基于北方氣候的電動汽車驅動器冷卻系統的研究

王作祿　付祥松　楊賢敏　龔智偉

（山東科技大學，山東青島　266590）

基于北方氣候的電動汽車驅動器冷卻系統的研究

王作祿付祥松楊賢敏龔智偉

（山東科技大學，山東青島266590）

隨著節能、環保經濟在全世界的不斷發展，清潔、節能、高效的電動汽車越來越成為國內外研究的重點。電機驅動系統作為電動汽車最重要的部分，其最大的問題就是對它發熱的處理。因此，開發和研制電動汽車驅動器的冷卻系統成為重要研究對象。本文基于北方冬季比較寒冷的氣候條件，通過對電動汽車驅動系統的發熱分析和對電動汽車驅動系冷卻系統的分析，提出一種以液體和氣體兩種冷卻介質對冷卻系統進行單獨冷卻的設計方案，采用ECU控制，傳感器采集信號，利用二位二通電磁換向閥實現空氣介質和液體介質兩種冷卻介質的切換。同時，在以空氣為介質的冷卻系統工作時，空氣冷卻系統排出的溫度較高的氣體與電動車空調系統相結合，實現駕駛艙內空氣制熱，大量節省能源。

驅動系統發熱氣候條件冷卻系統ECU控制

1　電動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電動機、功率轉換器和電子控制三部分組成。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。首先，過高的溫度會降低電機的絕緣性，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。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。因此，在電動汽車行駛過程當中對電機驅動系統進行冷卻是十分有必要的。

2　全國氣候分析

全國氣候分析主要分北方和南方兩大地區進行分析。北方地區即秦嶺淮河線以北地區，主要氣候為溫帶大陸性氣候，局部為高原性氣候，冬季平均溫度普遍在0℃以下，由我們國家氣候特征得出每年的10月末到次年的2月初其空氣溫度相對較低，平均氣溫在4℃以下。相反，南方地區以亞熱帶季風氣候為主，最冷月平均溫度普遍在0℃以上，越接近赤道的地區，溫度越高，其空氣溫度相對較高，不適合以空氣作為冷卻介質對電機驅動系統進行冷卻。

3　電機驅動系統的冷卻分析

目前，國內針對電動汽車的電機和電動驅動系統根據不同的元件及不同的安裝位置分別采用不同的冷卻方式，其主要冷卻方式為風冷和水冷，不同的冷卻方式分別采用不同的器件，電機和電機驅動系統按照冷卻介質的不同可分為兩大類：液體冷卻和氣體冷卻。

3.1液體冷卻

液體冷卻方式主要是通過液體對電機和驅動系統一體化水套進行冷卻，液體以冷卻水為主，流入的液體與電機和驅動系統外殼相接觸，通過熱傳遞的方式將熱量帶走，達到冷卻的目的。水的比熱容大，導熱系數高，散熱能力強，成本低，冷卻效果較好，但是仍舊存在很大的弊端。第一，水冷系統需要很強的密封性。第二，水冷系統制造難度大，成本高。

3.2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。空氣冷卻成本低、構造簡單，而且便于后期維護。根據使用條件，進入冷卻室的氣體溫度要低于4℃，所以主要適用于北方地區相應時間階段的溫度條件。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，因此，進行冷卻的空氣又嚴格的溫度要求，一般空氣溫度要低于4℃。同時，為避免空氣中混雜的雜質對冷卻室的影響，進入冷卻室的空氣要經過空氣濾清器的過濾、清潔，使清新的新鮮空氣進入冷卻室進行冷卻。

4　電機和驅動器冷卻方案

根據以上分析，為提高冷卻效率，提高系統的整合性，從提高資源利用率和節約保護能源的角度出發，針對北方氣候條件，將單純的液體冷卻系統和空氣冷卻系統整合為一個整體系統，建立一種水和空氣兩種介質單獨進行冷卻的混合冷卻系統。在該冷卻系統中，以水為介質的冷卻系統和以空氣為介質的冷卻系統單獨工作，兩種冷卻介質共同作用同一個冷卻室，兩種介質通過一個二位二通電磁換向閥實現切換，以改變工作位置，實現不同的系統參與工作。由以上氣候分析，北方地區10月下旬到次年的2月上旬這個時間階段，采用滿足氣候條件的空氣介質進行冷卻，并為駕駛艙提供暖風，最大化利用資源，節約能源，在不滿足氣候溫度條件的其余階段正常采用水介質進行冷卻。

工作原理：在北方冬季，電動汽車在行駛過程當中，兩個冷卻系統的切換用二位二通電磁閥完成，電磁閥有兩個工作位置，A工作位置與水冷系統相連，B工作位置與空氣冷卻系統相連，在初始位置即汽車未啟動時，A工作位置接通，B工作位置關閉，A、B位置的通閉由電流控制。在不通電的情況下，電磁閥A工作位置與水冷系統相連并處于開啟狀態，當ECU給電磁閥通電時A工作位置關閉，B工作位置打開。電磁閥中安裝有限壓閥，限壓閥的作用用于限制電磁閥的最高壓力，以免壓力過高導致電磁閥損壞。車上安裝有溫度傳感器，用于檢測空氣的溫度，當溫度檢測到氣體溫度低于4℃時，ECU給二位二通電磁閥通電，使電磁閥切換到空氣冷卻系統的工作位置，采用空氣介質參與冷卻工作。在通入空氣之前ECU控制電動水泵先將驅動系統冷卻水套內的水泵入水箱，使水套保持清潔，為空氣提供適宜的工作條件。隨后由空氣壓縮機將經過空氣濾清器清潔的空氣壓入冷卻室進行冷卻，冷卻室末尾安裝有空氣壓力傳感器，檢測冷卻室出口的氣體壓力變化，并轉換為信號傳遞給ECU，用于作為控制壓縮機的工作程度的判斷信號，防止冷卻室在風冷狀態下壓力過高對冷卻室產生損壞。

空氣經過冷卻室帶走電機驅動系統產生的熱量，溫度升高，一部分被加熱的氣體傳遞到大氣當中，另一部分被導入電動汽車空調系統，經過與部分空氣混合保持氣體適宜的溫度，然后將其導入駕駛艙，起到暖風制熱的效果，大大的節省能源，提高資源的利用率。

當溫度傳感器檢測到空氣溫度高于4℃時，ECU切斷傳給電磁閥的電流，并使電磁閥切換到A位置水冷系統，使B位置空氣冷卻系統關閉，同時使空氣壓縮機停止工作，冷卻室里的空氣基本上擴散到大氣中去，此時冷卻系統轉換到傳統的水冷系統。

在電動汽車啟動時，冷卻系統的選擇完全由溫度傳感器檢測的信號決定，當溫度傳感器檢測到空氣溫度高于4℃時采用水冷系統。相反，采用空氣冷卻系統。所有的控制信號在汽車怠速狀態下識別并進入相應的工作位置。

［1］紀云鵬.純電動汽車冷卻系統方案研究.電子世界，2014.

［2］王慶年.電動汽車冷卻系統設計及電機最優冷卻溫度控制.吉林大學學報（工學社），2013.

［3］宋健.電動汽車驅動器冷卻系統的研究.科技創新導報，201 5.

［4］張舟云.用于電動汽車的電機和驅動器一體化冷卻系統.同濟大學學報（自然科學版），201 5.