纯电动汽车电机热管理仿真分析及优化
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NEW ENERGY AUTOMOBILE | 新能源汽车
时代汽车
纯电动汽车电机热管理仿真分析及优化
李晓燕 1 祁春雷 1 詹天赐 2 李锋 2 1. 浙江飞碟汽车制造有限公司新能源汽车事业部 浙江省杭州市 311100 2. 杭州普埃科技有限公司 浙江省杭州市 310018
辐射方程：E=εσT 4
（4)
其中，ε 为实际物体的发射率，它仅仅
取决于物体自身，与周围环境条件无关；σ
为黑体辐射常数，取 5.77W/（m2·k4）；
T
导热方程：q=-λ xi
（5)
T/ Xi 是物体沿 Xi 方向的温度变化率；
q 是沿 Xi 方向传递的热流密度，W/m2；λ
是导热系数，W/（m·k)；负号表示热量传
动力黏性系数，Pa·s；l 为特征长度，m。 2.2 边界条件 散热器和冷凝器用多孔介质模型，风扇
采用 MRF 模型，其他边界条件见下表 1。
表1
序号 1
边界条件 计算模型
2
壁面处理
3
进口条件
4
出口条件
5
空气密度
6
动力粘度
设置 / 要求 Realizable K-Epsilon 模型
two-layer all-y+ wall treatment model 45 km/h
本文以某 1.5t 电动货车为研究对象，对 其所匹配的水冷式电机的换热方式进行仿真 分析探索。分析在整车爬坡工况下的电机温 升水平；并通过修正仿真模型，与电机厂家 的热电分析结果对比，误差较小（4.58%）。
2 仿真分析方法
2.1 理论公式 流体运动遵循质量守恒、动量守恒和能 量守恒定律，这三大定律对流体运动的数学 描述构成了流体力学的基本方程。本文运用 STARCCM+ 流体分析软件，计算机舱流场、 关键零部件温度场。
图 2 机舱模型图
图 4 CASE2 温度云图
40.000
64.000
Temperature(C) 88.000 112.00
136.00 160.00
最高 ℃ 1kW 1kW 0.7kW
输出 限值 ℃
83.5 159.0 170.0 137.0
145.0
2.7 仿真分析结果 针对以上四种状态，重点考察机舱内流 场情况及电机流场情况。 CASE1 结果：电机表面相对速度较大， 绕组热量易散出。在仿真工况下电机最高温 度为 83.5℃（表面最大相对风速 7.2m/s）， 远小于电机的温度限值（145℃），温度云图 见下图 3。 CASE2 结果：电机表面的相对速度较小， 绕组热量不易散出。在仿真工况下电机最高 温度为 159℃（电机表面最大相对风速 4.9m/ s），此时电机的最高温度超过温度限值，有 热害风险，温度云图见下图 4。 CASE3 结果：赋予电机热量 1kW，电机 表面相对速度较小，绕组热量不易散出。在
压力出口，静压 0 Pa 1.18 kg/（m^3)
1.855E-5 kg/（m·s)
2.3 参数设置 整车相关参数见下表 2。
表2
序号 1 2 3
4
参数设置 加载设置 环境参数 风扇转速
热源热量
设置 / 要求 满载
环境温度40℃ 2400rpm
冷却系统1.7kW，本体0.7kW， 其它5.9kW：
2.1.1 基本控制方程 整车低速爬坡工况下，机舱内部的气流 速度小，设定气体为粘性定常不可压缩流体， 基本控制方程如下：
连续方程：div v =0
（1)
动能守恒方程：
ρvii t
+div（ρ→ v
vi
)=div（μgradvi)-
ρ t
+si
（2)
能量方程：
（ρT) t
+div（ρü→T
)=div（
关键词：电机；热管理仿真；温升
Hale Waihona Puke 1 前言电机的主要作用是将电池的电能转化为 机械能，驱动车轮旋转，以满足车辆行驶的 需求。在能量转化过程中，电机受到热负荷 和载荷负荷。在高温和过载情况下，易导致 电机绝缘绕组温升较大，老化变形，继而导 致永磁体导磁性能下降。因此，电机的温升 是电机主要性能指标之一，关系到电机能否 安全可靠运行。
递的趋势和温度升高的趋势相反。
2.1.2 湍流模型 本文采用湍流模型。无量纲的雷诺数 Re
是表征流体流动情况的。当 Re ＜ 2300 时为
层流；2300 ≤ Re ≤ 4000 时为过渡区；Re ＞ ρvl
4000 时为湍流。公式表示为：Re= μ 其中，Re 为雷诺数，无量纲数；ρ 为流
体 的 密 度，kg/m3；ν 为 流 速，m/s；μ 为
k cP
gradT)-pdiv（ü→)+st
（3)
其中，v 为流体速度，m/s；p 为流体微
元的压强，Pa；μ 为流体黏性，kg/（m·s)；
Si 是动量守恒方程的广义源，kg/（m2·s2)；
T 为温度，k；k 为流体传热系数，W/（m2·k)；
Cp 比热容，J/（kg·k）；ST 为流体的粘性 耗散项。
2.4 几何模型和网格划分 建立整车模型，整车面网格量 880 万， 最小网格尺寸 1mm，Trim 体网格 2600 万，
AUTO TIME 81
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图 1 整车模型图
图 3 CASE1 电机温度云图
40.000 50.000
Temperature(C)
60.000
70.000
80.000
90.000
表5
分析状态 CASE1 CASE2 CASE3 CASE4
模型描述 简化模型 细化模型
输入 热源输入 ◆ ○
○
冷 凝 器 和 散 热 器 为 2mm， 加 密 区 域 网 格 1mm，节点数 3550 万。整车模型图和机舱模 型图，见下图 1 和图 2。
2.5 仿真分析条件 本文模拟用户在较严苛使用条件下，电 机 的 热 管 理 性 能。 结 合 电 池 包 的 要 求 及 动 力 性 计 算 结 果， 确 定 该 车 的 分 析 工 况 为： 45km/h 车速爬 10% 坡。 2.6 仿真分析工况 本文分析电机四种状态：CASE1（简化 模型 1kW+ 电机低于电池包）、CASE2（简 化 模 型 1kW+ 电 机 与 电 池 包 下 缘 齐 平）、 CASE3（细化模型 1kW+ 电机与电池包下缘 齐平）、CASE4（细化模型 0.7kW + 电机 与电池包下缘齐平）。
摘 要：电机最容易产生热害问题的是内部绝缘绕组，绕组的温升水平在一定程度上代表电机性能的优劣。因此， 合理控制定子绕组处的温升也是电机热管理性能的重要方面。本文采用 STARCCM+ 流体软件，从对流、 辐射和热传导几个方面进行电机温度场分析。同时，反复调整三维温度场仿真分析模型，并与电机厂家的 热电分析结果进行对比，误差为 4.58%，在可接受范围内。
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纯电动汽车电机热管理仿真分析及优化
李晓燕 1 祁春雷 1 詹天赐 2 李锋 2 1. 浙江飞碟汽车制造有限公司新能源汽车事业部 浙江省杭州市 311100 2. 杭州普埃科技有限公司 浙江省杭州市 310018
辐射方程：E=εσT 4
（4)
其中，ε 为实际物体的发射率，它仅仅
取决于物体自身，与周围环境条件无关；σ
为黑体辐射常数，取 5.77W/（m2·k4）；
T
导热方程：q=-λ xi
（5)
T/ Xi 是物体沿 Xi 方向的温度变化率；
q 是沿 Xi 方向传递的热流密度，W/m2；λ
是导热系数，W/（m·k)；负号表示热量传
动力黏性系数，Pa·s；l 为特征长度，m。 2.2 边界条件 散热器和冷凝器用多孔介质模型，风扇
采用 MRF 模型，其他边界条件见下表 1。
表1
序号 1
边界条件 计算模型
2
壁面处理
3
进口条件
4
出口条件
5
空气密度
6
动力粘度
设置 / 要求 Realizable K-Epsilon 模型
two-layer all-y+ wall treatment model 45 km/h
本文以某 1.5t 电动货车为研究对象，对 其所匹配的水冷式电机的换热方式进行仿真 分析探索。分析在整车爬坡工况下的电机温 升水平；并通过修正仿真模型，与电机厂家 的热电分析结果对比，误差较小（4.58%）。
2 仿真分析方法
2.1 理论公式 流体运动遵循质量守恒、动量守恒和能 量守恒定律，这三大定律对流体运动的数学 描述构成了流体力学的基本方程。本文运用 STARCCM+ 流体分析软件，计算机舱流场、 关键零部件温度场。
图 2 机舱模型图
图 4 CASE2 温度云图
40.000
64.000
Temperature(C) 88.000 112.00
136.00 160.00
最高 ℃ 1kW 1kW 0.7kW
输出 限值 ℃
83.5 159.0 170.0 137.0
145.0
2.7 仿真分析结果 针对以上四种状态，重点考察机舱内流 场情况及电机流场情况。 CASE1 结果：电机表面相对速度较大， 绕组热量易散出。在仿真工况下电机最高温 度为 83.5℃（表面最大相对风速 7.2m/s）， 远小于电机的温度限值（145℃），温度云图 见下图 3。 CASE2 结果：电机表面的相对速度较小， 绕组热量不易散出。在仿真工况下电机最高 温度为 159℃（电机表面最大相对风速 4.9m/ s），此时电机的最高温度超过温度限值，有 热害风险，温度云图见下图 4。 CASE3 结果：赋予电机热量 1kW，电机 表面相对速度较小，绕组热量不易散出。在
压力出口，静压 0 Pa 1.18 kg/（m^3)
1.855E-5 kg/（m·s)
2.3 参数设置 整车相关参数见下表 2。
表2
序号 1 2 3
4
参数设置 加载设置 环境参数 风扇转速
热源热量
设置 / 要求 满载
环境温度40℃ 2400rpm
冷却系统1.7kW，本体0.7kW， 其它5.9kW：
2.1.1 基本控制方程 整车低速爬坡工况下，机舱内部的气流 速度小，设定气体为粘性定常不可压缩流体， 基本控制方程如下：
连续方程：div v =0
（1)
动能守恒方程：
ρvii t
+div（ρ→ v
vi
)=div（μgradvi)-
ρ t
+si
（2)
能量方程：
（ρT) t
+div（ρü→T
)=div（
关键词：电机；热管理仿真；温升
Hale Waihona Puke 1 前言电机的主要作用是将电池的电能转化为 机械能，驱动车轮旋转，以满足车辆行驶的 需求。在能量转化过程中，电机受到热负荷 和载荷负荷。在高温和过载情况下，易导致 电机绝缘绕组温升较大，老化变形，继而导 致永磁体导磁性能下降。因此，电机的温升 是电机主要性能指标之一，关系到电机能否 安全可靠运行。
递的趋势和温度升高的趋势相反。
2.1.2 湍流模型 本文采用湍流模型。无量纲的雷诺数 Re
是表征流体流动情况的。当 Re ＜ 2300 时为
层流；2300 ≤ Re ≤ 4000 时为过渡区；Re ＞ ρvl
4000 时为湍流。公式表示为：Re= μ 其中，Re 为雷诺数，无量纲数；ρ 为流
体 的 密 度，kg/m3；ν 为 流 速，m/s；μ 为
k cP
gradT)-pdiv（ü→)+st
（3)
其中，v 为流体速度，m/s；p 为流体微
元的压强，Pa；μ 为流体黏性，kg/（m·s)；
Si 是动量守恒方程的广义源，kg/（m2·s2)；
T 为温度，k；k 为流体传热系数，W/（m2·k)；
Cp 比热容，J/（kg·k）；ST 为流体的粘性 耗散项。
2.4 几何模型和网格划分 建立整车模型，整车面网格量 880 万， 最小网格尺寸 1mm，Trim 体网格 2600 万，
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图 1 整车模型图
图 3 CASE1 电机温度云图
40.000 50.000
Temperature(C)
60.000
70.000
80.000
90.000
表5
分析状态 CASE1 CASE2 CASE3 CASE4
模型描述 简化模型 细化模型
输入 热源输入 ◆ ○
○
冷 凝 器 和 散 热 器 为 2mm， 加 密 区 域 网 格 1mm，节点数 3550 万。整车模型图和机舱模 型图，见下图 1 和图 2。
2.5 仿真分析条件 本文模拟用户在较严苛使用条件下，电 机 的 热 管 理 性 能。 结 合 电 池 包 的 要 求 及 动 力 性 计 算 结 果， 确 定 该 车 的 分 析 工 况 为： 45km/h 车速爬 10% 坡。 2.6 仿真分析工况 本文分析电机四种状态：CASE1（简化 模型 1kW+ 电机低于电池包）、CASE2（简 化 模 型 1kW+ 电 机 与 电 池 包 下 缘 齐 平）、 CASE3（细化模型 1kW+ 电机与电池包下缘 齐平）、CASE4（细化模型 0.7kW + 电机 与电池包下缘齐平）。
摘 要：电机最容易产生热害问题的是内部绝缘绕组，绕组的温升水平在一定程度上代表电机性能的优劣。因此， 合理控制定子绕组处的温升也是电机热管理性能的重要方面。本文采用 STARCCM+ 流体软件，从对流、 辐射和热传导几个方面进行电机温度场分析。同时，反复调整三维温度场仿真分析模型，并与电机厂家的 热电分析结果进行对比，误差为 4.58%，在可接受范围内。