電動汽車驅動器冷卻系統的研究

宋健

摘 要：隨著節能經濟在全世界的不斷普及，越來越多的國家開始關注電動汽車的研究和推廣。電動汽車與傳統汽車不同，它主要由三大部分組成，分別是電機驅動系統、控制系統以及能源子系統。在這三個系統中，最重要的就是電機驅動系統。電機驅動系統管理中最大的難點就是對它發熱的管理，因此，開發和研制電動汽車驅動器的冷卻系統成為研究熱點。該文首先分析了電動汽車驅動器發熱對其性能的影響，然后介紹了目前常用的幾種冷卻系統，最后提出了并提出了冷卻系統的性能評價方式及標準。

關鍵詞：電動汽車 驅動器 冷卻系統

中圖分類號：TM351 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）02（a）-0049-01

1 電機汽車驅動系統發熱對其性能的影響

電動汽車的驅動器一般由三大部分組成，包括電動機、功率轉換器和電子控制。電動汽車驅動器在運行過程發熱，大量的熱量會對電動汽車驅動系統的運行產生不良的影響，這些影響主要包括以下三個方面。首先，過高的溫度會降低電機的絕緣性。因為，過高的溫度會使電動汽車上的絕緣材料的物理性質發生變化，進而使得其絕緣能力下降，甚至有可能完全尚失，最終危害人的生命安全。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，影響整個汽車的運行性能。最后，過高的溫度還會影響電機驅動系統中功率和控制模塊。

2 電機驅動系統的冷卻方法

電動汽車電機驅動系統主要由三個部分組成：電機、功能轉換器、電子控制。這三部分的冷卻方式有多種，現分別進行以下介紹。

2.1 電機冷卻方式

電機的冷卻方式按照冷卻介質的不同，主要可以分為兩大類：即氣體冷卻和液體冷卻。

（1）氣體冷卻。

氣體冷卻主要是通過將氣體作為冷卻介質對電機進行冷卻，常用的氣體主要包括空氣和氫氣。空氣是早期電機冷卻最常用的一種冷卻方式，因為空氣冷卻成本低、構造簡單，而且便于后期維護。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。隨著，空氣冷卻在電機冷卻系統中的不斷應用，空氣冷卻系統帶來的各種弊端也受到越來越多人的關注。人們開始尋找新的冷卻方式以減少空氣冷卻帶來的不良的影響。隨后，氫氣冷卻系統應運而生。氫氣冷卻系統經歷表面冷卻向定子內冷卻發展的兩個階段。

（2）液體冷卻。

液體冷卻方式主要是通過液體對電機系統進行冷卻，而這些液體主要包括水和油。水冷卻是目前最為常用的一種冷卻方式，早在1958年，我國研制出了世界上第一臺125MW級雙水內冷汽輪發電機。到20世紀70年代初期，我國又研制出了200至300MW級大型雙水冷汽輪發電機。水冷卻的冷卻效果要明顯比空氣冷卻的效果好，主要得益于水的比熱大。水冷卻雖然成本低廉、冷卻效果好，但是它也有很大的弊端。

（3）其他冷卻方式。

隨著技術的不斷革新，越來越多的新的冷卻技術出現在人們的視野中。最具代表性的是目前出現的一種新型技術，即蒸發冷卻技術。蒸發冷卻技術與前述的兩種冷卻技術存在的最本質的區別就是它們的冷卻機制不同。空氣冷卻和液體冷卻的冷卻機制是借助介質的比熱吸收熱而帶走熱量。而蒸發冷卻則是利用液體沸騰汽化潛熱的冷卻方式進行散熱。蒸發冷卻的冷卻效果好，冷卻效率高。

2.2 電子元件的冷卻

電子元件是電動汽車驅動系統的十分重要的組成部分，對于電子元件的冷卻也是十分重要和必要的。電子元件只有在正常的溫度范圍內才能夠正常的工作，才能夠保證真個電機系統的正常工作，一旦溫度過高，電子元件的功能就會下降，甚至會被燒壞。電子元件的冷卻方式在這里主要介紹兩種：強迫風冷技術和熱管式散熱器。

（1）強迫風冷技術。

這種散熱方式在目前市場上相當普遍，其基本結構是在電子元器件上方或下方或其他位置安裝風扇，利用風扇將熱量帶走。其中在電子元器件安裝基座上也會有散熱翅片等結構

（2）熱管式散熱器。

充分利用了熱傳導原理，使發熱體產生的熱量可快速通過熱管散發出去。熱管技術是進行自冷，所以散熱系統無需風扇、無噪聲、免維護、安全可靠等各方面優點。其基本工作原理是將管內抽成負壓以填充適量液體，使沿管壁鋪設的毛細結構多孔材料充滿液體并予以密封。管的一端為熱段，另一端為冷卻端，當熱管中的一端受熱時，毛細結構區域的液體蒸發汽化，蒸發帶走散熱的熱量，在壓差作用下，汽化液體流向另一端放出熱量而冷凝成液體，再演多孔毛細結構材料回流到蒸發端。

3 冷卻系統性能驗證和性能評價

3.1 性能驗證

無論是電池還是電機冷卻系統，都必須通過車輛相關的試驗驗證，這就涉及到試驗條件、試驗要求和評價準則。對于電池冷卻系統的驗證，電池充放電時的發熱特性，只要滿足電池放電狀態下的工作狀態即可，應選擇整車電能消耗最大的工況進行考核。而對于電機冷卻系統，要研究車輛工況與動力系統負荷的關系，這就涉及到車輛的使用工況和動力匹配。綜合考慮以上因素，以下工況可供借鑒：

（1）爬坡工況（s60 km/h，8%坡度）；

（2）高速工況（最高車速，水平路）；

（3）城市工況（0～40 km/h（5 s）一停車怠速（30 s）一啟動～40 km/h（5 s）循環，加速和減速時間均為5 s，共10個循環）；

（4）40 km/h至最高車速間隔車速勻速行駛，至少4個車速；

（5）車輛加速工況（0至最高車速）。

3.2 性能評價

對于純電動汽車冷卻系統的性能評價，主要從以下方面進行評價：

（1）各控制單元具有故障自診斷和保護功能；

（2）按照傳統車輛冷卻系統評價原理，計算車輛是否滿足要求的使用環境溫度限值（車輛運行環境溫度限值：-25～45℃）；

（3）考慮冷卻系統是否保證被冷卻單元是否處于最佳的運行溫度，以保證其處于最佳的工作效率；

（4）冷卻系統的運行在滿足要求的同時要求各部件的能耗和噪音滿足政策和要求；

（5）滿足使用壽命和可靠性要求。

4 結語

隨著低碳經濟和可持續發展理念的不斷推經，電動汽車在全世界的推廣將成為不可阻擋的趨勢。而對電動汽車驅動系統的冷卻是目前影響電動汽車推廣的一個重大的問題，解決這一重大的問題成為了電動汽車推廣的重中之重。而從面前的現狀來看，電動汽車驅動系統的冷卻方式多種多樣，如何選取最有效的冷卻系統既要考慮成本費用，又要考慮降溫效果和安全性。未來在電動汽車的研究領域中，關于低成本、高效率、安全性高、維護方便的電動汽車的驅動系統的冷卻系統的研究將成為研究的重點。

參考文獻

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