純電動(dòng)汽車集成電驅(qū)系統(tǒng)油冷方案的研究與應(yīng)用

陳廣林 周文 陳寄貴 譚立真

摘 要：純電動(dòng)汽車是當(dāng)今前新能源汽車的重要趨勢(shì)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)作為純電動(dòng)汽車關(guān)鍵技術(shù)也受收到越來(lái)越多關(guān)注。集成油冷電驅(qū)系統(tǒng)以其結(jié)構(gòu)緊湊、低成本、高效率已經(jīng)成為各大廠商主推的產(chǎn)品之一。文章針對(duì)集成電驅(qū)系統(tǒng)油冷方案在純電動(dòng)汽車的應(yīng)用進(jìn)行研究，通過(guò)計(jì)算分析與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證獲得油冷方案的相關(guān)參數(shù)，加快了集成油冷電驅(qū)系統(tǒng)在純電動(dòng)汽車上的應(yīng)用開(kāi)發(fā)。

關(guān)鍵詞：純電動(dòng)汽車;集成電驅(qū)系統(tǒng);冷卻;熱平衡

中圖分類號(hào)：U469.72? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? 文章編號(hào)：1671-7988（2020）15-08-03

Abstract： Electric vehicles are an important trend of today's new energy vehicles， and As the key technology of electric vehicles， more and more attention have been paid to drive motor systems. For the advantage of compact structure， low cost and high efficiency， integrated oil-cooled electric drive system has become one of the main products of major manufacturers. The research and application of integrated electric drive system oil cooling method on the electric vehicle have been conducted in this paper. The relevant parameters of the oil cooling method are obtained by calculation analysis and experimental verification， which greatly accelerates the application development of integrated electric drive system oil cooling method on the electric vehicle.

Keywords： Electric vehicles; Integrated electric drive system; Cool; Heat balance

CLC NO.： U469.72? Document Code： A? Article ID： 1671-7988（2020）15-08-03

前言

電動(dòng)汽車主要分為純電動(dòng)、混合動(dòng)力、燃料電池三種。無(wú)論是純電動(dòng)汽車、混合動(dòng)力汽車還是燃料電池汽車，電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)都是其關(guān)鍵部件[1]。集成電驅(qū)系統(tǒng)將驅(qū)動(dòng)電機(jī)、電機(jī)控制、差速器以及減速器集成在一起，減小了整個(gè)電驅(qū)系統(tǒng)的質(zhì)量和體積，有效的降低了電驅(qū)系統(tǒng)及整車的制造成本，已經(jīng)成為當(dāng)今廣泛運(yùn)行的電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。集成電驅(qū)系統(tǒng)的冷卻一般分為風(fēng)冷、水冷和油冷，其中油冷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊、冷卻效率高是一種優(yōu)良的電驅(qū)冷卻方式。本文重點(diǎn)就純電動(dòng)汽車集成電驅(qū)系統(tǒng)的油冷方案進(jìn)行研究分析。

1 研究分析

1.1 方案介紹

純電動(dòng)汽車集成電驅(qū)系統(tǒng)油冷方案如下圖所示：電驅(qū)冷卻油通過(guò)油泵從電驅(qū)油底殼進(jìn)入油冷器，在油冷器內(nèi)與整車的冷卻液進(jìn)行熱交換后對(duì)電機(jī)進(jìn)行冷卻，再回流至電驅(qū)油底殼。該方案需要確定電驅(qū)系統(tǒng)中所需的油泵流量、油冷器功率以及整車的冷卻液流量。

1.2 參數(shù)計(jì)算

電驅(qū)系統(tǒng)油冷方案的熱源主要來(lái)自電機(jī)運(yùn)行中的損耗，電機(jī)在不同的熱平衡工況下效率和損耗值各不相同，需確認(rèn)整車運(yùn)用中最大的損耗值。根據(jù)純電動(dòng)汽車動(dòng)力性的設(shè)置存在以下四種工況[2]：1km最高車速、30min最高車速，百公里加速時(shí)間，1km爬坡車速，其中30min最高車速工況屬于持續(xù)運(yùn)行熱平衡狀態(tài)，其他均屬于短時(shí)運(yùn)行工況。結(jié)合某量產(chǎn)車型參數(shù)：30min最高車速150km/h、半載整備質(zhì)量約2158kg、車輪半徑324mm、風(fēng)阻系數(shù)0.245、迎風(fēng)面積2.35m2、滾阻系數(shù)7.8N/kN等。根據(jù)汽車的驅(qū)動(dòng)力與行駛阻力的平衡關(guān)系建立汽車行駛放方程如下[3]，其中行駛阻力Ft包括滾動(dòng)阻力Ff、空氣阻力Fw、坡度阻力Fi和加速阻力Fj。

式中，Ttq為電機(jī)驅(qū)動(dòng)扭矩;i0集成電驅(qū)減速比，為11.14;ηT傳動(dòng)系統(tǒng)效率，約97%;r為輪胎半徑;G為汽車重量;f為滾動(dòng)阻力系數(shù);CD為空氣阻力系數(shù);A為迎風(fēng)面積;μa為車速;i為道路坡度;σ為汽車旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù);m為汽車質(zhì)量;du/dt為加速度。可以計(jì)算出30min最高車速下對(duì)應(yīng)的電機(jī)運(yùn)行工況為轉(zhuǎn)速約13680rpm，扭矩約18.8N.m，功率為26.9Kw。

根據(jù)集成電驅(qū)系統(tǒng)電機(jī)的相關(guān)參數(shù)及整車電池的相關(guān)參數(shù)可以仿真計(jì)算出如下電機(jī)的效率Map圖[5]：

可以得到電機(jī)在13680rpm和扭矩18.8N.m工況下效率為78.6%。所以可以計(jì)算出電機(jī)的損耗約為5.76kw，及該集成電驅(qū)系統(tǒng)在整車應(yīng)用中最大的損耗值為5.76kw，損耗功率主要通過(guò)電驅(qū)系統(tǒng)的油冷器與整車的冷卻液進(jìn)行熱交換，所以可確定在給定條件下油冷器的最小功率為5.76kw。

當(dāng)電驅(qū)系統(tǒng)達(dá)到熱平衡時(shí)，油冷器油側(cè)和水側(cè)的熱交換功率是一致的，可以得到如下平衡方程：

式中Co為冷卻油的比熱容;ρo為冷卻油的密度;Vo為單位時(shí)間內(nèi)經(jīng)過(guò)油冷器油的體積;T1油冷器入口油溫度;T2油冷器出口油溫度;Cw為冷卻液的比熱容;ρw為冷卻液的密度;Vw為單位時(shí)間內(nèi)經(jīng)過(guò)油冷器冷卻液的體積;T3油冷器出口冷卻液溫度;T4油冷器入口冷卻液溫度;根據(jù)該電驅(qū)系統(tǒng)冷卻油的物理特性可確定Co值2.156J/（kg·°C）、ρo值853kg/m3;根據(jù)整車?yán)鋮s液的物理特性可確定Cw值3.48J/ （kg·°C）、ρw值1042kg/m3;該冷卻油最佳的穩(wěn)定持續(xù)運(yùn)行的高溫約100℃-120℃，這里取T1為105℃;根據(jù)一般整車運(yùn)行的冷卻系統(tǒng)設(shè)置水溫T4取為65℃，冷卻液流量取8L/min;油冷器達(dá)到最佳熱平衡狀態(tài)時(shí)T2與T3相等。計(jì)算得到油側(cè)的流量為6.69L/min。

綜上通過(guò)仿真計(jì)算已經(jīng)初步確定了在整車運(yùn)行工況最苛刻的條件下，電驅(qū)系統(tǒng)達(dá)到熱平衡的條件為：油冷器在給定工況下熱交換功率不低于5.76kw、油側(cè)的流量不低于6.69L/min，水側(cè)的流量不低于8L/min。

1.3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

將滿足設(shè)計(jì)要求的油冷器及油泵接入電驅(qū)系統(tǒng)，布置好相關(guān)傳感器搭建如下圖電驅(qū)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)架：

調(diào)整油泵的流量為6.69L/min、冷卻液流量為8L/min、冷卻液溫度為65℃，設(shè)置電機(jī)的運(yùn)行工況為轉(zhuǎn)速13680rpm，扭矩18.8N.m。整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中電驅(qū)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行未出現(xiàn)過(guò)溫的現(xiàn)象，冷卻系統(tǒng)滿足設(shè)計(jì)要求，實(shí)驗(yàn)過(guò)程采集的數(shù)據(jù)如下表：