一、基本概述
目前主流驅動電機的冷卻,按照冷卻液來劃分:
1、基本是水冷(水50%+乙二醇),主要應用於純電驅動系統比較多,比如:純電乘用車,純電商用車,大巴車等等。
2、另外一種冷卻方式是油冷,主要是在混動系統,典型應用是與變速器集成,利用相同的冷卻油ATF,由油泵驅動油體流動,分別冷區繞組線圈,轉子磁鋼,軸承;同時冷卻齒輪系統;而控制器的冷卻分為幾種方式,可以油冷,更多的是水冷,采用油水分離系統,單獨冷卻。驅動視界有很多文章介紹這些方面的知識要點,請查閱。
3、這裡主要是介紹水冷驅動電機,以水冷為主介紹電機結構,冷卻系統結構,優勢,劣勢對比分析。
二、電機分類
1、水冷永磁驅動電機
可以說是主流之中的主流,特別是BYD,全部是永磁電機,特斯拉既有永磁電機也有異步電機,充分利用永磁電機與異步電機的組合輸出性能的多樣性組合策略,比如蔚來ES6也是永磁電機+異步電機的組合策略。歐洲各大車企策略不同,保時捷Taycan與寶馬I3,I5,I8等等青睞永磁電機。BMW I3圖片展示,冷卻螺旋水道結構。
2、水冷異步驅動電機
奔馳EQC與奧迪Etron采用水冷異步電機,上面提及到瞭有些車企采用異步電機+永磁電機組合式策略,無論怎麼講,根本還是考慮整車的控制策略,驅動性能在各個路況上的要求,整車能耗的分佈計算,從而考慮續航裡程一定前提下的經濟性需求,必定電池成本比重短期內很難攻克。特斯拉model S異步感應電機圖片。
1、圓線分佈定子繞組
水冷電機的多數設計都是這樣。Nissan Leaf電機圓線水冷電機展示圖
2、扁線分佈定子繞組
保時捷Taycan就是每槽4層導體數的扁線永磁電機,普通水冷結構的設計,除瞭品牌效應,電機沒有新意的體現,唯一體現就是扁線設計采用水冷,而不是一般的扁線電機油冷系統設計。
三、電機結構組成
水冷電機基本結構組成介紹,下圖是奧迪Etron驅動系統,按照此圖說明水冷驅動系統結構構成。這是典型案例,有代表性。
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驅動系統包括電機IM,電控MCU,減速器三大組件。我們重點關註電機的組成結構,如下圖。
多數水冷驅動電機結構基本類似,大同小異,隻是各公司設計結構的形狀尺寸不同。
四、電機電磁設計
水冷驅動電機設計,電磁設計是基本的客戶技術要求:
a)客戶的關切內容:性能,成本,NVH,可靠性,安全性等等
b)電磁設計核心要素
c)電磁設計優化結果的驗證
根據客戶相同的技術要求,母線電壓336VDC,控制器最大電流一致前提下,設計三款電機“水冷扁線電機,水冷圓線電機。水冷異步電機”,進行對比優劣分析。
扁線永磁電機 | 圓線永磁電機 | 圓線異步電機 | |
鐵芯有效長度(mm) | 172 | 150 | 150 |
有效長度+端部(mm) | 232 | 232 | 232 |
定子鐵心外徑(mm) | 205 | 220 | 254 |
定子銅重(kg) | 7.1 | 7.32 | 5.53 |
定子矽鋼重(kg) | 17.5 | 16.1 | 28.77 |
轉子矽鋼重(kg) | 12.89 | 13.02 | 15.48 |
永磁體重(kg) | 2.5 | 2.51 | 0 |
轉子銅(kg) | 0 | 0 | 9.57 |
總重(kg) | 40 | 38.9 | 59.35 |
槽極比 | S48/8P | S48/8P | S60/74bar/4p |
冷卻 | 水冷套定子 | 水冷套定子 | 水冷套定子與軸 |
扁線設計繞組與圓線設計繞組示意圖
扁線永磁電機與圓線永磁電機水冷示意圖
異步感應電機水冷示意圖
根據客戶相同的技術要求,母線電壓336VDC,控制器最大電流一致前提下,對比水冷扁線電機,水冷圓線電機。水冷異步電機的輸出性能區別:
1、峰值扭矩對比曲線,如圖,
低速區域:異步感應電機>圓線永磁電機>扁線永磁電機
高速區域:扁線永磁電機>圓線永磁電機>異步感應電機
2、峰值功率對比,如圖
低速區域:異步感應電機近似等於圓線永磁電機,扁線永磁電機略低
高速區域:扁線永磁電機>圓線永磁電機>異步感應電機,感應電機衰減趨勢嚴重。
3、連續功率對比,在如下假設條件下對比:
a)永磁電機定子繞組溫度180度,磁鋼溫度160度,
b)異步感應電機,定子繞組溫度180度,轉子銅溫度220度。
通過“扭矩-轉速曲線”可以瞭解:
(1)低速區域:扁線永磁電機>圓線永磁電機>異步感應電機,如果連續扭矩對比峰值扭矩,感應電機衰減趨勢嚴重;扁線永磁電機連續扭矩衰減幅度最小。
(2)高速區域:異步感應電機>圓線永磁電機>扁線永磁電機,如果連續扭矩對比峰值扭矩,扁線永磁電機衰減趨勢嚴重;異步感應電機連續扭矩衰減幅度最小。
通過“功率-轉速曲線”可以瞭解:
(1)低速區域:扁線永磁電機>圓線永磁電機>異步感應電機,如果連續功率對比峰值功率,感應電機衰減趨勢嚴重;圓線永磁電機連續功率衰減幅度最小。
(2)高速區域:異步感應電機>圓線永磁電機>扁線永磁電機,如果連續功率對比峰值功率,感應電機衰減趨勢最小;扁線永磁電機連續功率衰減幅度最大。
通過以上對比,我們總結一下,匯總成表格:*越多代表越有優勢
扁線永磁電機 | 圓線永磁電機 | 圓線異步電機 | |
峰值扭矩(低速區域) | * | ** | *** |
連續扭矩(低速區域) | *** | ** | * |
峰值扭矩(高速區域) | *** | ** | * |
連續扭矩(高速區域) | * | ** | *** |
峰值功率(低速區域) | * | ** | *** |
連續功率(低速區域) | *** | ** | * |
峰值功率(高速區域) | *** | ** | * |
連續功率(高速區域) | * | ** | *** |
簡單講:異步電機在高速區域的連續輸出扭矩與功率方面在優勢。而永磁電機在低速區域的連續輸出扭矩與功率在優勢。
原因分析:扁線電機,極數8多於異步電機4極,高速區頻率高,造成鐵損增加。另外,高速區AC銅損耗大於異步圓線電機,這樣,造成瞭高速區異步電機優勢。所以目前蔚來、特斯拉的永磁電機+異步電機組合形式,是比較合理的組合,根據上面表格,車載VCU與電機控制器MCU可以根據工況(如下圖)制定不同的電機組合,提高綜合效率,在蓄電池容量一定條件下延長續航裡程。
最後,再次強調,電機設計沒有最好,隻有最適合最優化的解,任何電機設計方案都是折中取優的結果。
五、冷卻系統設計
先說一下冷卻系統的意義,就是在峰值功率和扭矩一定前提下,如何通過冷卻系統的效率提高連續扭矩與連續功率,降低熱損耗,提高系統綜合效率,這是為什麼冷卻系統設計非常重要的意義。
下面圖示,展示瞭,峰值性能曲線,連續性能曲線,在其中間的部分就是熱損耗浪費的能量的部分,也即是我們可以通過提高散熱能力提高連續性能的部分。
水冷驅動電機強調的是水冷系統,所以,我們重點討論水冷的相關結構,設計趨勢。
1、水道設計結構,常見類型,軸向式,圓周式,螺旋式。半螺旋式。
2、不同結構類型性能參數對比。紅色最差,藍色最佳。
水道結構 | 圓周 | 全螺旋 | 半螺旋 | 軸向 |
計算傳熱接觸面積(m^2) | 1.722 | 1.623 | 1.637 | 1.713 |
平均熱傳遞系數(W/m^2.K) | 2878.3 | 2736.27 | 2797.6 | 3101 |
3、進出口水壓比較,軸向式壓力最大,螺旋式最小
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4、軸向水道數量的選擇,一般是冷卻水道數目多,效果越明顯,但是,流阻增加,進出水管的壓差加大,也會增加水道內部損耗。需要綜合平衡。
5、一般螺旋形水道,4-6個效果較好。當然需要流體熱學仿真驗證。
6、典型水道設計案例。
(1)Nissan Leaf。上市較早電動車型,也是經典案例。螺旋式水道。
電機采用48槽8極,圓線分佈繞組,鋁殼與定子鐵芯熱套工藝。3個水道連續螺旋設計結構。
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模擬仿真結果:最高溫度在繞組端部143度,磁鋼溫度120度。
不同負載功率情況下,模擬繞組溫度,80kW運行1h,140度。
(2)特斯拉 Model S,冷卻系統分析。
轉子軸冷卻,有利於軸承散熱,轉子銅導體散熱。
模擬仿真結果
(3)奧迪 E-tron 非常復雜,設計很有特點並且效果明顯。
水道路線:控制器MCU->空心軸->後軸承->定子繞組->前軸承->水出口,右側圖展示瞭水流向,根據顏色冷熱就可以追蹤出水流方向。
兩臺電機的冷卻流道並聯。
進水口→控制器→轉子軸→後軸承座→定子→前軸座→進水口
下左側圖展示瞭水流進入空心軸過程,下右側視圖展示水流出空心軸過程。
下圖是熱分析結果。可以看見空心軸內溫度很低,最高溫度在繞組端部和轉子鼠籠鋁條部分。軸承位置溫度很低,延長瞭軸承壽命與可靠性。
六、電機試驗驗證
可以參考國傢標準:
GB/T 18488.1-2015 電動汽車用驅動電機系統 第1部分-技術條件
GB/T 18488.2-2015 電動汽車用驅動電機系統 第2部分-試驗方法
GB/T 36282-2018 電動汽車用驅動電機系統電磁兼容性要求和試驗方法
GB/T 18386-2005-電動汽車能量消耗率和續駛裡程試驗方法
GB/T 29307-2012 電動汽車用驅動電機系統可靠性試驗方法
最重要的根據客戶的技術要求規范,目前每個公司標準都不相同,在產品開發時,第一時間就是研究透徹客戶的技術要求,DV/PV標準。
這裡列舉瞭幾項常規測試項目,並沒有陳述具體的要求,試驗方法,試驗設備,設備精度,合格判斷標準,隻是單純讓我們瞭解會有這些項目,或者更多測試項目。
1) 高溫試驗
2) 低溫試驗
3) 超速試驗:1.2倍最高速,2mins
4) 振動試驗,隨機振動,定頻振動。
5) 濕熱試驗
6) 溫度沖擊
7) IP67防護試驗
8) 高溫高速振動,綜合耐久試驗
9) 鹽霧試驗
10) 壽命試驗
11) 耐油,化學液體試驗。
12) 路試試驗(與客戶一起)
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