒng)進行冷卻是十分有必要的。

2　全國氣候分析

全國氣候分析主要分北方和南方兩大地區(qū)進行分析。北方地區(qū)即秦嶺淮河線以北地區(qū)，主要氣候為溫帶大陸性氣候，局部為高原性氣候，冬季平均溫度普遍在0℃以下，由我們國家氣候特征得出每年的10月末到次年的2月初其空氣溫度相對較低，平均氣溫在4℃以下。相反，南方地區(qū)以亞熱帶季風氣候為主，最冷月平均溫度普遍在0℃以上，越接近赤道的地區(qū)，溫度越高，其空氣溫度相對較高，不適合以空氣作為冷卻介質(zhì)對電機驅(qū)動系統(tǒng)進行冷卻。

3　電機驅(qū)動系統(tǒng)的冷卻分析

目前，國內(nèi)針對電動汽車的電機和電動驅(qū)動系統(tǒng)根據(jù)不同的元件及不同的安裝位置分別采用不同的冷卻方式，其主要冷卻方式為風冷和水冷，不同的冷卻方式分別采用不同的器件，電機和電機驅(qū)動系統(tǒng)按照冷卻介質(zhì)的不同可分為兩大類：液體冷卻和氣體冷卻。

3.1液體冷卻

液體冷卻方式主要是通過液體對電機和驅(qū)動系統(tǒng)一體化水套進行冷卻，液體以冷卻水為主，流入的液體與電機和驅(qū)動系統(tǒng)外殼相接觸，通過熱傳遞的方式將熱量帶走，達到冷卻的目的。水的比熱容大，導熱系數(shù)高，散熱能力強，成本低，冷卻效果較好，但是仍舊存在很大的弊端。第一，水冷系統(tǒng)需要很強的密封性。第二，水冷系統(tǒng)制造難度大，成本高。

3.2氣體冷卻

氣體冷卻主要是通過將氣體作為冷卻介質(zhì)對電機進行冷卻?？諝饫鋮s成本低、構(gòu)造簡單，而且便于后期維護。根據(jù)使用條件，進入冷卻室的氣體溫度要低于4℃，所以主要適用于北方地區(qū)相應時間階段的溫度條件。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，因此，進行冷卻的空氣又嚴格的溫度要求，一般空氣溫度要低于4℃。同時，為避免空氣中混雜的雜質(zhì)對冷卻室的影響，進入冷卻室的空氣要經(jīng)過空氣濾清器的過濾、清潔，使清新的新鮮空氣進入冷卻室進行冷卻。

4　電機和驅(qū)動器冷卻方案

根據(jù)以上分析，為提高冷卻效率，提高系統(tǒng)的整合性，從提高資源利用率和節(jié)約保護能源的角度出發(fā)，針對北方氣候條件，將單純的液體冷卻系統(tǒng)和空氣冷卻系統(tǒng)整合為一個整體系統(tǒng)，建立一種水和空氣兩種介質(zhì)單獨進行冷卻的混合冷卻系統(tǒng)。在該冷卻系統(tǒng)中，以水為介質(zhì)的冷卻系統(tǒng)和以空氣為介質(zhì)的冷卻系統(tǒng)單獨工作，兩種冷卻介質(zhì)共同作用同一個冷卻室，兩種介質(zhì)通過一個二位二通電磁換向閥實現(xiàn)切換，以改變工作位置，實現(xiàn)不同的系統(tǒng)參與工作。由以上氣候分析，北方地區(qū)10月下旬到次年的2月上旬這個時間階段，采用滿足氣候條件的空氣介質(zhì)進行冷卻，并為駕駛艙提供暖風，最大化利用資源，節(jié)約能源，在不滿足氣候溫度條件的其余階段正常采用水介質(zhì)進行冷卻。

工作原理：在北方冬季，電動汽車在行駛過程當中，兩個冷卻系統(tǒng)的切換用二位二通電磁閥完成，電磁閥有兩個工作位置，A工作位置與水冷系統(tǒng)相連，B工作位置與空氣冷卻系統(tǒng)相連，在初始位置即汽車未啟動時，A工作位置接通，B工作位置關(guān)閉，A、B位置的通閉由電流控制。在不通電的情況下，電磁閥A工作位置與水冷系統(tǒng)相連并處于開啟狀態(tài)，當ECU給電磁閥通電時A工作位置關(guān)閉，B工作位置打開。電磁閥中安裝有限壓閥，限壓閥的作用用于限制電磁閥的最高壓力，以免壓力過高導致電磁閥損壞。車上安裝有溫度傳感器，用于檢測空氣的溫度，當溫度檢測到氣體溫度低于4℃時，ECU給二位二通電磁閥通電，使電磁閥切換到空氣冷卻系統(tǒng)的工作位置，采用空氣介質(zhì)參與冷卻工作。在通入空氣之前ECU控制電動水泵先將驅(qū)動系統(tǒng)冷卻水套內(nèi)的水泵入水箱，使水套保持清潔，為空氣提供適宜的工作條件。隨后由空氣壓縮機將經(jīng)過空氣濾清器清潔的空氣壓入冷卻室進行冷卻，冷卻室末尾安裝有空氣壓力傳感器，檢測冷卻室出口的氣體壓力變化，并轉(zhuǎn)換為信號傳遞給ECU，用于作為控制壓縮機的工作程度的判斷信號，防止冷卻室在風冷狀態(tài)下壓力過高對冷卻室產(chǎn)生損壞。

空氣經(jīng)過冷卻室?guī)ё唠姍C驅(qū)動系統(tǒng)產(chǎn)生的熱量，溫度升高，一部分被加熱的氣體傳遞到大氣當中，另一部分被導入電動汽車空調(diào)系統(tǒng)，經(jīng)過與部分空氣混合保持氣體適宜的溫度，然后將其導入駕駛艙，起到暖風制熱的效果，大大的節(jié)省能源，提高資源的利用率。

當溫度傳感器檢測到空氣溫度高于4℃時，ECU切斷傳給電磁閥的電流，并使電磁閥切換到A位置水冷系統(tǒng)，使B位置空氣冷卻系統(tǒng)關(guān)閉，同時使空氣壓縮機停止工作，冷卻室里的空氣基本上擴散到大氣中去，此時冷卻系統(tǒng)轉(zhuǎn)換到傳統(tǒng)的水冷系統(tǒng)。

在電動汽車啟動時，冷卻系統(tǒng)的選擇完全由溫度傳感器檢測的信號決定，當溫度傳感器檢測到空氣溫度高于4℃時采用水冷系統(tǒng)。相反，采用空氣冷卻系統(tǒng)。所有的控制信號在汽車怠速狀態(tài)下識別并進入相應的工作位置。

［1］紀云鵬.純電動汽車冷卻系統(tǒng)方案研究.電子世界，2014.

［2］王慶年.電動汽車冷卻系統(tǒng)設計及電機最優(yōu)冷卻溫度控制.吉林大學學報（工學社），2013.

［3］宋健.電動汽車驅(qū)動器冷卻系統(tǒng)的研究.科技創(chuàng)新導報，201 5.

［4］張舟云.用于電動汽車的電機和驅(qū)動器一體化冷卻系統(tǒng).同濟大學學報（自然科學版），201 5.