作者：陳廣林，周文丨廣州汽車集團
前言
電動汽車主要分為純電動、混合動力、燃料電池三種。無論是純電動汽車、混合動力汽車還是燃料電池汽車，電機驅動系統都是其關鍵部件。集成電驅系統將驅動電機、電機控制、差速器以及減速器集成在一起，減小了整個電驅系統的質量和體積，有效的降低了電驅系統及整車的製造成本，已經成為當今廣泛運行的電動汽車驅動系統。集成電驅系統的冷卻一般分為風冷、水冷和油冷，其中油冷系統結構緊湊、冷卻效率高是一種優良的電驅冷卻方式。本文重點就純電動汽車集成電驅系統的油冷方案進行研究分析。
1 研究分析
1.1 方案介紹
純電動汽車集成電驅系統油冷方案如下圖所示：電驅冷卻油通過油泵從電驅油底殼進入油冷器，在油冷器內與整車的冷卻液進行熱交換後對電機進行冷卻，再回流至電驅油底殼。該方案需要確定電驅系統中所需的油泵流量、油冷器功率以及整車的冷卻液流量。
圖1 集成電驅系統油冷方案簡圖
1.2 參數計算
電驅系統油冷方案的熱源主要來自電機運行中的損耗，電機在不同的熱平衡工況下效率和損耗值各不相同，需確認整車運用中最大的損耗值。根據純電動汽車動力性的設置存在以下四種工況：1km最高車速、30min最高車速，百公裡加速時間，1km爬坡車速，其中30min最高車速工況屬於持續運行熱平衡狀態，其他均屬於短時運行工況。結合某量產車型參數：30min最高車速150km/h、半載整備質量約2158kg、車輪半徑324mm、風阻係數0.245、迎風面積2.35m2、滾阻係數7.8N/kN等。根據汽車的驅動力與行駛阻力的平衡關係建立汽車行駛放方程如下，其中行駛阻力Ft包括滾動阻力Ff、空氣阻力Fw、坡度阻力Fi和加速阻力Fj。
Ft=Ft+Ff+Fw+Fi+Fj（1）
具體轉化為：
Ttqi0ηT/r=Gf+CDAμa2/21.15+Gi+σmdu/dt（2）
式中，Ttq為電機驅動扭矩；i0集成電驅減速比，為11.14；ηT傳動系統效率，約97%；r為輪胎半徑；G為汽車重量；f為滾動阻力係數；CD為空氣阻力係數；A為迎風面積；μa為車速；i為道路坡度；σ為汽車旋轉質量換算係數；m為汽車質量；du/dt為加速度。可以計算出30min最高車速下對應的電機運行工況為轉速約13680rpm，扭矩約18.8N.m，功率為26.9Kw。
根據集成電驅系統電機的相關參數及整車電池的相關參數可以仿真計算出如下電機的效率Map圖：
圖2 電機效率Map圖
可以得到電機在13680rpm和扭矩18.8N.m工況下效率為78.6%。所以可以計算出電機的損耗約為5.76kw，及該集成電驅系統在整車應用中最大的損耗值為5.76kw，損耗功率主要通過電驅系統的油冷器與整車的冷卻液進行熱交換，所以可確定在給定條件下油冷器的最小功率為5.76kw。
當電驅系統達到熱平衡時，油冷器油側和水側的熱交換功率是一致的，可以得到如下平衡方程：
Qo=Qw=5.76（3）
式中Qo為油側釋放的熱量；Qw為水側吸收的熱量。具體轉化為：
CoρoVo（T1-T2）=CwρwVw（T3-T4）=5.76（4）
式中Co為冷卻油的比熱容；ρo為冷卻油的密度；Vo為單位時間內經過油冷器油的體積；T1油冷器入口油溫度；T2油冷器出口油溫度；Cw為冷卻液的比熱容；ρw為冷卻液的密度；Vw為單位時間內經過油冷器冷卻液的體積；T3油冷器出口冷卻液溫度；T4油冷器入口冷卻液溫度；根據該電驅系統冷卻油的物理特性可確定Co值2.156J/（kg°C）、ρo值853kg/m3；根據整車冷卻液的物理特性可確定Cw值3.48J/ （kg°C）、ρw值1042kg/m3；該冷卻油最佳的穩定持續運行的高溫約100℃-120℃，這裡取T1為105℃；根據一般整車運行的冷卻系統設置水溫T4取為65℃，冷卻液流量取8L/min；油冷器達到最佳熱平衡狀態時T2與T3相等。計算得到油側的流量為6.69L/min。
綜上通過仿真計算已經初步確定了在整車運行工況最苛刻的條件下，電驅系統達到熱平衡的條件為：油冷器在給定工況下熱交換功率不低於5.76kw、油側的流量不低於6.69L/min，水側的流量不低於8L/min。
1.3 實驗驗證
將滿足設計要求的油冷器及油泵接入電驅系統，布置好相關傳感器搭建如下圖電驅系統實驗臺架：
圖3 電驅系統實驗臺架
調整油泵的流量為6.69L/min、冷卻液流量為8L/min、冷卻液溫度為65℃，設置電機的運行工況為轉速13680rpm，扭矩18.8N.m。整個實驗過程中電驅系統穩定運行未出現過溫的現象，冷卻系統滿足設計要求，實驗過程採集的數據如下表：
表1 集成電驅系統臺架實驗溫升穩定數據
2 結論
結合集成電驅系統臺架實驗溫升穩定數據，選定給定工況下功率為6kw的油冷器；通過整車的標定和電驅系統的臺架標定結合整車的性能和成本要求設定如下參數：電驅系統油泵最大流量8L/min，採取變流量控制、整車冷卻液流量最大10L/min，採取變流量控制。最終通過了電驅系統臺架驗證和整車搭載驗證。