純電動汽車集成電驅(qū)系統(tǒng)油冷方案的研究與應(yīng)用

陳廣林 周文 陳寄貴 譚立真

摘 要：純電動汽車是當今前新能源汽車的重要趨勢，驅(qū)動電機系統(tǒng)作為純電動汽車關(guān)鍵技術(shù)也受收到越來越多關(guān)注。集成油冷電驅(qū)系統(tǒng)以其結(jié)構(gòu)緊湊、低成本、高效率已經(jīng)成為各大廠商主推的產(chǎn)品之一。文章針對集成電驅(qū)系統(tǒng)油冷方案在純電動汽車的應(yīng)用進行研究，通過計算分析與實驗驗證獲得油冷方案的相關(guān)參數(shù)，加快了集成油冷電驅(qū)系統(tǒng)在純電動汽車上的應(yīng)用開發(fā)。

關(guān)鍵詞：純電動汽車;集成電驅(qū)系統(tǒng);冷卻;熱平衡

中圖分類號：U469.72? 文獻標識碼：A? 文章編號：1671-7988（2020）15-08-03

Abstract： Electric vehicles are an important trend of today's new energy vehicles， and As the key technology of electric vehicles， more and more attention have been paid to drive motor systems. For the advantage of compact structure， low cost and high efficiency， integrated oil-cooled electric drive system has become one of the main products of major manufacturers. The research and application of integrated electric drive system oil cooling method on the electric vehicle have been conducted in this paper. The relevant parameters of the oil cooling method are obtained by calculation analysis and experimental verification， which greatly accelerates the application development of integrated electric drive system oil cooling method on the electric vehicle.

Keywords： Electric vehicles; Integrated electric drive system; Cool; Heat balance

CLC NO.： U469.72? Document Code： A? Article ID： 1671-7988（2020）15-08-03

前言

電動汽車主要分為純電動、混合動力、燃料電池三種。無論是純電動汽車、混合動力汽車還是燃料電池汽車，電機驅(qū)動系統(tǒng)都是其關(guān)鍵部件[1]。集成電驅(qū)系統(tǒng)將驅(qū)動電機、電機控制、差速器以及減速器集成在一起，減小了整個電驅(qū)系統(tǒng)的質(zhì)量和體積，有效的降低了電驅(qū)系統(tǒng)及整車的制造成本，已經(jīng)成為當今廣泛運行的電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)。集成電驅(qū)系統(tǒng)的冷卻一般分為風(fēng)冷、水冷和油冷，其中油冷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊、冷卻效率高是一種優(yōu)良的電驅(qū)冷卻方式。本文重點就純電動汽車集成電驅(qū)系統(tǒng)的油冷方案進行研究分析。

1 研究分析

1.1 方案介紹

純電動汽車集成電驅(qū)系統(tǒng)油冷方案如下圖所示：電驅(qū)冷卻油通過油泵從電驅(qū)油底殼進入油冷器，在油冷器內(nèi)與整車的冷卻液進行熱交換后對電機進行冷卻，再回流至電驅(qū)油底殼。該方案需要確定電驅(qū)系統(tǒng)中所需的油泵流量、油冷器功率以及整車的冷卻液流量。

1.2 參數(shù)計算

電驅(qū)系統(tǒng)油冷方案的熱源主要來自電機運行中的損耗，電機在不同的熱平衡工況下效率和損耗值各不相同，需確認整車運用中最大的損耗值。根據(jù)純電動汽車動力性的設(shè)置存在以下四種工況[2]：1km最高車速、30min最高車速，百公里加速時間，1km爬坡車速，其中30min最高車速工況屬于持續(xù)運行熱平衡狀態(tài)，其他均屬于短時運行工況。結(jié)合某量產(chǎn)車型參數(shù)：30min最高車速150km/h、半載整備質(zhì)量約2158kg、車輪半徑324mm、風(fēng)阻系數(shù)0.245、迎風(fēng)面積2.35m2、滾阻系數(shù)7.8N/kN等。根據(jù)汽車的驅(qū)動力與行駛阻力的平衡關(guān)系建立汽車行駛放方程如下[3]，其中行駛阻力Ft包括滾動阻力Ff、空氣阻力Fw、坡度阻力Fi和加速阻力Fj。

式中，Ttq為電機驅(qū)動扭矩;i0集成電驅(qū)減速比，為11.14;ηT傳動系統(tǒng)效率，約97%;r為輪胎半徑;G為汽車重量;f為滾動阻力系數(shù);CD為空氣阻力系數(shù);A為迎風(fēng)面積;μa為車速;i為道路坡度;σ為汽車旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù);m為汽車質(zhì)量;du/dt為加速度?？梢杂嬎愠?0min最高車速下對應(yīng)的電機運行工況為轉(zhuǎn)速約13680rpm，扭矩約18.8N.m，功率為26.9Kw。

根據(jù)集成電驅(qū)系統(tǒng)電機的相關(guān)參數(shù)及整車電池的相關(guān)參數(shù)可以仿真計算出如下電機的效率Map圖[5]：

可以得到電機在13680rpm和扭矩18.8N.m工況下效率為78.6%。所以可以計算出電機的損耗約為5.76kw，及該集成電驅(qū)系統(tǒng)在整車應(yīng)用中最大的損耗值為5.76kw，損耗功率主要通過電驅(qū)系統(tǒng)的油冷器與整車的冷卻液進行熱交換，所以可確定在給定條件下油冷器的最小功率為5.76kw。

當電驅(qū)系統(tǒng)達到熱平衡時，油冷器油側(cè)和水側(cè)的熱交換功率是一致的，可以得到如下平衡方程：

式中Co為冷卻油的比熱容;ρo為冷卻油的密度;Vo為單位時間內(nèi)經(jīng)過油冷器油的體積;T1油冷器入口油溫度;T2油冷器出口油溫度;Cw為冷卻液的比熱容;ρw為冷卻液的密度;Vw為單位時間內(nèi)經(jīng)過油冷器冷卻液的體積;T3油冷器出口冷卻液溫度;T4油冷器入口冷卻液溫度;根據(jù)該電驅(qū)系統(tǒng)冷卻油的物理特性可確定Co值2.156J/（kg·°C）、ρo值853kg/m3;根據(jù)整車冷卻液的物理特性可確定Cw值3.48J/ （kg·°C）、ρw值1042kg/m3;該冷卻油最佳的穩(wěn)定持續(xù)運行的高溫約100℃-120℃，這里取T1為105℃;根據(jù)一般整車運行的冷卻系統(tǒng)設(shè)置水溫T4取為65℃，冷卻液流量取8L/min;油冷器達到最佳熱平衡狀態(tài)時T2與T3相等。計算得到油側(cè)的流量為6.69L/min。

綜上通過仿真計算已經(jīng)初步確定了在整車運行工況最苛刻的條件下，電驅(qū)系統(tǒng)達到熱平衡的條件為：油冷器在給定工況下熱交換功率不低于5.76kw、油側(cè)的流量不低于6.69L/min，水側(cè)的流量不低于8L/min。

1.3 實驗驗證

將滿足設(shè)計要求的油冷器及油泵接入電驅(qū)系統(tǒng)，布置好相關(guān)傳感器搭建如下圖電驅(qū)系統(tǒng)實驗臺架：

調(diào)整油泵的流量為6.69L/min、冷卻液流量為8L/min、冷卻液溫度為65℃，設(shè)置電機的運行工況為轉(zhuǎn)速13680rpm，扭矩18.8N.m。整個實驗過程中電驅(qū)系統(tǒng)穩(wěn)定運行未出現(xiàn)過溫的現(xiàn)象，冷卻系統(tǒng)滿足設(shè)計要求，實驗過程采集的數(shù)據(jù)如下表：