電動客車驅動電機雙冷卻系統(tǒng)設計

王欽普，王波，宋忠凱（中通客車控股股份有限公司，山東聊城252000）

電動客車驅動電機雙冷卻系統(tǒng)設計

王欽普，王波，宋忠凱
（中通客車控股股份有限公司，山東聊城252000）

以電動客車用驅動電機冷卻系統(tǒng)為研究對象，開發(fā)一種電機液冷/風冷雙冷卻系統(tǒng)，并對其技術方案、工作邏輯和應用效果進行詳細闡述。

電動客車；驅動電機；雙冷卻系統(tǒng)

在電動客車上，驅動電機是最大的發(fā)熱部件之一[1]，因此需要專門進行冷卻系統(tǒng)設計[2]。市場上電動客車一般采用單獨電機液冷系統(tǒng)或電機風冷系統(tǒng)，從技術路線角度考慮，均可以滿足電機散熱需求[3]，但是兩者各有優(yōu)劣勢：液冷散熱系統(tǒng)效率高但系統(tǒng)布置復雜；風冷散熱系統(tǒng)布置簡單但效率低。研究表明，驅動電機只有在最佳溫度工作，才會減少退磁，電機控制器功率器件才會正常工作。在純電動工況下，電機以峰值功率持續(xù)行駛及加速、減速頻繁時，電機溫升較快，最高可達120℃以上。電機雙冷卻系統(tǒng)可通過采集電機、電機控制器、冷卻液溫度信號，實時控制繼電器，由繼電器輸出控制電子風扇的高低速運轉、控制水泵、風機的啟停。其特點在于：可控制風扇轉速、水泵軟啟動，增加風機冷卻系統(tǒng)的高溫輔助冷卻功能，從而使電機峰值溫度保持在120℃以下，冷卻液溫度保持在60℃以下，確保電機及其控制器工作狀態(tài)達到最佳功效比，提高混合動力系統(tǒng)的可靠性，系統(tǒng)適用于DC12V-DC42V車輛。

1 電機雙冷卻系統(tǒng)技術方案

電動客車在純電動行駛時，驅動電機的持續(xù)驅動功率較大，此時對應的發(fā)熱功率也相對較大。針對電機系統(tǒng)高效冷卻需求，設計了可靠性更高、更節(jié)能的電機雙冷卻系統(tǒng)，即在常規(guī)液冷散熱的基礎上另外增加一套風冷系統(tǒng)[4]。通過增加一套風冷散熱系統(tǒng)，可在單獨液冷散熱系統(tǒng)的基礎上減少散熱器面積和電子風扇數量，整車布置靈活，電機熱交換時間縮短。該技術路線可在不增加成本的基礎上提高電機散熱效率，滿足各種行駛工況需求。通過采集電機、電機控制器、散熱器進出水等溫度信號來智能控制液冷與風冷系統(tǒng)的工作狀態(tài)，實現(xiàn)控制水泵啟停、電子風扇轉速、風冷風機啟停等功能[5]，從而達到降低整車能耗及提高電機系統(tǒng)可靠性的目標。本系統(tǒng)的開發(fā)將有力促進電動客車技術發(fā)展，逐步實現(xiàn)批量生產和市場推廣；同時可向傳統(tǒng)汽車技術擴散，取消傳統(tǒng)機械式皮帶傳動散熱系統(tǒng)，帶動我國汽車產業(yè)快速發(fā)展[6]。

1.1 電機雙冷卻裝置組成

本文開發(fā)的電機雙冷卻系統(tǒng)包括溫度采集及控制器ECU、液冷系統(tǒng)的散熱水箱、電子風扇、水泵、水溫傳感器，風冷系統(tǒng)的空濾器、風機等。ECU通過繼電器和電子風扇、水泵、風機連接，ECU通過CAN總線和測溫系統(tǒng)連接，通過采集電機及其控制器溫度信號控制水泵及風機的啟停，通過采集散熱水箱進出水溫度控制電子風扇的轉速[7]。

電機液冷裝置包括膨脹水箱、散熱水箱、進出水溫傳感器、電子風扇、水泵、成型硅橡膠管、不銹鋼管等；電機風冷裝置包括車內不銹鋼箱體（用于安裝空濾器及風機，含進風結構）、空濾器、風機、電機、成型硅橡膠管、不銹鋼管等。

溫度采集及控制機構包括ECU、散熱器進出水溫傳感器、電機溫度信號、電機控制器溫度信號、電子風扇繼電器、水泵繼電器、風機繼電器、線束、接插件等。

ECU通過3個繼電器分別和電子風扇、水泵、風機連接，ECU通過CAN總線和測溫系統(tǒng)連接，通過采集電機及其控制器溫度信號控制水泵及風機的啟停，通過采集散熱器進出水溫度控制電子風扇的轉速。

1.2 電機雙冷卻裝置連接方式

電機雙冷卻系統(tǒng)構成及連接圖如圖1所示。主要有以下幾部分組成：

電機液冷裝置：膨脹水箱通過φ19、φ10三元乙丙膠管分別與散熱水箱的通氣口φ10及出水口處三通鋼管注水口φ19連接，膨脹水箱的另一φ10口通過三元乙丙膠管垂直導向地面，散熱水箱出水口通過φ38-25成型硅橡膠管與三通鋼管連接，三通鋼管通過φ25-38成型硅橡膠管與水泵進水口連接，水泵出水口通過φ38-25成型硅橡膠管與φ25不銹鋼管連接，φ25不銹鋼管通過φ25三元乙丙膠管與φ25不銹鋼管連接，φ25不銹鋼管通過φ25成型硅橡膠管與電機控制器進水口連接，電機控制器出水口通過φ25成型硅橡膠管與φ25不銹鋼管連接，φ25不銹鋼管通過φ25三元乙丙膠管與φ25不銹鋼管連接，φ25不銹鋼管通過φ25成型硅橡膠管與電機進水口連接，電機出水口通過φ25成型硅橡膠管與φ25不銹鋼管連接，φ25不銹鋼管通過φ25三元乙丙膠管與φ25不銹鋼管連接，φ25不銹鋼管通過φ25～38成型硅橡膠管與散熱水箱回水口連接。

圖1 電機雙冷卻系統(tǒng)構成及連接圖

電機風冷裝置：空調風通過φ60硅橡膠管與φ60不銹鋼管連接，φ60不銹鋼管通過φ60硅橡膠管與空濾器進風口連接，空濾器出風口通過φ60硅橡膠管與風機進風口連接，風機出風口通過φ50硅橡膠管與φ50不銹鋼管連接，φ50不銹鋼管通過φ50硅橡膠管與電機進風口連接，電機出風口直接導向大氣。

溫度采集及控制機構：ECU通過CAN總線讀取散熱水箱、電機控制器、電機溫度信息，ECU通過繼電器、保險控制水泵、風機的啟停，通過繼電器、保險控制散熱水箱電子風扇的啟停及轉速大小。

2 電機雙冷卻系統(tǒng)工作邏輯及效果

本系統(tǒng)的整體工作邏輯為：當電機開始工作時，即啟動水泵開始進行冷卻液循環(huán)，在冬季氣溫較低或者短時間工作時即可滿足電機系統(tǒng)散熱需求；當長時間運行單靠水泵進行水循環(huán)自然散熱已經不能滿足電機的散熱需求時，首先啟動液冷電子風扇控制電機溫度的上升；當夏季氣溫較高或者長時間工作后，對電機的散熱性能要求更高，此時水泵、液冷電子風扇、風冷風機同時工作，從而在短時間內將電機系統(tǒng)的溫度控制到合理的范圍之內。

2.1 水泵工作邏輯

水泵是保證液冷散熱系統(tǒng)良好循環(huán)和工作的部件[8]。因此需要針對水泵狀態(tài)設定其工作觸發(fā)條件：當電機工作時，電機溫度＞50℃或電機控制器溫度＞45℃；當電機不工作時，電機溫度＞60℃或電機控制器溫度＞50℃。

水泵停止工作所需條件：當電機工作時，電機溫度＜47℃或電機控制器溫度＜42℃；當電機不工作時，電機溫度＜57℃或電機控制器溫度＜47℃，但水泵單次工作時間應大于60 s。

2.2 液冷電子風扇工作邏輯

液冷電子風扇是保證液冷散熱器良好散熱的部件，其工作所需條件：當散熱水箱進水溫度＞45℃或出水溫度＞43℃時，電子風扇低速運轉；當散熱水箱進水溫度＞62℃或出水溫度＞60℃時，電子風扇高速運轉；當散熱水箱進水溫度在45℃～62℃或散熱水箱出水溫度在43℃～60℃時，電子風扇轉速呈線性增長。

電子風扇關閉所需條件：當散熱水箱進水溫度＜43℃或出水溫度＜41℃。

2.3 風冷風機工作邏輯

風冷風機是保證風冷散熱系統(tǒng)良好工作的部件，其工作邏輯如圖2所示。

圖2 風冷風機工作邏輯圖

風機工作所需條件：當電機工作時，電機溫度＞100℃，或當電機不工作時，電機溫度＞110℃；

風機關閉所需條件：當電機工作時，電機溫度＜95℃，或當電機不工作時，電機溫度＜105℃。

2.4 應用效果

本散熱系統(tǒng)通過上述3個控制過程，使電機控制器入水口冷卻液溫度保持在60℃以下，電機內部溫度保持在120℃以下，實現(xiàn)電機及其控制器雙冷卻熱管理控制功能，達到有效控制電動客車電機及其控制器系統(tǒng)的溫度、提升系統(tǒng)的工作效率并延長使用壽命的效果[9]。經過對比測試，本系統(tǒng)與驅動電機單獨冷卻系統(tǒng)相比，綜合能耗降低5%以上，已經廣泛應用于插電式混合動力客車、純電動客車等整車產品，取得了良好的應用效

果[10]。

3 結束語

本文以新能源客車電機冷卻系統(tǒng)為研究重點，設計了一種液冷和風冷相結合的雙冷卻系統(tǒng)，既可以利用液冷散熱系統(tǒng)，也可以利用風冷散熱系統(tǒng)對電機散熱，有利于提高散熱系統(tǒng)的效率，是對常規(guī)單冷卻系統(tǒng)的技術升級。

[1]王賢海，杜傳進，王文端.汽車熱管理研究現(xiàn)狀及新進展[J].拖拉機與農用運輸車，2005（5）：8-10.

[2]吳琳、王宏光.水冷電機冷卻系統(tǒng)設計與計算[J].機械設計與制造，2008（8）：40-42.

[3]司康.我國新能源客車的發(fā)展及主要產品一覽[J].汽車與配件，2010（8）：32-36.

[4]邱宣懷，郭可謙，吳宗澤，等.機械設計[M].4版.北京：高等教育出版社，2011.

[5]郭新民，高平，孫世民，等.自控電動冷卻風扇在汽車發(fā)動機上的應用[J].內燃機工程，1993（1）：79-82.

[6]陳家瑞.汽車構造[M].3版.北京：機械工業(yè)出版社，2011.

[7]朱敏慧.法雷奧已經或即將實用化的汽車新技術[J].汽車與配件，2003（23）：24-25.

[8]《汽車工程手冊》編委會.汽車工程手冊設計篇[M].北京：人民交通出版社，2001.

[9]全國汽車標準化技術委員會.汽車熱平衡能力道路試驗方法：GB/T 12542-2009[S].北京：中國標準出版社：2009：3.

[10]王仁祥.電力新技術概論[M].北京：中國電力出版社，2009.

修改稿日期：2017-03-06

Design of DualCooling System for Drive Motor of Electric Bus

Wang Qinpu,Wang Bo,Song Zhongkai
(Zhongtong Bus Holding Co.,Ltd,Liaocheng 252000,China)

Taking the cooling system ofelectric bus driving motor as the research object,the authors develop a type ofdualcooling system for liquid-cooling/air-cooling motor,and elaborate the technicalscheme,working logic and application effectin detail.

electric bus;driving motor;double cooling system

U469.72；U464.142

B

1006-3331（2017）04-0028-03

王欽普（1964-），男，研究員；泰山學者；主持國家新能源汽車產業(yè)技術創(chuàng)新工程項目和國家科技支撐計劃項目等工作。