电驱动常用冷却系统设计
作者： 驱动视界。 来源：公众号
电机热管理技术的意义
电机的功率极限能力往往受电机的温升极限限制，因此提高电机冷却散热能力能立竿见影的提高功率密度。
目前永磁电机占电动汽车装机量的90%以上，但“永磁电机的性能随着温度上升而衰减”。因此为了防止永磁体可逆和不可逆退磁，总是期望有一个低温的转子环境，低工作温度是延长永磁和绝缘材料的最佳策略。而这个重任不可推卸的落在了热管理技术上。
优化的热管理设计可以大幅提高电机的额定功率，并能增加其在峰值功率水平下的运行时间，同时几乎不增加制造成本。所以优化的热管理设计可以将电机性能、效率、成本和电机尺寸之间形成更加优化的均衡。
常见电机冷却方式优缺点对比
水冷技术是目前的主流的散热方式，但其无法直接冷却热源，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更是影响了传递路径的热阻大小。
油冷和水冷的优势在于，绝缘性能良好，油的沸点和凝点比水要高，使冷却液在低温下不易结冰，高温下不易沸腾。
常见的水冷&油冷方案
按照冷却油与定子轭部的接触形式主要分为直接油冷和间接油冷方式。
直接油冷又包括浸油式和喷油式两类。
常用的电机水冷机壳流道构型
轴向式流道热交换效率跟流路损耗平衡
特斯拉Model S电机冷却方案
特斯拉Model S电机冷却方案二
影响电机喷油冷效率的参数和关键技术
影响传热的多种因素难以量化和控制
1.叠层堆叠的各向异性导热系数；
2.槽形绕组的各向异性导热系数；
3.端部绕组各向异性导热系数；
4.热接触电阻(定子机壳接触、槽绕组接口)；
5.自动变速箱油冷却的对流换热系数；
6.冷却套管的性能。
变速齿轮箱（ATF）油冷却设计关键技术
- 油量的分配，不同位置喷油嘴之间的流量分配，相应的流速分配；
- 油嘴设计，油嘴的直径、距离、形状等设计；
- 渗流路径，喷射后流体渗透流经的绕组端部、铁芯的路径和方式；
- 接触设计，直接接受喷头的绕组表面质量设计；
- 油温设计，不同油温对散热能力的影响分析和设计。
电机绕组端部喷油技术
绕组直接喷淋冷却技术
采用电机绕组端部冷却可以使电机绕组温度降低68%以上，大大提升了电机的功率密度和转矩密度水平；
高槽满率下绕组间的导热能力是低槽满率的150%；
绕组在热传导能力上具有各向异性，轴向的热传导能力是径向方向的100倍。
FEV两挡油冷电驱动系统
电机、电机控制器、两档变速箱共用油冷系统。
具有体积小、重量轻、效率高、功率密度高等特点，是目前流行的先进技术与高品质结合的经典“三合一”驱动产品。
FEV两挡油冷电驱动系统
油液分布和电机内部冷却
内部油冷可以提高电机的持续功率，最大可达50%；
油液分布和流动非常复杂，因为速度变化很大（离心效应，内部绕组影响）。
不同油冷方案的对比分析
当前应用的油冷方案有：油路冷却、喷油冷却、轴心甩油冷却、定子密闭循油冷却等；
从冷却效果、冷却目标以及费用考虑，绕组喷油冷却技术是目前市场上最流行的油冷方案。
复合冷却方案对比分析
油冷与壳体水冷并用的驱动电机介绍
电驱系统中串联水路仿真和设计
奥迪e-tron后置双同轴电驱总成
总成集成了两台异步电机，两侧各自配置行星齿轮轮减速器（减速比9.08），同步并联冷却管路，对电机控制器、电机定子、转子，变速箱轴承盘进行集成冷却；系统采用电子差速器用来保证转弯时两侧车轮的转矩分配。
如此复杂的集成冷却系统，体现出了作为老牌车企的大众汽车公司对“流体仿真、密封技术、产品架构设计”等方面技术的纯熟应用和强大自信，让我不得不佩服他们的强大的技术底蕴和品控能力。
总结
- 端部绕组喷油技术是最适合扁线电机绕组的冷却技术；
- 电机与减速器共用冷却润滑油成为主流方案；
- 电机高速化的趋势给油冷技术带来挑战，智能化的油冷控制器将逐步兴起，按需分配将成为冷却的核心策略；
- 多种冷却方式的综合使用可以挖掘电机的功率潜力，从而提高功率密度和功率上限，从而降低材料成本；
- 随着三合一总成机壳的进一步集成，共用壳体的宝马第五代电驱系统将成模仿的热门方案；
- 没有最好的方案，只有最适合的方案，选择好成本与效能的平衡点即是最优的方案；
- 电机热管理技术的原理离不开热传导的改善和对流的改善。除了文中提及的常用技术手段，还可以应用比如绕组灌胶、槽内铜板、热管技术、绕组预成型技术；还可以进行一些材料特性的优化和改进，如槽绝缘材料的热阻改进、漆包线绝缘材料的热阻改进、浸漆材料的热阻改进，铁芯和机壳之间热阻的改进等等；
- 多电机多部件的复合集成冷却技术也将成为不少车企的技术攻关热点，奥迪双同轴电驱总成已立下了标杆。
作者：吴庆国
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