纯电动汽车电机驱动系的冷却系统设计与研究
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i
纯电动汽车电机驱动系的冷却系统设计与研究
DESIGN AND RESEARCH ON THE COOLING SYSTEM
OF PURE ELECTRIC VEHICLE MOTOR DRIVE SYSTEM
ABSTRACT
With the energy shortage and the demands of the people on environmental protection, electric vehicles has been rapid development in recent years. And the motor as the "heart" of electric vehicle, whose performance determine the performance of electric vehicles. One of key issues is the motor and its controller cooling. The heat which generated during operation of the motor that impact on motor’s physical, electrical and mechanical characteristics. When the temperature rises to a certain extent, the electrical insulation material change occurs in nature, and ultimately lose their insulating ability. On the other hand, with the increased of motor’s temperature, motor's strength and hardness of the metal components will be gradually decreased. Constituted by the controller of electronic components, also due to high temperature caused by the performance of electronic devices decrease adverse effects, such as high temperatures can cause semiconductor junction, circuit damage, Increase in resistance and even burn components.
河北工业大学 硕士学位论文 纯电动汽车电机驱动系的冷却系统设计与研究 姓名：乐智 申请学位级别：硕士 专业：机械工程 指导教师：周荣
2010-12
河北工业大学硕士学位论文
纯电动汽车电机驱动系的冷却系统设计与研究
摘要
随着能源的紧缺以及人们对环境保护的诉求，近年来电动汽车得到了迅猛的发展。那 么电机作为电动汽车的“心脏”，其性能直接决定了电动汽车的性能。其中一个关键的问 题是电机及其控制器的散热。电机在运行过程中产生的热对电机的物理、电气和力学特性 有着重要影响，当温度上升到一定程度时，电机的绝缘材料会发生本质上的变化，最终使 其失去绝缘能力，另一方面，随着电机温度的升高，电机中的金属构件强度和硬度也会逐 渐下降。由电子元器件构成的控制器，同样会由于温度过高而导致电子器件的性能下降， 出现不利影响，如过高温度会导致半导体结点、电路损害，增加电阻，甚至烧坏元器件。
ii
河北工业大学硕士学位论文
符号说明
A0—温度为 0℃时的绝缘寿命
T—绝缘持续温度，℃ μ—磁介质的磁导率，H/m σ'h—材料性能常数
Pe —钢片厚度
ρ—钢片电阻率
ρFe—钢片密度
F—轴承载荷
d—珠直径
v=滚珠圆周速度
l j —轴颈长度
—工作油温 50 —50℃时油的粘度，取 0.015-0.02
After analysis, the electric vehicle components have been type design tthroughout the cooling system, including radiator, pumps, fans and so on. Type design is complete, the establishment of a mathematical model of the entire cooling system, the use of Matlab/Simulink software characteristics of the cooling system were simulated. The entire cooling system on the results of bench test data and comparative analysis with the simulation results show that the simulation results meet the requirements. Keywords：modeling, ug, ansys/fluent, cooling, simulation, testing
hw—热流体（冷却液）与壁面表面传热系数
ha—冷流体（空气）与壁面表面传热系数
c —散热管壁厚，mm c —散热管导热系数
Ma—空气质量流速
in —空气的进口密度，kg/m3
out —空气出口密度，kg/m3
L—流道长度，mm g—重力加速度，g=9.81m/s2 f—芯部表面的摩擦系数
水 —水的密度，kg/m3
能源方面，能源作为社会发展中不可或缺的一部分，起着重要作用。其中化石燃料是其中的一种 重要能源，它在各个行业起着极为重要的作用。因此汽车面临的其中一个严峻挑战是能源供给问题。 从人类社会的可持续发展来看，人类应该尽量减少对不可再生的石油资源的消耗，继而开发可替代能 源，以应对日益枯竭的石油资源。另一方，随着世界范围内汽车保有量的增加，石油的供给越来越紧 张，引发了一系列问题。20 世纪 70 年代的能源危机使得石油价格大部上涨，这次的能源危机使各国 政府认识到了不能过分依赖石油资源了。因此，全世界大多数国家都对可替代能源的研究与开发以及 石油资源的有效利用进行了战略规划。我国面临的能源问题更加严峻，国内的石油储量和开采量逐年 减少，随着我国人口增长和汽车保有量的急剧增加，人均能源消耗也在急剧增加，使得我国的石油缺 口越来越大，目前我国石油对外依存度已经超过了 50%，这给我国的能源安全问题带来严峻的考验。 因此我国可持续能源的开发与研究势在必行。
本文中针对某型电动汽车驱动系统的冷却系统进行了设计和研究。首先，本文对电动 汽车的驱动电机以及其控制器散热板，使用 UG 软件建立了它们的三维模型。在不影响仿 真分析精度的前提下，对三维模型进行了简化。将三维模型生成的文件导入 Ansys/Fluent 软件，设置边界条件，分析了电机壳体以及控制器散热板的温度场。根据它们的温度场分 布，对电机冷却水道和控制器散热板中的水道进行了重新优化设计。优化设计后的分析结 果表明，电机壳体及其控制器温度有明显降低。
经过对电机及控制器散热板的温度场分析之后，对电动汽车的整个冷却系统部件进行 了选型设计，包括散热器、水泵、风扇等。选型设计完成之后，对冷却系统布置各种方案 进行了对比研究。并建立了整个冷却系统的数学模型，使用 Matlab/Simulink 软件对冷却 系统的进行了特性仿真。通过对整个冷却系统的台架试验数据结果，并与仿真结果对比分 析表明，仿真结果满足要求。 关键词：建模，ug，ansys/fluent，冷却，仿真，试验
环境方面，目前，由于汽车等燃油车辆所用能源主要为从化石燃料中提炼的汽油、柴油等，随着 道路交通工具数量的增加，使得其引起的污染越来越严重，其中最主要的是对空气的污染。燃烧的燃 来自百度文库释放出有毒气体和颗粒物对环境造成污染，而且释放出温室气体，使得温室效应进一步加剧。有毒 气体和颗粒物对人体健康会造成严重损害，引发各种疾病。因此，环境公害已经成为汽车行业所面临 的另一个挑战。解决汽车尾气对空气的污染第一步就是减少由汽车等燃油车辆排放的废弃物。为此， 世界各国的尾气排放标准也变得越来越严格[2]。
tout—散热器出口水温 ta—环境温度 qc(τ)—冷却空气与冷却水的热量交换率 V1—散热器容积 C—水的质流量热容 R—散热器等效热阻
vi
河北工业大学硕士学位论文
第一章 绪论
§1-1 课题来源
本课题来源于中国汽车技术研究中心天津清源电动车辆有限责任公司。
§1-2 课题研究背景、目的与意义
自 100 多年前汽车诞生以来，其发展速度不断加快。它现在已成为人们不缺少的交通工具，对人 类社会的发展起到了巨大推动作用，也为世界社会发展作出巨大贡献。汽车的普及程度和技术水平已 经成为一个国家或地区现代化程度的标志。但是随着世界汽车保有量的持续增加，也给能源供给、环 境保护、交通安全等各方面带来了越来越严峻的挑战，另一方面，也带来了一系列的负面影响[1]。
This paper is about a certain type of electric vehicle drive system cooling system design and research. Firstly, the three-dimensional of the motor and controller’s heat sink are building by using UG. Without affecting the simulation accuracy of the premise, three-dimensional model is simplified. Import the file which is generated from three-dimensional model into the Ansys/Fluent software, and set the boundary conditions, and also analyse the temperature of motor and its controller. According to their temperature field distribution, motor’s cooling channel and controller’s cooling sink have been re-optimized design. the results of analysis showed that the temperature of the motor and its controller has significantly reduced after optimizing.
ΔPf—除散热器外的风道阻力
Cp—空气比热，2.79×10-4kW/(kg·℃) Δta—进出散热器的空气温度差 Nst—静压有效功率，kW Va—空气流量，m3/s Pst0—标准状态下的静压，kPa N 轴 0—标准状态下的轴功率，kW qvw—水的体积流量 tin(τ)—散热器进口水温
v
纯电动汽车电机驱动系的冷却系统设计与研究
p j —轴颈投影面上的压力 v j —轴颈圆周速度
IN—电机额定相电流（A）
PsN—电机输出额定功率时的杂散损耗（W）
w —散热器贮备系数 tm —冷却介质对数平均温差，℃
K—散热器传热系数，W/（m2•℃）
tw1 —散热器进水温度 45℃ tw2 —散热器出水口温度 35℃ ta1 —空气进入散热器的温度 25℃ ta2 —空气离开散热器的温度 30℃，
u—冷却管内的水流速，m/s l—管的长度，mm
—局部阻力系数 Dw —水管当量直径 fi —摩擦因子 di —管内径
u—管内水流速
vw —水的运动粘度
V—水泵流量，L/min Qw—驱动电机及控制放热量，kW Cw—水的比热，Cw=4.179kJ/(kg·℃) Δtw—电机进出，水温差，℃，一般为 5-10℃ V 风—风量，m3/s Qw—电机及控制器发热量，kW γa—空气重度 ΔPR—散热器风阻（Pa）
纯电动汽车电机驱动系的冷却系统设计与研究
DESIGN AND RESEARCH ON THE COOLING SYSTEM
OF PURE ELECTRIC VEHICLE MOTOR DRIVE SYSTEM
ABSTRACT
With the energy shortage and the demands of the people on environmental protection, electric vehicles has been rapid development in recent years. And the motor as the "heart" of electric vehicle, whose performance determine the performance of electric vehicles. One of key issues is the motor and its controller cooling. The heat which generated during operation of the motor that impact on motor’s physical, electrical and mechanical characteristics. When the temperature rises to a certain extent, the electrical insulation material change occurs in nature, and ultimately lose their insulating ability. On the other hand, with the increased of motor’s temperature, motor's strength and hardness of the metal components will be gradually decreased. Constituted by the controller of electronic components, also due to high temperature caused by the performance of electronic devices decrease adverse effects, such as high temperatures can cause semiconductor junction, circuit damage, Increase in resistance and even burn components.
河北工业大学 硕士学位论文 纯电动汽车电机驱动系的冷却系统设计与研究 姓名：乐智 申请学位级别：硕士 专业：机械工程 指导教师：周荣
2010-12
河北工业大学硕士学位论文
纯电动汽车电机驱动系的冷却系统设计与研究
摘要
随着能源的紧缺以及人们对环境保护的诉求，近年来电动汽车得到了迅猛的发展。那 么电机作为电动汽车的“心脏”，其性能直接决定了电动汽车的性能。其中一个关键的问 题是电机及其控制器的散热。电机在运行过程中产生的热对电机的物理、电气和力学特性 有着重要影响，当温度上升到一定程度时，电机的绝缘材料会发生本质上的变化，最终使 其失去绝缘能力，另一方面，随着电机温度的升高，电机中的金属构件强度和硬度也会逐 渐下降。由电子元器件构成的控制器，同样会由于温度过高而导致电子器件的性能下降， 出现不利影响，如过高温度会导致半导体结点、电路损害，增加电阻，甚至烧坏元器件。
ii
河北工业大学硕士学位论文
符号说明
A0—温度为 0℃时的绝缘寿命
T—绝缘持续温度，℃ μ—磁介质的磁导率，H/m σ'h—材料性能常数
Pe —钢片厚度
ρ—钢片电阻率
ρFe—钢片密度
F—轴承载荷
d—珠直径
v=滚珠圆周速度
l j —轴颈长度
—工作油温 50 —50℃时油的粘度，取 0.015-0.02
After analysis, the electric vehicle components have been type design tthroughout the cooling system, including radiator, pumps, fans and so on. Type design is complete, the establishment of a mathematical model of the entire cooling system, the use of Matlab/Simulink software characteristics of the cooling system were simulated. The entire cooling system on the results of bench test data and comparative analysis with the simulation results show that the simulation results meet the requirements. Keywords：modeling, ug, ansys/fluent, cooling, simulation, testing
hw—热流体（冷却液）与壁面表面传热系数
ha—冷流体（空气）与壁面表面传热系数
c —散热管壁厚，mm c —散热管导热系数
Ma—空气质量流速
in —空气的进口密度，kg/m3
out —空气出口密度，kg/m3
L—流道长度，mm g—重力加速度，g=9.81m/s2 f—芯部表面的摩擦系数
水 —水的密度，kg/m3
能源方面，能源作为社会发展中不可或缺的一部分，起着重要作用。其中化石燃料是其中的一种 重要能源，它在各个行业起着极为重要的作用。因此汽车面临的其中一个严峻挑战是能源供给问题。 从人类社会的可持续发展来看，人类应该尽量减少对不可再生的石油资源的消耗，继而开发可替代能 源，以应对日益枯竭的石油资源。另一方，随着世界范围内汽车保有量的增加，石油的供给越来越紧 张，引发了一系列问题。20 世纪 70 年代的能源危机使得石油价格大部上涨，这次的能源危机使各国 政府认识到了不能过分依赖石油资源了。因此，全世界大多数国家都对可替代能源的研究与开发以及 石油资源的有效利用进行了战略规划。我国面临的能源问题更加严峻，国内的石油储量和开采量逐年 减少，随着我国人口增长和汽车保有量的急剧增加，人均能源消耗也在急剧增加，使得我国的石油缺 口越来越大，目前我国石油对外依存度已经超过了 50%，这给我国的能源安全问题带来严峻的考验。 因此我国可持续能源的开发与研究势在必行。
本文中针对某型电动汽车驱动系统的冷却系统进行了设计和研究。首先，本文对电动 汽车的驱动电机以及其控制器散热板，使用 UG 软件建立了它们的三维模型。在不影响仿 真分析精度的前提下，对三维模型进行了简化。将三维模型生成的文件导入 Ansys/Fluent 软件，设置边界条件，分析了电机壳体以及控制器散热板的温度场。根据它们的温度场分 布，对电机冷却水道和控制器散热板中的水道进行了重新优化设计。优化设计后的分析结 果表明，电机壳体及其控制器温度有明显降低。
经过对电机及控制器散热板的温度场分析之后，对电动汽车的整个冷却系统部件进行 了选型设计，包括散热器、水泵、风扇等。选型设计完成之后，对冷却系统布置各种方案 进行了对比研究。并建立了整个冷却系统的数学模型，使用 Matlab/Simulink 软件对冷却 系统的进行了特性仿真。通过对整个冷却系统的台架试验数据结果，并与仿真结果对比分 析表明，仿真结果满足要求。 关键词：建模，ug，ansys/fluent，冷却，仿真，试验
环境方面，目前，由于汽车等燃油车辆所用能源主要为从化石燃料中提炼的汽油、柴油等，随着 道路交通工具数量的增加，使得其引起的污染越来越严重，其中最主要的是对空气的污染。燃烧的燃 来自百度文库释放出有毒气体和颗粒物对环境造成污染，而且释放出温室气体，使得温室效应进一步加剧。有毒 气体和颗粒物对人体健康会造成严重损害，引发各种疾病。因此，环境公害已经成为汽车行业所面临 的另一个挑战。解决汽车尾气对空气的污染第一步就是减少由汽车等燃油车辆排放的废弃物。为此， 世界各国的尾气排放标准也变得越来越严格[2]。
tout—散热器出口水温 ta—环境温度 qc(τ)—冷却空气与冷却水的热量交换率 V1—散热器容积 C—水的质流量热容 R—散热器等效热阻
vi
河北工业大学硕士学位论文
第一章 绪论
§1-1 课题来源
本课题来源于中国汽车技术研究中心天津清源电动车辆有限责任公司。
§1-2 课题研究背景、目的与意义
自 100 多年前汽车诞生以来，其发展速度不断加快。它现在已成为人们不缺少的交通工具，对人 类社会的发展起到了巨大推动作用，也为世界社会发展作出巨大贡献。汽车的普及程度和技术水平已 经成为一个国家或地区现代化程度的标志。但是随着世界汽车保有量的持续增加，也给能源供给、环 境保护、交通安全等各方面带来了越来越严峻的挑战，另一方面，也带来了一系列的负面影响[1]。
This paper is about a certain type of electric vehicle drive system cooling system design and research. Firstly, the three-dimensional of the motor and controller’s heat sink are building by using UG. Without affecting the simulation accuracy of the premise, three-dimensional model is simplified. Import the file which is generated from three-dimensional model into the Ansys/Fluent software, and set the boundary conditions, and also analyse the temperature of motor and its controller. According to their temperature field distribution, motor’s cooling channel and controller’s cooling sink have been re-optimized design. the results of analysis showed that the temperature of the motor and its controller has significantly reduced after optimizing.
ΔPf—除散热器外的风道阻力
Cp—空气比热，2.79×10-4kW/(kg·℃) Δta—进出散热器的空气温度差 Nst—静压有效功率，kW Va—空气流量，m3/s Pst0—标准状态下的静压，kPa N 轴 0—标准状态下的轴功率，kW qvw—水的体积流量 tin(τ)—散热器进口水温
v
纯电动汽车电机驱动系的冷却系统设计与研究
p j —轴颈投影面上的压力 v j —轴颈圆周速度
IN—电机额定相电流（A）
PsN—电机输出额定功率时的杂散损耗（W）
w —散热器贮备系数 tm —冷却介质对数平均温差，℃
K—散热器传热系数，W/（m2•℃）
tw1 —散热器进水温度 45℃ tw2 —散热器出水口温度 35℃ ta1 —空气进入散热器的温度 25℃ ta2 —空气离开散热器的温度 30℃，
u—冷却管内的水流速，m/s l—管的长度，mm
—局部阻力系数 Dw —水管当量直径 fi —摩擦因子 di —管内径
u—管内水流速
vw —水的运动粘度
V—水泵流量，L/min Qw—驱动电机及控制放热量，kW Cw—水的比热，Cw=4.179kJ/(kg·℃) Δtw—电机进出，水温差，℃，一般为 5-10℃ V 风—风量，m3/s Qw—电机及控制器发热量，kW γa—空气重度 ΔPR—散热器风阻（Pa）