燃料電池汽車電機(jī)冷卻模塊設(shè)計(jì)
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燃料電池汽車電機(jī)冷卻模塊設(shè)計(jì)
摘要 目前中國(guó)未來(lái)汽車工業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)是朝著新能源領(lǐng)域轉(zhuǎn)變，新能源汽車能夠明顯改善由于汽車尾氣排放而造成嚴(yán)重的空氣污染問(wèn)題。驅(qū)動(dòng)電機(jī)是給燃料電池汽車提供動(dòng)力的唯一來(lái)源，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的性能優(yōu)劣會(huì)對(duì)燃料電池汽車的性能起到?jīng)Q定性的作用。目前，新能源汽車的發(fā)展，因其綠色環(huán)保的概念而得到了各國(guó)政府的大力支持，各國(guó)紛紛出臺(tái)新能源汽車相關(guān)政策。新能源汽車，主要是以電驅(qū)動(dòng)汽車為核心，電機(jī)是電驅(qū)動(dòng)汽車的動(dòng)力來(lái)源，也是驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中發(fā)熱量較高的部件。因此，高效合理的散熱設(shè)計(jì)，是保證電機(jī)可靠運(yùn)行的必要條件。一般的，傳統(tǒng)的散熱方式是自然風(fēng)冷，強(qiáng)制和風(fēng)冷和強(qiáng)制水冷三種方式，風(fēng)冷主要是對(duì)小功率的電機(jī)產(chǎn)品，對(duì)大功率的電機(jī)，目前廣泛采用強(qiáng)制水冷，而冷卻水套是主要水冷方式。想要避免因?yàn)闊崃窟^(guò)多而造成電機(jī)永磁體退磁的狀況出現(xiàn)，并且進(jìn)一步延長(zhǎng)電機(jī)和控制器的使用年限與汽車行駛的安全性，時(shí)刻將驅(qū)動(dòng)電機(jī)和控制系統(tǒng)的溫度維持在一個(gè)合理范圍內(nèi)是十分重要的。所以，必須科學(xué)匹配燃料電池汽車的驅(qū)電機(jī)冷卻系統(tǒng)，盡早研發(fā)出一套高效的控制方案會(huì)對(duì)日后汽車行業(yè)的發(fā)展起到巨大的推動(dòng)作用。
此次針對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)與其相應(yīng)控制的架構(gòu)與產(chǎn)熱散熱原理做了深入的分析；運(yùn)算出了電機(jī)與其控制器在何磊工況下的耗能；并且設(shè)計(jì)出了相匹配的電動(dòng)循環(huán)水泵、散熱風(fēng)扇轉(zhuǎn)速持續(xù)可調(diào)節(jié)的冷卻系統(tǒng)。本文研究的核心內(nèi)容大致包括以下兩點(diǎn)：
1、明確了驅(qū)動(dòng)電機(jī)與其控制器的架構(gòu)特征特點(diǎn)與產(chǎn)熱原理，重要的熱量源頭、降溫渠道與相關(guān)影響因素；依次運(yùn)算出了電機(jī)本體與其控制器在不同工況狀態(tài)下的產(chǎn)熱功率。
2、對(duì)電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)與其控制器的冷卻系統(tǒng)的特征與關(guān)鍵結(jié)構(gòu)做了深入分析，制定出一套將電機(jī)與控制器串聯(lián)起來(lái)降溫的措施，并且挑選并設(shè)計(jì)了機(jī)冷卻水道結(jié)果的類型與參數(shù)；實(shí)現(xiàn)了包括冷卻系統(tǒng)中散熱器、散熱風(fēng)扇與循環(huán)水泵等核心零件在內(nèi)的挑選工作；最終還對(duì)相關(guān)部件做了嚴(yán)格的審核與運(yùn)算。
關(guān)鍵詞：驅(qū)動(dòng)電機(jī)，冷卻系統(tǒng)
Fuel cell vehicle motor cooling module design
ABSTRACT At present, the development trend of China's future automobile industry is to change towards the new energy field. New energy vehicles can significantly improve the serious air pollution caused by automobile exhaust emissions.As the only power source of fuel cell vehicle, the reliability of driving motor directly affects the performance of fuel cell vehicle. At present, the development of new energy vehicles, because of its green concept has been strongly supported by the governments of various countries, countries have issued new energy vehicles related policies. New energy vehicles are mainly electric driven vehicles as the core, the motor is the power source of electric driven vehicles, but also the drive system of high heat components. Therefore, efficient and reasonable heat dissipation design is a necessary condition to ensure the reliable operation of the motor. Generally speaking, the traditional cooling methods are natural air cooling, forced air cooling and forced water cooling. Air cooling is mainly used for low-power motor products and high-power motor. Currently, forced water cooling is widely adopted, while cooling water jacket is the main water cooling method.It is necessary to strictly control the temperature of the drive motor and its control system to avoid the occurrence of demagnetization due to too high temperature of the motor permanent magnet and to prevent the service life of the motor and its controller from deteriorating the reliability of the vehicle.
The in-depth analysis of the structure of the drive motor and its corresponding control and the principle of heat production and heat dissipation was carried out; the energy consumption of the motor and its controller under He Lei's working condition was calculated; and the matched electric circulating water pump and heat dissipation were designed. The fan speed continues to be an adjustable cooling system. The core content of this paper includes the following two points:
1. The structural characteristics and heat generation principle of the drive motor and its controller, the important heat source, cooling channel and related influencing factors are clarified. The heat production power of the motor body and its controller under different working conditions is calculated in turn.
2. Analyzed the cooling system characteristics and main layout forms of the drive motor and its controller of electric vehicles, determined the layout scheme of the motor and controller adopting serial cooling, and selected the type of the motor cooling channel and designed the parameters;the selection work including the core parts such as the radiator, the cooling fan and the circulating water pump in the cooling system was realized; finally, the relevant parts were strictly audited and calculated.
Key words: drive motor, cooling system.
目 錄
第1章 緒論···············································1
1.1課題研究背景與研究意義········································1
1.2電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)冷卻系統(tǒng)研究現(xiàn)狀······························2
1.3 本文研究的核心內(nèi)容············································2
第 2 章 冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及參數(shù)匹配··························4
2.1 冷卻系統(tǒng)布置措施··············································4
2.1.1 冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求··········································4
2.1.2 冷卻系統(tǒng)布置策略··········································5
2.2 挑選驅(qū)動(dòng)電機(jī)冷卻水道形式······································5
2.2.1 冷卻水道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求······································5
2.2.2 挑選水道結(jié)構(gòu)類型··········································5
2.2.3 明確水道結(jié)構(gòu)參數(shù)··········································7
2.3 系統(tǒng)部件匹配選型·············································10
2.3.1 計(jì)算散熱器選型···········································11
2.3.2 散熱風(fēng)扇選型·············································13
2.3.3 水泵選型計(jì)算·············································14
2.3.4 管道選型計(jì)算·············································15
2.4 核對(duì)重要部件的性能···········································16
2.4.1 核對(duì)循環(huán)水泵性能·········································16
2.4.2 核對(duì)散熱風(fēng)扇性能·········································16
2.5 本章小結(jié)·····················································17
第 3 章 全文總結(jié)與工作展望·······························18
3.1 全文總結(jié)·····················································18
3.2 全文展望·····················································18
致謝·······························································19
參考文獻(xiàn)···························································20
第1章 緒論
1.1 課題研究背景與研究意義
目前由于能源的短缺與環(huán)境質(zhì)量的日益下降，越來(lái)越多的國(guó)家將注意力聚焦到了環(huán)境污染問(wèn)題上，當(dāng)今國(guó)際上比較知名的汽車制造國(guó)接連針對(duì)燃料電池汽車的推廣下發(fā)制定了相關(guān)的法律文件。眾所周知，新能源電池汽車的排放物無(wú)污染，并且?guī)缀醪粫?huì)產(chǎn)生噪音，在具體的性能方面優(yōu)勢(shì)也十分明顯，再加上政府的大力支持，國(guó)內(nèi)外中國(guó)知名的汽車制造商正向研制新能源車領(lǐng)域轉(zhuǎn)型，這也是未來(lái)該行業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)。驅(qū)動(dòng)電機(jī)是為燃料電池汽車帶來(lái)前進(jìn)驅(qū)動(dòng)力的部件，驅(qū)動(dòng)電機(jī)自身的優(yōu)勢(shì)與使用年限的長(zhǎng)短會(huì)對(duì)車輛行駛的安全性與高效性起著決定性的作用，在電機(jī)很長(zhǎng)運(yùn)作的過(guò)程里形成的大量熱能假使不能夠迅速的散，就會(huì)導(dǎo)致電機(jī)溫度迅速提高，最終致使電機(jī)轉(zhuǎn)子內(nèi)永磁體由于溫度太高而無(wú)法發(fā)揮出正常的效用，進(jìn)而對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的性能造成損害，并且會(huì)大幅度縮短永磁同步電機(jī)的使用年限，讓整車的運(yùn)行成本加大。不僅如此，過(guò)高的溫度還會(huì)讓電機(jī)的絕緣材料出現(xiàn)質(zhì)變，進(jìn)而無(wú)法實(shí)現(xiàn)絕緣效用。另外，電機(jī)控制器內(nèi)的部分電子器件與主控板與電源板以及版塊和IGBT 版塊等也會(huì)由于過(guò)高的溫度致使自身受到損傷，更嚴(yán)重的時(shí)候還會(huì)燒毀相關(guān)器件。所以，在設(shè)計(jì)冷卻系統(tǒng)的時(shí)候不許確保其具備良好的冷卻性能，以此來(lái)保障驅(qū)動(dòng)電機(jī)與控制器都能夠正常運(yùn)作，確保燃料電池汽車整車在行駛過(guò)程內(nèi)的穩(wěn)定性與安全性和可靠性。
此次針對(duì)燃料電池汽車的驅(qū)動(dòng)電機(jī)的冷卻系統(tǒng)做深入的完善與匹配工作，實(shí)現(xiàn)研發(fā)驅(qū)動(dòng)電機(jī)冷卻系統(tǒng)通過(guò)溫度對(duì)子版塊做調(diào)整的目標(biāo)，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)控制整車的方案。系統(tǒng)最終的控制目的是要保障在運(yùn)行燃料電池汽車的階段內(nèi)要使電機(jī)的溫度持續(xù)穩(wěn)定在合理的范圍里，防止因?yàn)殡姍C(jī)溫度的狀況而造成永磁體出現(xiàn)退磁現(xiàn)象，進(jìn)一步增加電機(jī)的使用年限，改善燃料電池汽車的行駛的安全性。并且，要盡可能把冷卻系統(tǒng)在運(yùn)作過(guò)程內(nèi)損耗的能量控制在最小范圍內(nèi)，以此來(lái)增強(qiáng)能量的使用效率。
此次調(diào)研的最終目標(biāo)是想明確驅(qū)動(dòng)電機(jī)的架構(gòu)特征與產(chǎn)熱原理，同時(shí)和實(shí)際的應(yīng)用現(xiàn)狀結(jié)合起來(lái)，更精準(zhǔn)的設(shè)計(jì)匹配電機(jī)的冷卻系統(tǒng)，并且要研發(fā)出一套實(shí)用性強(qiáng)的溫度控制方案，大幅度降低電機(jī)永磁體退磁的幾率，進(jìn)而延長(zhǎng)永磁同步電機(jī)的使用年限，提高新能源汽車行駛的安全性與穩(wěn)定性。
1.2電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)冷卻系統(tǒng)研究現(xiàn)狀
由于各個(gè)冷卻系統(tǒng)使用的冷卻介質(zhì)各不相同，所以驅(qū)動(dòng)電機(jī)含有風(fēng)冷與液冷兩種冷卻方式。其中前者又能夠細(xì)分為自然風(fēng)冷與強(qiáng)迫風(fēng)冷。后者一般使用水與油等液體當(dāng)做冷卻介質(zhì)。因?yàn)槿剂想姵仄嚨尿?qū)動(dòng)電機(jī)放置位置不同尋常，因此僅靠風(fēng)冷無(wú)法達(dá)到散熱的目的，現(xiàn)在使用最頻繁的方式就是液冷，具體含油冷與水冷兩種。由于冷卻油具備絕緣性佳，介電常數(shù)大以及散熱良好等優(yōu)勢(shì)，研究人Laskaris K. I.、Kladas A. G.就開始針對(duì)三相永磁牽引電機(jī)做油冷模式方向的探索，最終發(fā)現(xiàn)25℃的冷卻油能驅(qū)散 5kW的 熱量，降溫散熱效果極佳；來(lái)自美國(guó)的 Carlo C.Di Pietro與Sian S.Lie 等學(xué)者深入探索了電動(dòng)汽車電機(jī)的冷卻系統(tǒng)，并提出了一種將噴射油冷和循環(huán)油冷模式融合使用的策略，進(jìn)一步優(yōu)化了電機(jī)永磁體與繞組端部的降溫效果，很大程度的改善了電機(jī)的性能。但由于冷卻油的導(dǎo)熱系數(shù)和熱容量都比水小，并且造價(jià)貴，所以現(xiàn)在燃料電池汽車的驅(qū)動(dòng)電機(jī)使用最廣泛的還是冷卻液手段。冷卻液的核心構(gòu)成包乙二醇、防腐蝕添加劑與抗泡沫添加劑以及水。在電機(jī)機(jī)殼體內(nèi)制成出水道框架，冷卻液在水道內(nèi)的流動(dòng)和機(jī)殼做換熱來(lái)實(shí)現(xiàn)降溫的目的。按照電機(jī)水道構(gòu)造模式包括螺旋結(jié)構(gòu)、半螺旋架構(gòu)與圓周結(jié)構(gòu)以及軸向架構(gòu)。
因?yàn)槿剂想姵仄囂厥獾尿?qū)動(dòng)電機(jī)散熱環(huán)境，所以電機(jī)的溫度控制需要更高級(jí)別的冷卻系統(tǒng)來(lái)支持。所以要把電機(jī)的布置方案與電動(dòng)車實(shí)際運(yùn)行的情況聯(lián)系起來(lái)，設(shè)計(jì)出一款降溫效果更好的冷卻系統(tǒng)與控制方案，這將決定著驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性與安全性。
1.3 本文研究的核心內(nèi)容
相應(yīng)確保燃料電池汽車的驅(qū)動(dòng)電機(jī)可以按照預(yù)期穩(wěn)定安全的運(yùn)作，此次研究的重要內(nèi)容就是按照驅(qū)動(dòng)電機(jī)的布置模式與車輛運(yùn)行的實(shí)際情況來(lái)實(shí)現(xiàn)分析電機(jī)產(chǎn)熱機(jī)理與運(yùn)算產(chǎn)熱散熱以及匹配電機(jī)冷卻系統(tǒng)的核心零件以及核、制定冷卻系統(tǒng)溫度控制方案、檢測(cè)冷卻系統(tǒng)的建模仿真等目的。此次研究的核心內(nèi)容包括以下三點(diǎn)：
（1）總結(jié)明確驅(qū)動(dòng)電機(jī)的架構(gòu)、運(yùn)行原理與產(chǎn)熱散熱的工作原理；根據(jù)額定工況與峰值狀況下的電機(jī)與其控制器的各個(gè)環(huán)節(jié)的耗能做深入分析；借助公式法運(yùn)算出不同工況下的電機(jī)和控制器的耗能狀況，最終獲知驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)在不同工況下的產(chǎn)熱狀況，以此來(lái)給匹配冷卻系統(tǒng)的操作帶來(lái)便利。
（2）了解冷卻系統(tǒng)的布置策略與驅(qū)動(dòng)電機(jī)的冷卻水道結(jié)果；嚴(yán)格審核、計(jì)算冷卻系統(tǒng)的散熱器與散熱風(fēng)扇以及循環(huán)水泵等核心部件。
（3）研發(fā)一套高效驅(qū)動(dòng)電機(jī)溫度控制系統(tǒng)。利用將門限值控制與模糊控制聯(lián)系起來(lái)的控制手段，來(lái)制定出合理的控制方案，同時(shí)安置好水泵與風(fēng)扇的模糊控制器。
第 2 章 冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及參數(shù)匹配
燃料電池汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)布置使用最廣泛的是后置式，此類布置方式會(huì)致使電機(jī)和相應(yīng)的控制器的降溫效果不明顯，本文將在基于電機(jī)與其控制器的產(chǎn)熱運(yùn)算，來(lái)明確冷卻系統(tǒng)布置方式、電機(jī)水道布置模式對(duì)比以及匹配冷卻系統(tǒng)核心零件及審核循環(huán)水泵與散熱風(fēng)扇的性能等工作。
2.1 冷卻系統(tǒng)布置措施
2.1.1 冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求
想要消除驅(qū)動(dòng)電機(jī)出現(xiàn)永磁體退磁狀況，同時(shí)保障電機(jī)在前進(jìn)的過(guò)程內(nèi)一直維持在合理的的溫度范疇里，越來(lái)越多的知名汽車制造商開始重視對(duì)冷卻系統(tǒng)的探究。分析資料可知，燃料電池汽車出現(xiàn)障礙有近乎三成都是因?yàn)殡姍C(jī)與其控制系統(tǒng)導(dǎo)致的，并且電機(jī)與其控制器出現(xiàn)問(wèn)題有近七成的概率都是因?yàn)槔鋮s系統(tǒng)導(dǎo)致的。一個(gè)合格的冷卻系統(tǒng)不許具備以下要求：
(1) 降溫性能極佳，能夠高效的避免電機(jī)與其控制器出現(xiàn)溫度過(guò)高的狀況；
(2) 正常運(yùn)行是耗能少、能量轉(zhuǎn)換性能佳；
(3) 占地少、質(zhì)量輕、易于安裝；
(4) 制造成本低廉、易于修護(hù)、使用年限長(zhǎng)；
(5) 易于控制、反應(yīng)迅速；
(6) 優(yōu)越的NVH 性能、運(yùn)行時(shí)幾乎不產(chǎn)生噪音。
2.1.2 冷卻系統(tǒng)布置策略
在總結(jié)明確了目前電動(dòng)汽車多種冷卻系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)與不足以后，研發(fā)出一種將可調(diào)節(jié)的循環(huán)水泵與散熱風(fēng)扇當(dāng)做冷卻系統(tǒng)的核心執(zhí)行器，進(jìn)一步簡(jiǎn)化冷卻系統(tǒng)安裝的步驟。冷卻系統(tǒng)的實(shí)施對(duì)象是電機(jī)與其對(duì)應(yīng)的電機(jī)控制器。明確冷卻對(duì)象與相關(guān)零件的類別后，就要進(jìn)一步?jīng)Q定使用的電機(jī)及其控制器、循環(huán)水泵與散熱風(fēng)扇以及散熱器等部件內(nèi)的布置方法。目前電機(jī)的冷卻包括電機(jī)和控制器并聯(lián)冷卻策略與電機(jī)和控制器串聯(lián)冷卻策略兩種。
方案
優(yōu)點(diǎn)
缺點(diǎn)
并聯(lián)方案
電機(jī)和控制器進(jìn)水溫度相同，冷卻效果較好。
1. 管路多，布置不方便
2. 接口多，泄露可能大
3. 管道阻力加大，沿程損耗增加
4. 流量分配控制復(fù)雜
串聯(lián)方案
1. 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單布置方便
2. 接口少，可靠性高
3. 壓力沿程損耗少
電機(jī)本身的進(jìn)水溫度等于控制器出水口溫度，電機(jī)冷卻效果差。
表[1].并聯(lián)串聯(lián)方案優(yōu)缺點(diǎn)
分析表[1]可知，不同的方案有各自的優(yōu)勢(shì)，根據(jù)第二章的運(yùn)算結(jié)論能夠得到控制器的能耗少，冷卻液經(jīng)過(guò)后產(chǎn)生的熱量不會(huì)過(guò)多，電機(jī)的冷卻效果比較好，可以符合降溫需求的結(jié)論。同時(shí)考慮到空間布置的便捷性、冷卻液壓力的沿程損耗、接頭管道成本與準(zhǔn)確性等因素，此次使用串聯(lián)式的布置手段當(dāng)做冷卻系統(tǒng)的安裝方式。
2.2 挑選驅(qū)動(dòng)電機(jī)冷卻水道形式
通常來(lái)說(shuō)，電機(jī)的制造商無(wú)法生產(chǎn)電機(jī)與相應(yīng)控制器的冷卻系統(tǒng)。所以汽車制造商要在生產(chǎn)階段就匹配好合理的冷卻系統(tǒng)。
2.2.1 冷卻水道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求
冷卻水道的效果會(huì)對(duì)電機(jī)的降溫效果產(chǎn)生很大影響，在設(shè)計(jì)水道架構(gòu)階段內(nèi)要達(dá)到以下六點(diǎn)要求：
（1）水道光滑，冷卻介質(zhì)受到的阻力不大；
（2）盡量減少水道彎角，降低阻力；
（3）水道截面形狀盡量維持一致，易于制造；
（4）選材的傳熱系數(shù)佳，熱交換效率好；
（5）水道的設(shè)計(jì)不被電機(jī)殼體的強(qiáng)度影響；
（6）盡量擴(kuò)大冷卻液和電機(jī)及其控制器的接觸面；
2.2.2 挑選水道結(jié)構(gòu)類型
電機(jī)水道和冷卻液內(nèi)熱量的互換即為強(qiáng)制對(duì)流換熱，電機(jī)運(yùn)行形成的大多的熱量都能借助強(qiáng)制對(duì)流換熱過(guò)程通過(guò)冷卻液揮發(fā)，分析牛頓冷卻公式得知，增加冷卻液的散熱效果的方法包括擴(kuò)大接觸面?zhèn)鳠嵯禂?shù) h與擴(kuò)大增加接觸面積 A2，以上因素是此次挑選水道結(jié)果類別的核心依據(jù)。借鑒之前的電機(jī)水道研制經(jīng)驗(yàn)，查閱大量文獻(xiàn)資料得知，現(xiàn)在冷卻水道的結(jié)構(gòu)大致可分為軸向 Z 字型架構(gòu)、徑向 Z 字型架構(gòu)與軸向工字型架構(gòu)以及軸向螺旋型架構(gòu)四種。
軸向 Z 字型架構(gòu)：電機(jī)水道內(nèi)冷卻液進(jìn)水口與出水口處于電機(jī)的同側(cè)的兩端，水流由周向分隔板分開，水道里直角彎多，冷卻液受到的阻力較大，極易致使電機(jī)軸向的降溫效果不均衡，具體可參考下圖
徑向 Z 字型架構(gòu)：水道進(jìn)水口與出水口處于電機(jī)同側(cè)一端，安置十分簡(jiǎn)單，并且軸向的降溫效果佳，電機(jī)兩邊的溫差在合理范圍內(nèi)，但也存在水道里直角彎過(guò)多、阻力大的缺陷，具體可參考下圖
軸向工字型架構(gòu)：水道進(jìn)水口與出水口一般處于電機(jī)的兩側(cè)，難以安裝，并且制備過(guò)程很繁雜，具體可參考下圖
軸向螺旋型結(jié)果：水道程序螺旋狀，冷卻液受到的阻力不大，但流動(dòng)方向固定，會(huì)致使電機(jī)兩邊的溫差過(guò)大，如下圖所示
綜合分析，此次最終使用徑向 Z 字型架構(gòu)，此類架構(gòu)的水道可以在達(dá)到電機(jī)降溫要求的狀況下，進(jìn)一步降低冷卻系統(tǒng)的使用頻率，能耗很少。并且徑向 Z 字型水道還具備造價(jià)低廉、易于生產(chǎn)、能夠大量制造等優(yōu)勢(shì)。
2.2.3 明確水道結(jié)構(gòu)參數(shù)
在明確使用徑向 Z 字型的電機(jī)水道架構(gòu)后，因?yàn)樵摷軜?gòu)是單條水道順著軸向，兩邊的水道水流方向不一致，首尾連接。進(jìn)水口與出水口相距不遠(yuǎn)。具體的制造過(guò)程是利用擠壓成型手段，在鋁制電機(jī)殼體上制成軸向溝槽，并且把靠近的溝槽兩端的槽棱合理的去除相應(yīng)的長(zhǎng)度，最終在安裝時(shí)利用把前后端蓋與密封圈緊密連接的方式制造出閉合的水道裝置
此章節(jié)和目標(biāo)電機(jī)聯(lián)系在一起做詳細(xì)的運(yùn)算來(lái)獲取水道的大小參數(shù)[37]，設(shè)冷卻液的流量是8L/min，散熱功率必須超過(guò)18kW，整體承受的壓力耗損要小于18kPa。電機(jī)的具體大小參數(shù)可參考表[2]。
參數(shù)名稱
參數(shù)值
定子外徑
?420mm
電機(jī)外徑
?500mm
電機(jī)長(zhǎng)度
600mm
峰值功率
180KM
電機(jī)效率
90%～94%
表[2].電機(jī)參數(shù)表
為了滿足電機(jī)架構(gòu)大小與制造工藝的復(fù)雜需求，電機(jī)殼體上的溝槽最初值 n 為 40條均勻分布。依據(jù)上表內(nèi)電機(jī)外徑與定子外徑參數(shù)，結(jié)合殼體機(jī)械強(qiáng)度的需求，運(yùn)算后得知水道寬 a 是30mm；高 b 是 20mm；隔水臺(tái)厚度 m 是 7mm。
隨后進(jìn)行嚴(yán)格的審核，審核的重點(diǎn)是降溫效果與壓力耗損值。
（1）審核降溫效果
電機(jī)的降溫效果是判斷電機(jī)水道優(yōu)劣的關(guān)鍵標(biāo)準(zhǔn)。能對(duì)降溫效果造成影響的因素包括接觸面的傳熱系數(shù)以及接觸面積。
流量計(jì)算式(1)：
(1)
當(dāng)中Q是冷卻液流量，單位m3/s；
P是電機(jī)損耗，單位W；
ρ是水的密度，單位kg/m3；
Cp是水的比熱容，單位J/(kg·K)；
△T是進(jìn)出水口溫差，單位K。
流速公式(2)：
(2)
式中：S為水道截面積，S=a×b
當(dāng)量直徑計(jì)算公式(3)：
(3)
式中：P為水道周長(zhǎng)，P=2(a+b)
通過(guò)式(4)計(jì)算雷諾數(shù)：
(4)
公式里：τ代表水運(yùn)動(dòng)粘性系數(shù)，單位m2/s,取1.519e-6。
按照米海耶夫公式，設(shè)努賽爾系數(shù)(5)：
(5)
式中：pr為水的布朗克常數(shù)，單位1；
傳熱系數(shù)根據(jù)式(6)計(jì)算：
(6)
式中：h為傳熱系數(shù)，單位W/(K·m3)；
α為水的導(dǎo)熱系數(shù)，單位W/(K·m)；
由上式得，在冷卻液溫度與電機(jī)熱損耗固定時(shí)，水道的傳熱系數(shù)由受接觸面面積決定。
水道總長(zhǎng)度公式(7)：
(7)
式中：l為單條水道長(zhǎng)度；
n為水道個(gè)數(shù)。
水道的散熱量公式(8)：
(8)
式中：h代表冷卻液和水道的接觸面積；
?T代表冷卻液和水道壁的溫差。
（2）核對(duì)壓力損失
由于冷卻液在水道內(nèi)流動(dòng)會(huì)受到水道阻力的影響，進(jìn)而降低壓力，大多反映在部分壓力損失與沿程壓力損失；想方面，壓力降低的程度是判斷設(shè)計(jì)水道科學(xué)性的核心標(biāo)準(zhǔn)。
會(huì)對(duì)水道沿程阻力造成影響的因素包括流速與流體流程以及截面的尺寸形狀等。其計(jì)算公式如下式(9)：
(9)
式中：g為重力加速度；
λ為沿程阻力系數(shù)，當(dāng)時(shí)，；當(dāng)時(shí)，。電機(jī)水道通常滿足,即。
將各參數(shù)帶入下式(10)中可得沿程阻力：
(10)
水道的局部阻力大多由水道架構(gòu)決定，絕大部分是被水道轉(zhuǎn)角造成的，水道局部阻力系數(shù)和轉(zhuǎn)折角度的聯(lián)系如表[3]:
θI(°)
30
40
50
60
70
80
90
ξ
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
表[3].水道局部阻力系數(shù)和轉(zhuǎn)折角度聯(lián)系表
水道對(duì)的折彎角度是直角，ζ是0.8，折彎次數(shù)是（2n-2）。局部阻力公式(11)：
(11)
因此水道總阻力公式為(12)：
(12)
壓強(qiáng)計(jì)算公式為(13)：
(13)
式中：p代表進(jìn)、出水口壓力差；
h代表水柱高度。
綜上可知電機(jī)水道的審核結(jié)果，如表[4]所示：
參數(shù)名稱
目標(biāo)值
校核值
散熱功率/KW
18
19.23
進(jìn)出口壓差/KPa
18
13.45
表[4].電機(jī)水道參數(shù)表
電機(jī)水道的設(shè)計(jì)可達(dá)到降溫功率要求與水道壓力降低要求。
2.3 系統(tǒng)部件匹配選型
純電動(dòng)汽車電機(jī)冷卻系統(tǒng)部件的選型會(huì)對(duì)冷卻系統(tǒng)的降溫造成直接影響，此次針對(duì)冷卻系統(tǒng)的核心部件，包括散熱器、冷卻風(fēng)扇以及循環(huán)水泵等在內(nèi)做匹配選型與核對(duì)工作，實(shí)現(xiàn)冷卻系統(tǒng)核心部件的匹配計(jì)算與選型操作。
2.3.1 計(jì)算散熱器選型
散熱器是汽車?yán)鋮s系統(tǒng)內(nèi)的核心部件，重要效用是把冷卻液的熱量借助熱交換的模式散發(fā)到空氣里，來(lái)達(dá)到降溫的目的。
一、散熱器結(jié)構(gòu)
現(xiàn)在使用最廣泛的散熱器大部分包括芯部、進(jìn)水室以及出水室三部分。依據(jù)芯部架構(gòu)的多樣性可細(xì)分成管片式u管帶式兩類。
散熱器的技術(shù)參數(shù)包括：
（1） 散熱面積 S：芯部的展開面積，不考慮進(jìn)水室與出水室的降溫效果，計(jì)算公式為(14):
(14)
式中：為散熱器要去除的熱量，單位kJ / h，峰值功率下 =18 kJ / h；
是散熱系數(shù)；
?t代表冷卻液與冷卻空氣的平均溫差，其中：為冷卻液的平均溫度，；
為冷卻空氣的平均溫度，；
為散熱器的進(jìn)水溫度是60℃；
為散熱器冷卻液進(jìn)出口溫度差，取20℃；
為散熱器冷卻空氣的進(jìn)出口溫度差，為10-30℃。
散熱器面積S =12.857m2。
（2） 散熱系數(shù)KR ：?jiǎn)挝煌獠靠諝饬髁拷档偷臏囟?，?huì)受到散熱器 的材料、管帶型式、外形大小的影響。計(jì)算公式如下(15)：
(15)
式中：冷卻液和壁面的傳熱系數(shù)，為4070W/(㎡·K)；
空氣與壁面表面的傳熱系數(shù)，為112W/(㎡·K)；
鋁制散熱管壁厚，；
S為散熱管導(dǎo)熱系數(shù)，純鋁導(dǎo)熱系數(shù)是230W/(㎡·K)；
得 。
（3） 散熱器迎風(fēng)面積SR:即為散熱器正面積，其計(jì)算公式為(16):
(16)
式中：空氣需求量，單位m2；
散熱器正面空氣流速，單位m/s。
得散熱器迎風(fēng)面積SR=0.257m2。
（4）散熱器水管數(shù)i：散熱器芯部扁平型水管的數(shù)量，計(jì)算公式(17)是：
(17)
式中：f是單根水管的截面積，單位m2，取35×10-6；
μw是冷卻液在水管中的流速，取0.7m/s；
Vw是冷卻液的循環(huán)量，單位m3/s。
得散熱器水管數(shù)i =15.55 根，取 16 根。
綜上可知散熱器的參數(shù)如表[5]所示：
參數(shù)
數(shù)值
型號(hào)
1301TC03-010-FDS
進(jìn)出口接頭
2×Φ25
外形尺寸
500×400×100mm
散熱表面積
12.857m2
散熱系數(shù)
97.55W（m2.K）
散熱器迎風(fēng)面積
0.257m2
散熱器水管數(shù)
16根
表[4].散熱器參數(shù)表
2.3.2 散熱風(fēng)扇選型
在電動(dòng)汽車?yán)鋮s系統(tǒng)內(nèi)冷卻風(fēng)扇占有舉足輕重的地位，它可保障保電機(jī)正常有序的運(yùn)作。其核心性能是促進(jìn)散熱器的熱交換，加速降溫。在選型設(shè)計(jì)階段風(fēng)扇要具備以下五點(diǎn)要求：
（1）處于電機(jī)極限狀態(tài)下還能夠輸出充足的風(fēng)量；
（2）具備符合要求的壓頭；
（3）緊密連接，質(zhì)量輕、易于安裝；
（4）幾乎不會(huì)產(chǎn)生噪音、使用年限長(zhǎng)；
（5）含有護(hù)風(fēng)罩與防護(hù)設(shè)施。散熱風(fēng)扇能夠利用控制器按照水溫與氣溫對(duì)轉(zhuǎn)速進(jìn)行及時(shí)調(diào)整，反應(yīng)迅速，節(jié)能水平高，易于安裝。
二、風(fēng)扇的性能參數(shù)
散熱風(fēng)扇的技術(shù)參數(shù)為：
（1） 風(fēng)量Va：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)風(fēng)扇傳遞的體積風(fēng)量。
(18)
式中：Va風(fēng)量，單位m3/s；
Qw為代表機(jī)及控制器的產(chǎn)熱量，單位kW；
ra代表空氣重度，1.2kg/m3；
cp代表空氣定壓比熱容，2.79×10-4kW/(kg·℃)；
?ta為進(jìn)出散熱器的空氣溫度差，取15℃。
計(jì)算得Va=0.657m3/s。
（2） 靜壓Pst代表風(fēng)扇消耗的功率。
(19)
式中：?PR是散熱器風(fēng)阻，單位Pa；
?Pf代表散熱器外的風(fēng)道阻力，單位Pa；
Pst取300Pa
（3） 風(fēng)扇直徑D：風(fēng)扇外徑，就是風(fēng)扇最邊緣離風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)軸線的距離
(20)
式中，SR代表散熱器迎風(fēng)面積；
S代表風(fēng)扇輪轂比，為0.3-0.4。
得風(fēng)扇的直徑為D=0.249m。
該冷卻系統(tǒng)的散熱風(fēng)扇的具體參數(shù)可參考表[5]:
參數(shù)
數(shù)值
風(fēng)量
0.85m3/s
額定電壓
24V
額定功率
170W
額定轉(zhuǎn)速
2400rpm
靜壓
100pa
風(fēng)扇直徑
0.249m
表[5].散熱風(fēng)扇參數(shù)表
2.3.3 水泵選型計(jì)算
一、水泵選型
冷卻系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)水泵的功能是使冷卻液循環(huán)使用，提升冷卻液的降溫效果。電動(dòng)汽車內(nèi)水泵一般使用離心式水泵，電機(jī)帶動(dòng)葉輪讓那個(gè)葉片間的水形成離心加速，甩出水泵達(dá)到加壓傳遞液體的目的。
二、水泵性能參數(shù)
水泵的性能參數(shù)包括有流量和揚(yáng)程（壓頭）。
（1） 流量 V：?jiǎn)挝粫r(shí)間里，水泵傳遞的液體體積。
V= (21)
式中：V是水泵流量，單位L/min；
Qw是電機(jī)及控制器的產(chǎn)熱量，單位kW；
Cw為水的比熱容，4.179Kj/(kg·℃)；
?tw代表流經(jīng)電機(jī)及其控制器時(shí)冷卻液溫差，取7℃；
運(yùn)算得水泵流量V=25L/min。
（2）揚(yáng)程 H：?jiǎn)挝毁|(zhì)量冷卻液在水泵加壓后獲得的能量。能夠克服冷卻液在流通時(shí)受到的阻力。此次設(shè)循環(huán)水泵揚(yáng)程為 10 米。
該冷卻系統(tǒng)的循環(huán)水泵的具體參數(shù)為表[6]:
參數(shù)名稱
數(shù)值
額定功率
90w
額定電壓
24V
額定工況
25L/min，10m
溫度范圍
-45-120°
驅(qū)動(dòng)方式
無(wú)刷直流電機(jī)
控制方式
PWM
額定轉(zhuǎn)速
3500rpm
表[6].循環(huán)水泵參數(shù)表
2.3.4 管道選型計(jì)算
冷卻系統(tǒng)中的水管通常是橡膠水管，具備耐熱性、耐氧化性、耐壓性以及對(duì)冷卻液的適應(yīng)性等優(yōu)勢(shì)。實(shí)操過(guò)程里從柔軟性與連接的密封層面分析，橡膠硬度是 60HS，管子內(nèi)徑要比連接管外徑短 1 mm。該冷卻系統(tǒng)的管道參數(shù)如表[7]:
參數(shù)名稱
參數(shù)設(shè)置值
液壓指數(shù)
1
管路直徑
24mm
管路橫截面積
490mm2
管路長(zhǎng)度
4m
層流時(shí)雷諾系數(shù)最大值
2300
湍流時(shí)雷諾系數(shù)最小值
4000
表[7].管道參數(shù)表
2.4 核對(duì)重要部件的性能
在實(shí)現(xiàn)計(jì)算核心部件和選型操作后，必須對(duì)相關(guān)零件做嚴(yán)格的審核；來(lái)判斷該部件的性能能否達(dá)到設(shè)計(jì)需求。
2.4.1 核對(duì)循環(huán)水泵性能
此次設(shè)計(jì)使用樂(lè)佳公司研制的 24V 水泵，參數(shù)可參考表 3.7。該款循環(huán)水泵內(nèi)水泵的葉輪和電機(jī)的轉(zhuǎn)子放置在一個(gè)軸上，和電機(jī)與水泵分類的模式對(duì)比，循環(huán)水泵的效率大、占地少、耗能小、NVH 性能優(yōu)越、使用年限久，并且易于安裝。
水泵轉(zhuǎn)速和流量可視為線性關(guān)系，水泵功率與流量的變化呈正相關(guān)，水泵流量處于 1100至1400m3/h 范圍內(nèi)效率較高，效率最大值是35%。當(dāng)轉(zhuǎn)速是 3500rpm 時(shí)，水泵流量是1500L/h，能達(dá)到設(shè)計(jì)需求。
2.4.2 核對(duì)散熱風(fēng)扇性能
風(fēng)扇的性能對(duì)電機(jī)的降溫效果起著決定性的作用，并且會(huì)對(duì)電機(jī)的性能與使用年限造成影響。除此之外，冷卻系統(tǒng)絕大多數(shù)的能耗是源于散熱風(fēng)扇，所以風(fēng)扇性能的好壞直接決定著冷卻系統(tǒng)的效用。
風(fēng)扇的氣動(dòng)性能代表風(fēng)扇的流量和轉(zhuǎn)速、靜壓以及效率內(nèi)的聯(lián)系。
由于風(fēng)扇流量的調(diào)整，風(fēng)扇的功率不斷提升，速度也隨之增大，最大效率大概是 31%，空氣流量是1600~2100m3/h 時(shí)，風(fēng)扇效率較大，風(fēng)扇轉(zhuǎn)速處于 2400至2500rpm 內(nèi)。在轉(zhuǎn)速是2400rpm 時(shí)，流量是 2400m3/h，因此該風(fēng)扇可以達(dá)到要求。
2.5 本章小結(jié)
此章節(jié)在對(duì)以往的汽車?yán)鋮s系統(tǒng)特征與電動(dòng)汽車兩種冷卻系統(tǒng)的安裝模式做區(qū)后，明確了冷卻系統(tǒng)內(nèi)電機(jī)和控制器串聯(lián)的方法；隨后對(duì)比分析并明確電機(jī)的水道架構(gòu)與具體參數(shù)；最終實(shí)現(xiàn)了計(jì)算冷卻系統(tǒng)的散熱、冷卻風(fēng)扇以及循環(huán)水泵等核心部件參數(shù)的目的。
第 3 章 全文總結(jié)以及未來(lái)展望
3.1 全文總結(jié)
此次研究是根據(jù)吉林省高新電動(dòng)汽車和吉林大學(xué)簽署的技術(shù)研發(fā)（委托）項(xiàng)目《燃料電池汽車整車控制策略及控制系統(tǒng)開發(fā)》，在公司與課題組目前掌握的技術(shù)支持下，實(shí)現(xiàn)了對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)與對(duì)應(yīng)控制器的熱機(jī)理分析，并且設(shè)計(jì)出冷卻系統(tǒng)的匹配要件，研發(fā)出一套高效的溫度控制系統(tǒng)，此次研究的核心內(nèi)容包括：
1、明確了驅(qū)動(dòng)電機(jī)與其控制器的架構(gòu)特征特點(diǎn)與產(chǎn)熱原理，重要的熱量源頭、降溫渠道與相關(guān)影響因素；依次運(yùn)算出了電機(jī)本體與其控制器在不同工況狀態(tài)下的產(chǎn)熱功率。
2、對(duì)電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)與其控制器的冷卻系統(tǒng)的特征與關(guān)鍵結(jié)構(gòu)做了深入分析，制定出一套將電機(jī)與控制器串聯(lián)起來(lái)降溫的措施，并且挑選并設(shè)計(jì)了機(jī)冷卻水道結(jié)果的類型與參數(shù)；實(shí)現(xiàn)了包括冷卻系統(tǒng)中散熱器、散熱風(fēng)扇與循環(huán)水泵等核心零件在內(nèi)的挑選工作；最終還對(duì)相關(guān)部件做了嚴(yán)格的審核與運(yùn)算。
3.2 全文展望
本文初步實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)燃料電池汽車?yán)鋮s系統(tǒng)里的電機(jī)產(chǎn)熱散熱機(jī)理分析難題，但因?yàn)楸救私?jīng)驗(yàn)不足并且時(shí)間不充分等原因，現(xiàn)在還是存在很多缺陷亟待改進(jìn)：
1、改進(jìn)對(duì)電機(jī)與相應(yīng)控制器的產(chǎn)熱傳熱分析模式，可驅(qū)動(dòng)電機(jī)做三維建模并總結(jié)溫度場(chǎng)的特征，改良溫度傳感器的安裝位置，讓檢測(cè)的溫度值更加精準(zhǔn)。
2、實(shí)現(xiàn)對(duì)冷卻系統(tǒng)的探索后要更深入的分析冷卻系統(tǒng)與汽車的熱管理過(guò)程，增強(qiáng)汽車轉(zhuǎn)換能量的效率，進(jìn)一步節(jié)約成本。
致 謝
論文寫到這已經(jīng)接近尾聲，所有實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和專業(yè)論述都已詳盡，但接下來(lái)我的內(nèi)容認(rèn)為對(duì)這篇論文或者說(shuō)對(duì)于我本人都是非常重要的。人們總說(shuō)要懷著感恩生活，隨著年齡的增長(zhǎng)，我越來(lái)越對(duì)這句話表示贊同。時(shí)間總過(guò)的倉(cāng)促，以至于一路上我都沒(méi)有機(jī)會(huì)停下來(lái)對(duì)所有陪伴我的人說(shuō)一聲謝謝，現(xiàn)在我終于能借此機(jī)會(huì)，對(duì)所有可愛，可敬的人說(shuō)一聲謝謝。
首先我得謝謝陪伴我走過(guò)四年的同窗。四年時(shí)光說(shuō)長(zhǎng)不長(zhǎng)，似白駒過(guò)隙，可能我的思緒還停留在剛剛進(jìn)校面對(duì)著一張張陌生面孔做著自我介紹的自己，下一秒就不得不和大家分離，好像沒(méi)聽到發(fā)令槍響，這場(chǎng)賽跑我們就已到達(dá)終點(diǎn)。四年時(shí)光說(shuō)短卻也不短，如驚鴻一瞥，我永遠(yuǎn)無(wú)法忘記在這里曾經(jīng)經(jīng)歷的一切，和這里的可愛的人們。
其次我要感謝學(xué)校的老師們。我有時(shí)目空一切，認(rèn)為自己已經(jīng)有足夠的能力闖出一番天地。我有時(shí)也妄自菲薄，覺得我好像還對(duì)世界一無(wú)所知，寰宇茫茫，何處是我所棲？但是無(wú)論何時(shí)，老師都教導(dǎo)著我，指引著我，授予我知識(shí)，照亮我的前路。我無(wú)論走到何處，都會(huì)回望這些可敬的人們。
最后要特別感謝胡老師和胡老師的研究生前輩，在他們的幫助下我才產(chǎn)生了整個(gè)實(shí)驗(yàn)計(jì)劃，且將能將其付諸實(shí)踐。
長(zhǎng)風(fēng)破浪會(huì)有時(shí)，直掛云帆濟(jì)滄海。愿所有江蘇大學(xué)的學(xué)子前程似錦，一帆風(fēng)順。也祝愿所有老師能桃李天下，在自己專業(yè)的研究更進(jìn)一步。此去非是訣別，莫愁前路無(wú)知己，天下誰(shuí)人不識(shí)君。
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