電動汽車輪轂電機散熱規律

江從喜 趙蘭萍 苗露 楊志剛

摘要：

采用計算流體力學方法對電動汽車輪轂電機的散熱規律進行數值仿真計算，得到整車流場下各電機的表面溫度、表面傳熱系數，各車輪的空氣質量流等參數的分布及變化規律。結果表明：前輪電機受前端散熱模塊影響較大；右前輪電機外殼溫度高于左前輪電機和后輪電機；前輪電機表面傳熱系數明顯大于后輪。隨著車速的增加，產生較多的冷卻氣體，電機表面散熱情況有所好轉。

關鍵詞：

電動汽車； 輪轂電機； 計算流體力學； 傳熱系數； 散熱規律

中圖分類號： U469.72；U463.343

文獻標志碼： B

Heat dissipation law of electric vehicle in-wheel motor

JIANG Congxi1，2a， ZHAO Lanping1，2， MIAO Lu1，2a， YANG Zhigang1，2，3

（1. Shanghai Key Lab of Vehicle Aerodynamics and Vehicle Thermal Management Systems， Shanghai 201804， China；

2. a. Shanghai Automotive Wind Tunnel Center； b. School of Mechanical Engineering， Tongji University，

Shanghai 201804， China； 3.COMAC Beijing Aeronautical Science & Technology Research Center， Beijing 102211， China）

Abstract：

Computational fluid dynamics method is used to simulate the heat dissipation law of in-wheel motor of electric vehicle. The heat transfer coefficient and temperature of each motor surface are obtained as well as distribution and variation of the air mass flow of each wheel. The results show that， the front wheel motor is greatly affected by front-end heat dissipation module； the shell temperature of the right front wheel motor is higher than that of the left front wheel and rear wheel motor； the surface heat transfer coefficient of the front wheel motor is obviously bigger than that of the rear wheel. With the increase of speed， more cooling gas is produced， and the surface heat dissipation of the motor is improved.

Key words：

electric vehicle； in-wheel motor； computational fluid dynamics； heat transfer coefficient； heat dissipation law

收稿日期： 2017-05-25

修回日期： 2017-10-16

基金項目：

上海市地面交通工具風洞專業技術服務平臺項目（16DZ2290400）

作者簡介：

江從喜（1991—），男，安徽滁州人，碩士研究生，研究方向為汽車熱管理及汽車空氣動力學，（E-mail）congxijiang0410@163.com；

趙蘭萍（1967—），女，上海人，副教授，博士，研究方向為汽車熱管理及流動換熱，（E-mail）lanping.zhao@sawtc.com

通信作者：

楊志剛（1961—），男，遼寧鞍山人，教授，博士，研究方向為空氣動力學及熱管理，（E-mail）zhigang.yang@sawtc.com

0 引 言

電動汽車的驅動電機可直接安裝在驅動輪上，各電動輪的驅動力獨立可控，既靈活又方便，有利于提高車輛在惡劣路面條件下的行駛性能和主動安全性能。[1]然而，傳統汽車的前圍和輪包結構不能很好地滿足這種分布式驅動電機輪邊驅動和制動系統的通風散熱要求。如果電機的通風冷卻設計不合理，電機溫度就不能保持在合理的范圍內，導致電機性能下降，甚至造成電機的損毀。因此，對電動汽車輪轂電機通風散熱條件及散熱規律的研究，是分布式驅動電動汽車電機熱管理急需解決的關鍵問題之一。

國內外對電動汽車電機熱特性進行過大量研究。在國外：DEMETRIADES等[2]用熱網格法對額定轉速為3 560 r/min的電機進行研究，采用Simulink建立實時模型，將實驗采集到的電子數據實時輸入到模型中計算損耗和溫度；JIH等[3]建立混合動力車電機熱管理系統計算流體力學模型，用模擬手段指導車輛設計。在國內：楊金霞等[4]對一臺30 kW的無刷直流電機的二維溫度場進行仿真和分析，并與其試驗數據進行對比，對研究降低電機溫升有一定實用價值；劉偉亮等[5]對采用電磁場量計算電機損耗的方法以及采用熱路和熱場計算電機溫升進行研究。現有研究成果都是在單電機、假設電機各表面的來流為均勻氣流、速度與車速相等的情況下完成的，針對電機在整車環境下的溫度場研究很少。

在整車行駛條件下，考慮內流和前端模塊熱源的影響，本文對前、后4個輪轂電機的散熱規律進行研究和分析，為輪轂電機熱管理提供依據。

1 輪轂電機驅動系統散熱

在電動汽車行駛過程中，輪轂電機會向外界散發熱量：一部分熱量通過對流散熱由空氣帶走；一部分熱量以熱傳導的方式通過連接軸和電機與車輪連接部件帶走；輻射散熱所占比例很小可忽略不計[6]；剩余部分熱量產生電機溫升。對流散熱的氣流由電動汽車內流和外流共同組成，前方來流經過進氣格柵，一部分經過前端冷凝器和散熱器變成高溫冷卻氣體，從前輪后部和底盤流向車尾，另一部分氣體繞過車身，從前輪外部流進車輪，形成外流冷卻氣體。輪轂電機驅動系統熱分析示意見圖1。

圖 1 輪轂電機驅動系統熱分析示意

在電動汽車行駛過程中，輪轂電機是電動汽車的主要熱源，其工作時所產生的損耗將轉變為熱能，使電機溫度升高。輪轂電機MAP圖見圖2，其主要反映不同轉速、扭矩下的輪轂電機效率分布，并可得到輪轂電機的熱源損耗值。

圖 2 輪轂電機MAP圖

前方來流流進進氣格柵，經過前端冷凝器和散熱器時變成高溫冷卻氣體。熱交換器壓降曲線[7]見圖3。

圖 3 熱交換器壓降曲線

2 計算流體力學數值計算方法

采用HyperMesh劃分整車面網格，見圖4。由于電動汽車的輪邊結構及電機較為復雜，因此采用非結構化四面體網格。整車計算域設置為14倍車長、10倍車寬、5倍車高（見圖5）[8]，尺寸為62 m×14 m×7.5 m，整車的體網格數量約為1 200萬個。

采用有限體積法對通用控制方程進行離散，壁面采用非平衡壁面函數，湍流模型選用高雷諾數的

k-ε兩方程模型，離散方程組的壓力和速度耦合采用SIMPLE算法，空間離散格式為2階迎風格式。風扇設置采用多參考坐標系（multiple reference frame，MRF）方法。車輪和輪轂電機設置為旋轉壁面，地面設為移動壁面，其他固體壁面均設為光滑、無滑移、不可穿透的壁面。計算域入口為速度入口，計算域出口為壓力出口。考慮流固耦合傳熱，環境溫度為300 K，在FLUENT中設置電機各部分的材料物性參數后，運用流場和溫度場耦合的方式進行計算。

圖 4 整車面網格

圖 5 計算域

3 計算結果

3.1 前艙流場

輪轂電機驅動系統緊貼制動器熱源。由于輪轂電機結構特殊，很難采用水冷方式散熱，因此目前仍采取風冷散熱方式。[9]

以電動汽車50 km/h等速巡航的工況為例，研究輪轂電機電動汽車前艙流場情況，前艙水平中截面流線與速度流場分布見圖6。由此可知，冷卻氣流流經前端冷卻模塊后，在風扇抽吸作用下加速，經過風扇排出的氣流直接吹向電控設備，帶走散熱器的大部分熱量。由于前艙結構不對稱，氣流流向右側更多，流經區域的溫度較高，因此前艙左、右輪邊驅動系統的溫度場也不對稱。

圖 6 前艙水平中截面流線與速度場分布

前艙水平截面溫度場與流線分布見圖7。經過前端冷卻模塊的氣體溫度達到355 K左右，左、右前輪的電機和制動器等部件的溫度場差異較明顯，右側最高溫度比左側高10 K。從圖7b）中可以看出，受電控元件的阻擋，其后面區域的空氣流速變慢，導致溫度升高，高溫氣體直接吹向右輪的輪邊驅動系統。由此可見，合理布置前艙部件，盡量使高溫冷卻氣體從底盤流出，減少其對電機溫度的影響十分重要。

圖 7 前艙水平截面溫度場與流線分布，K

3.2 輪轂電機外表面溫度場對比

左前輪電機外殼溫度分布見圖8。輪轂電機表面的最高溫度為318 K，發生在與電機軸平行的側面外殼處，此處最接近熱源，溫度最高；外殼內側中心溫度最低，為310 K，從中心向邊緣逐漸升高。

圖 8 左前輪電機外殼溫度分布，K

風扇的旋轉以及前艙布置的不對稱，使得經過前端冷卻模塊的高溫氣流不均勻地流向左、右前輪，因此左、右電機溫度分布產生較大差異。右輪電機外殼最高溫度為328 K，比左輪高10 K，分布規律基本相同。右前輪電機外殼溫度分布見圖9。

圖 9 右前輪電機外殼溫度分布，K

左、右后輪電機外殼溫度分布分別見圖10和11。由此可知：左、右后輪電機外殼溫度差異不大，考慮計算誤差，兩者溫度變化可認為基本一致。前、后輪電機表面溫度對比見表1，后輪電機表面最高溫度為323 K，略高于左前輪最高溫度（318 K），低于右前輪最高溫度（328 K）。

圖 10 左后輪電機外殼溫度分布，K

圖 11 右后輪電機外殼溫度分布，K

表 1 前、后輪電機表面溫度對比

K

從流場通風散熱情況來看，由于前輪電機附近表面空氣流速高于后輪，通風散熱條件更好，因此左前輪電機表面溫度低于后輪。受前艙高溫冷卻氣體的影響，右前輪電機散熱情況最差，表面溫度最高。

3.3 在不同車速下各車輪的空氣質量流量變化

在不同車速下，前輪左、右電機表面的最高溫度相差不大，但在低速階段，右輪電機溫度比左輪電機溫度略高；左后輪與右后輪溫度場分布基本一致。由于后輪表面空氣流速較低，電機外殼上的熱量無法及時被空氣帶走，因此后輪電機外殼的溫度一直高于左前輪電機外殼溫度，低于右前輪電機外殼溫度。雖然前輪電機表面空氣流速高，但氣流溫度相對較高，不利于電機內部的熱量散出。

從車輪外部進入前艙的冷卻氣流對電機的通風散熱有重要影響，在理想情況下，進氣量越大，對散熱越有利。在不同車速下車輪橫向空氣質量流量見圖12，可以看出，右前輪空氣流量最大。前端內流是高溫氣體，大部分流向右前輪，使得右前輪電機溫度高于左前輪電機溫度。左前輪與左后輪的空氣流量在低速時相差不大。隨著車速的增加，受內流的影響，左前輪的進氣量明顯增加。由此可見，內流對輪邊流場和熱管理有重要影響。[10]

圖 12 在不同車速下車輪橫向空氣質量流量

在電動汽車車身造型設計過程中，應盡量使電動汽車前方來流向前輪靠攏，增加進氣量。可以在汽車前端開孔，引氣流流向電機表面；也可以優化輪輻和輪罩的結構，增加輪邊冷卻空氣的進氣量。

3.4 前端模塊對輪轂電機溫度場的影響

分析前端冷卻氣體對前輪電機的影響程度，以電動汽車50 km/h勻速行駛為工況，將前端冷卻模塊的熱源關閉，重新計算整車三維溫度場，并與電機溫度分布進行對比。

在不考慮前端氣流溫度的情況下，右前輪電機外殼溫度分布見圖13。由此可知，電機外殼的溫度大大降低，右前輪電機外殼平均溫度在314 K左右，比考慮前端進氣時低10 K左右，內側外殼也比考慮前端進氣時低10 K左右。在研究輪邊驅動系統熱管理時，要充分考慮經過前艙的高溫冷卻氣體對前輪電機的影響。

圖 13 右前輪電機外殼溫度分布，K

前端冷卻氣體的流速和溫度均會影響前輪電機的溫度場，在車速為50和100 km/h工況下，前輪水平中截面溫度場分布分別見圖14和15。

圖 14 50 km/h車速下前輪水平中截面溫度場分布，K

圖 15 100 km/h車速下前輪水平中截面溫度場分布，K

從圖14b）可以看出，在車速為50 km/h時，前

端冷卻氣體對右輪溫度帶來惡劣的影響，高溫氣體從制動器與輪胎之間直接流向輪轂電機，使得右側輪邊驅動系統各部件溫度普遍升高。從圖14a）可以看出，左輪前端氣體直接流向后輪，對前輪影響較小，而在車速提高到100 km/h時，左、右輪邊驅動系統的溫差已經減小。

前艙冷卻氣體會使前輪電機的平均溫度升高。在車速較低的情況下，較多的冷卻氣體使電機溫度變高，隨著車速的增加，這種影響逐漸降低；在車速較高的情況下，流速成為影響溫度的主要因素，較多的冷卻氣體使電機表面散熱情況變好。

3.5 輪轂電機表面散熱規律

在不同車速情況下，電動汽車電機產生的損耗不同。隨著車速的增加，損耗會逐漸增大，同時電動汽車前端進氣流量和冷卻氣體的溫度會變化，輪轂電機表面空氣流速、橫向流過車輪的空氣流量也會發生變化。溫度場的形成是以上諸多因素綜合作用的結果。

對流散熱的熱量由圓柱形電機外殼3個表面的對流散熱量共同組成。由于在不同車速下不同表面對流散熱量所占比例基本相同，因此取其在不同車速下的平均值分析散熱情況。前輪電機外殼散熱量分布見圖16。左前輪電機側面外殼散熱量最多（占37%），內、外側外殼散熱量相差不大。左、右前輪電機外側外殼散熱量均占29%，說明外流對左、右前輪電機影響相同。由于高溫內流冷卻氣體的影響，右前輪電機內側外殼散熱量低于左前輪電機。由此可知，內流對左前輪電機影響較小，對右前輪電機影響較大，左前輪電機側面和外側的散熱量主要受電動汽車外流場影響。

圖 16 前輪電機外殼散熱量分布

后輪電機外殼散熱分布見圖17，左、右電機散熱量分布基本相同。由于左后輪內流流速較低，內側外殼和側面外殼散熱量所占比例分別為30%和25%。外側外殼散熱量最多，左、右輪電機外側外殼散熱量分別占34%和33%。由此可知，前輪輪邊系統會降低氣流對后輪的影響，右前輪氣流量更大，溫度更高，導致右后輪外側散熱條件比左后輪差。因此，外流是影響后輪電機散熱的主要因素。

圖 17 后輪電機外殼散熱分布

表面傳熱系數的大小取決于流體的物性，換熱表面的形狀、大小和布置，與流速也有密切關系。在整車行駛情況下，在不同車速時電機各表面的表面傳熱系數見圖18～21。

圖 18 左前輪電機各表面的表面傳熱系數

圖 19 右前輪電機各表面的表面傳熱系數

圖 20 左后輪電機各表面的表面傳熱系數

圖 21 右后輪電機各表面的表面傳熱系數

前輪電機側面外殼表面傳熱系數最大，外側外殼表面傳熱系數最小，右前輪電機表面傳熱系數低于左前輪電機表面傳熱系數。內側表面傳熱系數后輪最大，側面最小。在不同車速下，左、右兩輪表面傳熱系數差

別不大，后輪受前艙氣流影響小，其表面傳熱系數越大，對流散出熱量越大，溫度越低。

4 結 論

采用計算流體力學數值仿真模擬方法，對整車條件下的電動汽車輪轂電機的散熱特性進行分析，結論如下：

（1）外流對左、右輪電機散熱影響相同；內流對左前輪散熱影響較小，對右前輪散熱影響較大；外流是影響后輪電機散熱的主要因素。

（2）經過前端冷卻模塊的高溫氣流不均勻地流向左、右前輪，流向右前輪較多，從而使左、右電機溫度分布產生較大差異。右前輪電機外殼平均溫度比左前輪電機外殼平均溫度高10 K左右，后輪左、右電機的溫度差異不大。左前輪電機外殼溫度低于后輪電機外殼溫度，但受前端氣流影響嚴重的右前輪電機外殼溫度高于后輪電機外殼溫度，前輪電機各表面傳熱系數明顯大于后輪表面傳熱系數。

（3）前艙冷卻氣體前輪電機的平均溫度升高。在車速較低的情況下，冷卻氣體使電機溫度變高，然而隨著車速的增加，這種影響逐漸降低；在車速較高的情況下，流速成為影響溫度的主要因素，較多的冷卻氣體使電機表面散熱情況變好。

參考文獻：

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