首页/文章/ 详情

电驱系统温控杂谈（上）

电动新视界

1年前浏览1823

一、为什么要做温升

1.背景

二、重点考核对象

1.重点考核对象

2.重点考核对象-驱动电机转子温升/驱动电机定子温升

3.重点考核对象-IGBT等功率器件温升

4.重点考核对象-高压线束温升

5.重点考核对象-减速器油封唇口温升

6.重点考核对象-减速器支撑轴承温升

三、对电驱传动系统的要求

1.电驱系统设计要求

2.传动系统设计注意事项

四、电驱传动系统设计中的温升考虑

1.温升考虑

2.电驱传动系统-箱体的仿形设计

3.电驱传动系统-箱体储油池设计

五、电驱传动系统的温升控制

1.传动系统热平衡机理

2.运用环境-工况分析

3.合理的温控策略

4.齿轮-优化齿轮结构参数

5.齿轮-精确齿轮修行技术

6.轴承-优选型号-结构参数

7.轴承-安装配合设计

8.轴承-承载分析、发热量计算

9.箱体结构-拓扑优化箱体结构

10.箱体结构-油量存储空间控制

11.箱体结构-散热区域结构优化

12.箱体结构-散热区域结构优化

13.润滑油路：进-回油油路设计

14.润滑油：产品的选用原则

15.润滑油：油量精确控制

16.温控验证措施

六、电驱传动系统验证

1.型式试验-试验验证体系

2.型式试验-试验验证方案

七、电驱传动系统试后确认

1.服役完成后的拆解检查

一、为什么要做温升

背景

新能源三合一电驱动系统在为新能源电动汽车带来优秀的起步动力性及加速动力性的前提下的同时，也相应的产生了大量的热量；若散热系统设计稳健性差，则会造成散热能力不足，会带来一系列的功能、性能、安全性等问题，因此，系统温升是电动汽车动力总成设计的关键。随着新能源汽车驱动电机技术的不断发展，驱动电机越来越向高转矩密度、高功率密度的方向发展，这些都与电机的散热方式紧密相关，高效的散热能力可以提高电机的持续功率和持续扭矩。

电驱动总成温升试验是一种在特定的冷却条件、环境气候、工况下，对电驱总系统温升性能的一项测试，其温升表现直接影响系统的功能、性能及可靠性等方面。因此，电驱动系统的温升与系统多项性能指标相关，而其温升性能的优劣无非两个方面：产热、散热，这又与产品的电磁方案、结构设计、冷却回路设计、高压部件选型、减速器润滑等息息相关。

二、重点考核对象

1.重点考核对象

三合一电驱动系统的温升试验属于电驱系统综合性试验，需要保证每个部件的温升满足设计要求，重点考核以下几方面：

-驱动电机转子温升
-驱动电机轴承温升
-驱动电机定子温升
-IGBT等功率器件温升
-高压线束温升
-DC/AC 铜排温升
-减速器润滑
-减速器支撑轴承温升
-减速器油封唇口温升

2.驱动电机转子温升/驱动电机定子温升

随着新能源汽车对电机功率密度要求越来越高，工信部和发改委提出规划在2025年乘用车电机的功率密度要>4kW/kg，电机的技术发展趋势必然要求提高冷却效率。因此选择油冷直接冷却，或者选择水冷直接冷却和外壳冷却等复合冷却方式是倒逼之下的选择。

水冷技术是目前主流的散热方式，但是由于电机高温部分主要集中在绕组端部，流体介质无法直接接触高温点、无法直接冷却热源，绕组处的热量需经过槽内绝缘层、电机定子才能传递至外壳被水带走，传递路径长、散热效率低，且各部件之间的配合公差也影响了传递路径的热阻大小。因为有热阻的存在，从绕组到水冷机壳，存在温度梯度，绕组无法直接冷却，导致温度堆积形成局部热点。

为了进一步提高电机的散热能力，需要直接冷却热源来提升冷却效率。而油本身因为局部不导磁、不易燃、不导电、导热好的特性，对电机磁路无影响，因此散热效率更高的油冷技术成为研究热点，国内外一些研究机构及企业大力发展喷油冷却方式，对电机绕组端部实现喷油冷却。

油冷相对于水冷的优势在于绝缘性能良好、机油沸点比水高、凝点比水低，使冷却液在低温下不易结冰、高温下不易沸腾。油冷电机对端部裸露面积更大的扁线绕组电机的冷却效果更明显，能够主动冷却到内部转子部件；同时有利于电机与变速箱的集成，提高轴承的润滑冷却效果、环境温度较低时加热变速箱油提高润滑搅拌效率，因此，从整个驱动系统上讲，油冷电机相对水冷具备一定的技术优势。

G公司油冷方案

T公司油冷方式

H公司油冷方式

3.IGBT等功率器件温升

逆变器的最大功率电流由半导体功率芯片(以下简称芯片)的温度上限决定。通过提高功率模块基片的散热性能，降低了芯片的温升，提高了芯片的最大电流值。电源模块基片具有散热、绝缘、固定芯片、导电等功能。其热辐射性能影响芯片的温升。当汽车处于运动状态时，芯片的温度会急剧上升，例如发动机启动产生瞬态热量和持续运行产生稳定热量。

式中：R为热阻，L为厚度，k为导热系数，A为面积

特点：-H公司与T公司的最大的区别在于功率元件的冷却方法。H公司采用了传动的单面冷却，与此相对，T公司则采用了双面冷却；然H公司针对冷却效能并非比T公司差；

-H公司采用C-Cu，是一种由多孔碳基体浸渍铜制成的复合材料。它的导热系数与Cu相当，热膨胀系数与Si相当。通过将较厚的C-Cu层直接置于芯片下方，既减少了焊接部分的应力，又实现了高热容量。

4.高压线束温升

纯电动汽车的运行特点决定了线束的特殊性，相比低压线束，高压线束具有以下特点：

高电压。车辆动力电池最高电压达到 420 V，甚至更高，要求线束绝缘材料具有更高的介电强度和规格尺寸。
大电流。动力电池容量为 100 Ah，按国标试验方法的恒流放电 9I3计算，输出电流可达 300 A，线束能够稳定运行，就需要更大的连接器接触面积和导线截面积。
密封性。水和灰尘的侵蚀将导致线束绝缘性能下降，造成高压击穿、漏电等安全隐患，要求线束有更高的防护等级。
高耐热。车辆大电流运行时的焦耳效应会产生热量，导致线束自身和周围温度上升，使线束产生更大的温升，要求线束具有更好的耐热性能，国标规定非热源附件线束的耐温为 105 ℃，高压线束耐热性一般要达到 125 ℃，甚至更高。
抗电磁干扰。电动车辆运行时，反复变化的电器负荷与系统中大量采用的变频技术，造成线束电压、电流和频率的剧烈波动，产生较大的电磁干扰，并对车辆本身及周围环境的电气电子设备造成影响，所以线束需要对电磁干扰进行屏蔽，以满足电磁兼容性（EMC）要求。
耐久性能。线束应具有耐温、耐候、耐介质腐蚀、耐振以及导线破损防护等性能，并具备较大的安全余量和连接寿命，保证车辆长期可靠运行。
成本高。车辆运行条件和使用环境的特殊性，导致高压线束成本昂贵。设计中，应避免结构与规格的过度选配，造成成本上升

以纯电动汽车的驱动电机系统为例，根据电机功率计算变频器的输入峰值Pb1：

动力电池在整车大负荷运行时，往往会造成较大的电压降。根据锂电池充放电曲线，此压降按低于标称电压的 10%计算，则电机变频器的峰值输入电流 Ibmax：

可用以下公式估算绝缘层能够承受的过流持续时间

5.减速器油封唇口温升

针对电驱系统的密封系统，因其所密封对象的线速度过高，故而针对密封系统，通常为基础材质与唇口材质二者合一方案进行；考虑到唇口处的油温相比油温高出30℃~50℃。但选型设计过程中，并非指单一为了温度而过剩选取材料，密封区域的结构设计尤为重要。尤其需要注意润滑油路及内部压力波动，提到这一点对于一体式动力总成尤为重要。