基于整車工況的電動汽車輪轂電機散熱分析

江從喜　趙蘭萍　杜旭之　楊志剛

同濟大學，上海，201804

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基于整車工況的電動汽車輪轂電機散熱分析

江從喜趙蘭萍杜旭之楊志剛

同濟大學，上海，201804

摘要：針對電動汽車運行的各種工況，在整車條件下采用計算流體力學(CFD)數值計算的方法對外轉子輪轂電機的溫升性能進行了仿真計算，并分析了汽車來流速度、電機軸的熱導率對輪轂電機散熱性能的影響。研究結果表明：來流風冷散熱條件下，電動車在高負荷工況下電機的溫升過大，可通過加裝散熱翅片或者采用水冷散熱等方式來達到對電機的散熱冷卻效果；重復制動工況中，制動盤的高溫熱輻射沒有使電機的溫升惡化；汽車前方來流速度對電機的溫升影響較大，電機軸的熱導率對電機的溫升影響相對較小。

關鍵詞：電動汽車；輪轂電機；散熱；計算流體動力學

0引言

輪轂電機技術也稱為車輪內裝電機技術，其最大特點是將動力裝置、傳動裝置和制動裝置整合到輪轂內，從而使電動車的機械部分大為簡化。然而，輪轂電機由于自身系統的緊湊性帶來了一系列的散熱問題，尤其是電機僅靠來流風冷散熱時，其散熱問題更加突出。電機溫升過高時，其整體性能會受到很大的影響，主要體現在[1-2]：①永磁體退磁較為嚴重，電機的負載轉矩減??；②加速絕緣材料氧化，導致其失去絕緣性能；③潤滑油黏度降低，油膜厚度減小，導致潤滑效果惡化；④電機各部件熱膨脹，產生較大的熱應力，導致幾何變形。因此，電機的溫升應被控制在相應的絕緣等級范圍內，這樣才能保證電機具備良好的負載性能，從而使得電動車穩定安全地運行。

文獻[3]應用集中參數的熱網絡法對全封閉風扇冷卻的感應電機進行了單電機的熱分析研究，研究結果顯示，在全負荷加載過程中，定子繞組具有最大的溫升，熱網絡模型和實驗值最大誤差為13 ℃，并通過參數敏感性研究發現：定子繞組的溫升對電機外表面的對流系數和電機軸的熱導率最敏感。文獻[4]利用CFD對某內轉子單電機進行了熱分析，所得結果與試驗值誤差在±5 ℃之內，說明采用CFD分析電機散熱性能具有一定的準確性。文獻[5]利用CFD對無刷直流內轉子單電機進行了散熱分析，結果表明，在電機外殼加散熱翅片可使電機的最高溫升下降15%。文獻[6]利用CFD對某款內轉子電機進行了單電機的熱性能分析，分析結果顯示，電機外殼增加散熱槽可使電機外殼的溫度極值減小4.8 ℃。綜合文獻調研，CFD計算可對電機的溫升做出比較準確的預測，并且能夠有效改善電機的散熱性能，減少電機散熱性能前期設計和后期優化的研發時間和成本。

目前國內外利用CFD研究外轉子輪轂電機散熱問題的文獻較少，而且也僅停留在單電機的研究平臺上，并沒有結合電動車整車的環境和工況進行相應的分析和研究。一方面是由于目前國內外對輪轂電機電動車還處于前期的研究和測試階段，很難有公開的樣車實物模型或整車數值模型供試驗或計算參考；另一方面由于輪轂電機本身結構復雜，加上整車的底盤系統后，其CFD的數值模型將更加精細和繁雜，這將給CFD建模的幾何處理、網格劃分、計算時間以及計算的不確定性等帶來挑戰。單電機散熱性能的研究并不能準確有效地再現電機周圍復雜的熱流場結構，尤其是復雜流場中電機表面的對流散熱系數、重復制動工況下高溫制動盤的熱輻射對電機溫升的影響等問題都無法在單電機的試驗或計算中取得前瞻性的預測。

基于上述原因，本文從電動車前期設計的角度利用CFD計算分析整車條件下電機的散熱性能，預測電機溫升限值的臨界工況，同時分析汽車來流速度和電機軸的熱導率對電機溫升的影響，為整車環境下輪轂電機散熱性能的改進以及電動車的前期設計提供數據支持和方向指導。

1CFD數值計算方法

1.1數值方法

利用基于MRF(multiple reference frame)[7-8]和Moving Wall方法的CFD計算模擬輪轂電機電動車在流場中的運行狀態，該方法一般應用于固定坐標系的Navier-Stokes方程[9-10]中。根據文獻[9]可得

(1)

(2)

(3)

q=-λ(dT/dx)

(4)

式中，u、v、w為速度矢量u在x、y和z方向的分量，ui、uj為速度分量；xi、xj為坐標分量；i和j指標取值范圍是1,2,3；p為流體微元體上的壓力；ρ為流體密度；μ為流體的動力黏度；gi為重力加速度在第i方向的分量；β為熱膨脹系數；T為熱力學溫度；T0為初始熱力學溫度；t為時間；Cp為流體比熱；q為熱流密度；“-”表示熱量傳遞的方向與溫度梯度的方向相反；λ為熱導率；dT/dx為溫度在x方向上的導數。

考慮到計算機計算能力的限制，Navier-Stokes湍流方程很難被直接求解，因此CFD計算引入了相應的湍流模型。式(1)和式(2)中引入速度隨著時間產生的脈動變化量u′，因此方程中的速度將由兩部分組成，即平均速度和脈動速度部分，于是產生了雷諾應力項，其與平均速度梯度的關系如下：

(5)

(6)

式中，u′、v′和w′為速度分量u、v和w的脈動量；μt為湍動黏度，是空間坐標的函數，取決于流動狀態，而不是物性參數；δij為Kronecker delta符號(當i=j時，δij=1；當i≠j時，δij=0)；k為湍動能。

為加強計算收斂的速度及穩定性，本文所用的渦黏模型為Realizablek-ε模型，壁面區采用標準壁面函數[10-11]；由于制動工況下制動盤的溫度較高，故采用DO輻射模型[10-11]計算制動盤熱輻射對電機的影響，制動盤和電機表面的熱輻射系數設為0.8[12]，計算軟件為FLUENT12.0。

1.2計算模型

本文研究的電動車模型如圖1所示，整備質量1300kg，最高設計車速120km/h。每個車輪上裝有絕緣等級為H級的輪轂電機，額定功率5.5kW，電機結構如圖2所示。計算模型的網格由HyperMesh和T-grid軟件生成，以整車的長寬高(14lv×10wv×5hv，lv、wv、hv分別為車的長度、寬度、高度)確定計算域，如圖3所示，體網格數量為1600萬。

圖1　CFD計算所用的車型

圖2　輪轂電機的外形結構

圖3　整車計算域

1.3計算工況與邊界條件

整車計算工況包括：勻速工況、重復制動-再生制動工況和勻速爬坡工況。其中勻速工況代表電動車常見的高速和低速的巡航工況；重復制動-再生制動工況過程中由于制動盤溫度較高，其熱輻射可能對電機溫升產生較大的影響，同時再生制動過程中，電機本身作為發電機也將產生相應的熱損耗，此時電機在內外熱源的共同作用下，其溫升特性有待考察；勻速爬坡工況電機的負載較大，來流速度較低，因此電機的散熱條件比較苛刻，其溫升程度有待確定。

邊界條件根據電動車的最高設計車速制定。參考GB21670-2008 《乘用車制動系統技術要求及試驗方法》，制定出電動車的重復制動工況，如圖4所示，共進行20個制動周期(900s)，其邊界條件通過自定義函數(UDF)[10-11]的二次開發進行編輯和定義。勻速爬坡(10%坡度)的設計車速為10km/h。地面的移動以及部件(散熱器風扇、電機轉子、車輪)的轉動分別通過MovingWall和MRF的功能實現[7-9]，環境溫度設為45 ℃。電機各工況下的熱損耗均來自973計劃項目平臺的輪轂電機臺架實驗數據，材料的物性參數由電機廠家提供，此處略去具體數值。

圖4　重復制動工況下一個周期內車速的變化

2不同工況的計算結果與分析

2.1勻速工況電機的熱分析

圖5所示為100km/h勻速工況下電機中心橫截面上的溫度分布，電機的溫度極值位于內部的定子繞組上，最高可達156.1 ℃，并且繞組的溫度分布比較均勻，這是由于定子繞組的熱導率較大，熱阻較小，因此繞組內部的溫度梯度較小。

圖5　100 km/h勻速工況穩態時電機中心橫截面上的溫度分布

圖6為電機傳熱路徑示意圖，可以看出電機由銅損、鐵損產生的熱量通過相應的熱阻引起一定的溫度梯度，并最終通過電機的端蓋、外殼以及電機軸傳出，因此電機的溫升可為

Tmax=f(PFe,PCu,Rcp,Rcv)

(7)

式中，Tmax為電機的溫度極值；PFe為鐵損；PCu為銅損；Rcp為電機各部件的熱阻；Rcv為電機表面對流傳熱熱阻。

圖6　輪轂電機的傳熱路徑示意圖

圖7所示為100km/h勻速工況下電機的傳熱分布，可以看出90%的熱量是從電機表面(端蓋1、端蓋2、外殼)傳出，剩余10%左右的熱量從電機的軸傳出，由此可以預見電機外表面的對流傳熱對電機的散熱性能影響較大，電機軸自身的導熱性能也將對電機溫升產生一定的影響，其具體的影響程度將在第3部分中詳細說明。

圖7　100 km/h勻速工況穩態時輪轂電機外表面的傳熱分布

圖8所示為不同巡航工況與電機溫度極值的關系，可以看出電機的溫度隨著車速的增大而增大，在95km/h左右，電機的最高溫度接近其性能參考溫度145 ℃(表1)。在來流風冷散熱條件下，電動車長時間以95km/h及以上的速度勻速行駛時，電機的溫升將過大，這表明高速巡航工況是電機的一種高負荷工況，電機僅靠前端來流的風冷散熱難以滿足其冷卻需求，一方面說明電動車的設計車速需考慮輪轂電機溫升的制約，另一方面說明輪轂電機的散熱優化設計是整車開發前期必不可少的環節。

圖8　電機在不同勻速工況下對應的溫度極值

絕緣溫度等級A級E級B級F級H級最高允許溫度(℃)105120130155180繞組溫升限值(℃)607580100125性能參考溫度(℃)8095100120145

2.2重復制動工況電機的熱分析

重復制動工況過程中，制動盤的溫度較高，通?？蛇_400 ℃以上[13-16]，因此需要考慮制動盤的熱輻射對電機溫升的影響。

分別對重復制動-無再生制動和重復制動-50%再生制動這兩種瞬態工況進行計算，得到在900s過程中輪轂電機和制動盤的溫度隨時間的變化情況，如圖9所示。

1.無再生制動工況下制動盤最高溫度　2.50%再生制動工況下制動盤最高溫度　3.50%再生制動工況下電機最高溫度　4.無再生制動工況下電機最高溫度圖9　重復制動工況下輪轂電機和制動盤瞬態最高溫度隨時間的變化

由圖9可知，在前300s制動盤的溫度增長較快，隨后溫度增長速率開始逐漸下降直至盤面溫度趨于穩定。輪轂電機的溫升趨勢基本與制動盤一致，其溫度幅值遠小于制動盤溫度幅值。相對于無再生制動工況，50%再生制動工況制動盤的最高溫度由405 ℃下降至247 ℃，而輪轂電機的最高溫度由118 ℃上升至160 ℃。

這是因為在50%的再生制動過程中，制動器50%的制動能量被轉移到電機上，因此制動盤溫升下降了近40%，而此時輪轂電機處于發電模式，發電時產生的鐵損、銅損等熱損耗將使電機的溫度上升至160 ℃，這已超過了H級電機繞組的性能參考溫度(表1)。因此，作為電機的另一種高負荷工況，再生制動策略在輪轂電機電動車上的運用，除了要考慮電機本身的制動效率以及整車制動性能等因素的影響外，還必須兼顧電機的溫升特性。

圖9的計算結果同時表明：重復制動-無再生制動工況下，制動盤的高溫熱輻射并沒有使電機繞組的溫度有較大的提升，這是由于整個過程中電機外表面吸收的熱輻射能有限。如圖10所示，在前400s，電機表面吸收的熱輻射能較小，平均值為63W，后500s的平均值為107W，即整個重復制動過程電機吸收的輻射能較小，且時間較短。

圖10　重復制動-無再生制動工況電機表面吸收的輻射能隨時間的變化

2.3勻速爬坡工況電機的熱分析

本文設計的電動車其額定爬坡坡度為10%，爬坡車速為10km/h。通過瞬態的熱流場計算，得到輪轂電機的瞬態峰值溫度隨時間的變化曲線如圖11所示。

圖11　電動車勻速爬坡(10%)工況下輪轂電機的瞬態最高溫度隨時間的變化

由圖11可知，當時間t=352s時，電機的溫度上升至H級電機的性能參考溫度145 ℃(表1)，此時汽車行駛的距離為978m。根據JTGB01-2003 《公路工程技術標準》，道路坡度為10%的縱坡坡長應不大于200m，由此說明電動車的爬坡性能滿足大部分的道路條件，即電動車低速爬坡(10%)工況下，輪轂電機依靠來流風冷散熱基本滿足其散熱冷卻要求。本文電機的功率較小，因此前期定位的最大爬坡坡度較小，未來可對大功率電機高速爬坡工況的溫升性能進行探索，以建立更完善的汽車爬坡坡度、爬坡速度與電機溫升之間的關系。

綜上可知，在高速行駛和重復制動-再生制動這兩種高負荷運行工況下，電機僅依靠前端來流風冷散熱是比較困難的，因此可通過研究給電機加裝散熱翅片，設計冷卻風道、冷卻水道或水套和優化電機結構尺寸等方式來達到對電機的散熱冷卻效果，使其滿足高負荷的運行工況。

3來流速度和電機軸熱導率對電機溫升的影響

3.1電機散熱性能與來流速度的關系

圖12所示為電機周圍的流場分布，可以看出部分前方來流由進氣格柵進入汽車前艙，繞過制動鉗、懸架和制動盤等部件后，沖向電機的端蓋和外殼，以強制對流的方式帶走電機的熱量，因此從車輪外側只有少量氣流進入輪輞吹向電機。因此電機對流散熱的性能基本決定于汽車前艙下方電機周圍的流場分布，尤其是車輪內側吹向電機的空氣質量流。由圖12可知，大部分氣流由于受到制動鉗和懸架的阻擋作用而產生分離，并形成旋渦，從而導致電機周圍氣流減弱，因此輪邊氣流的誘導是未來優化電機來流風冷散熱一個非常重要的研究方向。

圖12　電機周圍的流場分布

圖13　不同來流速度對應的電機外表面的平均對流傳熱系數和電機的溫度極值

圖13為電機熱源固定時，不同來流速度與電機外表面平均對流傳熱系數以及電機溫升的關系曲線，可以看出隨著來流速度的增加，電機外表面的平均對流傳熱系數呈指數趨勢增加，電機的溫度極值呈指數趨勢逐漸下降。

結合傳熱學中對流傳熱系數(h)的定義[12]分析如下：

(8)

Nu=CRemPrn

(9)

(10)

式中，Re為雷諾數；Nu為努塞爾特數；L為傳熱面的幾何特征長度，是垂直于傳熱面方向的尺度；Pr為普朗特數；λf為流體的熱導率；C為比例系數；m和n分別為Re和Pr對應的指數；u為汽車前方來流速度；l為雷諾數的特征長度；ν為運動黏度。

由式(8)～式(10)可得

h∝um

(11)

結合式(11)及圖13擬合出電機外表面的平均對流傳熱系數haver與來流速度u的關系式：

haver=2.55u0.7

(12)

由式(12)和式(11)可知電機表面對流傳熱的指數m=0.7；而文獻[12]中圓柱體表面的指數m值滿足0.618≤m≤0.805。由此表明電機在復雜的整車輪邊熱流場中，其表面的對流散熱特征與圓柱體較為接近，從而間接說明本文電機的CFD計算結果在傳熱規律上的合理性。

從數據敏感角度分析，如圖13所示，當來流速度u從50km/h增至120km/h時，傳熱系數h由39.60W/(m2·K)增至72.93W/(m2·K)，即h增大了33.33W/(m2·K)(84.2%)，電機的溫度極值下降了24.9 ℃，由此表明來流速度對電機的溫升影響較大。究其原因，一方面隨著來流速度的增大，電機周圍的氣流速度逐漸增大(圖14)，即逐漸增強的空氣質量流加速帶走了電機外表面的熱量；另一方面，來流速度的增大使得電機周圍的湍動能逐漸增強(圖15)，其強烈的“混合攪拌”作用促進了電機表面與周圍空氣的能量交換。上述因素的綜合作用直接減小了電機與空氣之間的對流傳熱熱阻，因此電機的散熱性能得到了大幅的提升。

(a)u=60 km/h

(b)u=90 km/h

(c)u=120 km/h圖14　不同來流速度下電機周圍的流速分布

3.2電機散熱性能與電機軸熱導率的關系

電機軸通常由鋼材制造而成，其熱導率在46.5W/(m·K)[12]左右，而其他金屬材料，例如鋁、銅等，其熱導率遠大于鋼的熱導率[12]；另據文獻[17-18]，熱管可在5K的溫差條件下，傳導20W的熱量。據此，將電機軸設計加工成集成式熱管軸或其他高導熱材料軸，其等效熱導率可達700W/(m·K)[12]以上。據此本文將電機軸的熱導率λ設置成8個等級，計算得到不同λ對應的電機軸的導熱量和電機的溫升，如圖16所示。

(a)u=60 km/h

(b)u=90 km/h

(c)u=120 km/h圖15　不同來流速度下電機周圍的湍動能分布

圖16　電機軸的導熱量和電機的溫度極值與熱導率的關系

由圖16可知，電機軸的傳熱量隨著λ的增大而增加，電機的溫度極值隨λ的增大呈指數趨勢減小。當λ由46.5W/(m·K)增至700W/(m·K)，即λ增大了653.5W/(m·K)時，電機的溫度極值下降了27.3 ℃。當來流速度u從50km/h增至120km/h，即來流速度增加幅度為原車速的1.4倍時，電機的溫度極值下降24.9 ℃；而當電機軸的熱導率λ由46.5W/(m·K)增至700W/(m·K)，即λ的增幅為原熱導率的14.1倍，電機的溫度極值僅下降27.3 ℃。另外在常溫下一般金屬材料的熱導率λ很難達到700W/(m·K)，查表[19]可知大多數金屬的熱導率在250W/(m·K)以下，而電動車車速很容易達到120km/h，因此，從數據敏感性的角度來看，相對于3.1節中來流速度對電機溫升的影響，電機軸的熱導率對電機溫升的敏感性較差，然而當電機軸的結構材料得到較大的改善時，即λ的增幅較大時，電機的溫升性能仍能有所改善。

4結論

(1) 在高速行駛、重復制動-再生制動等高負荷工況下，輪轂電機僅靠前端來流風冷散熱比較困難，為此可通過給電機加裝散熱翅片，設計冷卻風道、冷卻水道或水套和優化電機結構尺寸等方式來達到對電機散熱冷卻的效果，使其滿足高負荷的運行工況。

(2)重復制動-再生制動工況下制動能量的分配需要著重考慮其對電機溫升的影響；重復制動過程中高溫制動盤的熱輻射對電機溫升的影響較?。坏退倥榔?10%)工況滿足電機的散熱需求。

(3)在整車熱流場環境下，輪轂電機表面具有柱體表面對流散熱的特征，說明本文CFD的計算結果在傳熱規律上的合理性；來流速度對電機溫升的影響較大，未來的研究可根據電機的散熱需求來優化汽車的前端來流進氣量和輪邊氣流的引導；電機軸的熱導率對電機溫升的影響相對較小，但高導熱效率的電機軸可以較好地改善電機的散熱性能。因此，未來的研究可從電機軸的結構和材料方向去優化電機的散熱性能。

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(編輯王旻玥)

收稿日期：2015-11-02

基金項目：國家重點基礎研究發展計劃(973計劃)資助項目(2011CB711203)；上海市科學技術委員會重點實驗室計劃資助項目(11DZ2260400)

中圖分類號：U467.1

DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2016.13.026

作者簡介：江從喜，男，1991年生。同濟大學上海地面交通工具風洞中心碩士研究生。主要研究方向為汽車熱管理、汽車空氣動力學。趙蘭萍，女，1967年生。同濟大學機械與能源工程學院副教授。杜旭之，男，1989年生。同濟大學上海地面交通工具風洞中心博士研究生。楊志剛，男，1961年生。同濟大學上海地面交通工具風洞中心教授、博士研究生導師。

Thermal Analysis on In-wheel Motor under Whole Electric Vehicle Driving Conditions

Jiang CongxiZhao LanpingDu XuzhiYang Zhigang

Tongji University,Shanghai,201804

Abstract：A CFD simulation performed on an in-wheel motor for electric vehicle was analyzed under various driving conditions and the temperature rising property of the out-rotor in-wheel motor was calculated. The cooling performance was studied related to the oncoming velocity and the conduction coefficient of the motor axle. Results show that under high-load driving conditions, the in-wheel motor is subjected to a large temperature rise only with incoming flow cooling method and can help lower the motor temperature by installing the cooling fins or using water-cooled devices. The high-temperature thermal radiation from the brake disc doesn't tend to deteriorate the motor temperature rise during the repetitive braking condition. The oncoming velocity shows a great influence on the motor temperature rise, while the conduction coefficient of motor axle exercises a relatively light effect on the motor temperature rise.

Key words：electric vehicle；in-wheel motor；cooling；computational fluid dynamics(CFD)