电动汽车电机热管理解决方案

芝能智芯出品

FEV Europe GmbH做了一份材料介绍了电动车辆中高速牵引电机的热集成问题，并提出了一些未来趋势和解决方案。

●  电机热管理 

近年来，电动汽车技术取得了长足的进步，但电机热管理问题一直是电动车辆领域的挑战之一。纯电动汽车中电机已经表现出高效的特点，但在传动系统中仍然导致能量损失。未来的能源消耗目标要求进一步提高电机效率，以减少能源消耗并增加续航里程。电机的热管理被认为是实现这一目标的关键因素之一。 

● 温度对电机效率的影响 

研究发现，电机的温度对其效率有着显著的影响。特定操作点下，更高的温度可以提高电机的效率，因此在日常驾驶中，“温度更高更好！”通过主动控制电机的温度，可以有效提高效率。

当电机温度从60°C升至140°C时，电动汽车的效率出现了明显的差异，针对一款紧凑型电动汽车，由单电轴驱动，搭载了峰值功率为150千瓦的传动系统。研究使用了最先进的永磁同步电机（PMSM）进行模拟，电机设计采用了三角形极性形状和夹板绕组。当电机温度达到140°C时，正数（绿色）表示电机的效率明显提高，特别是在低扭矩区域。在这个区域，电机需要较少的过度励磁，减少了磁场削弱电流的需求，但也需要具备热动力学行为。

但是在高负载区域，电机的效率下降，主要原因是铜损耗增加，因此需要更好的冷却系统来维持性能。

对于日常驾驶来说，“温度更高就更好！”。在正常驾驶条件下，较高的电机温度可以提高效率。通过积极控制电机的温度，可以实现主动的热场减弱，从而进一步提高效率。这种技术特别适用于高速和轻量化设计的电机，因为它们具有更高的功率密度、更高的损耗密度和更短的热升温时间。在WLTC测试中，通过优化电机温度可以实现更高的性能和效率。

● 增加电机功率密度

提高电机的功率密度是提高电机性能的一种方法，可以通过增加电机的运行速度来实现。这也需要权衡功率密度和转速之间的关系，以确保电机的可靠性和性能。 

高速电机设计是提高功率密度的有效途径，通常包括改进的气隙半径、更高的材料密度以及高效的冷却方法，可以实现更高的功率密度、更少的材料消耗和更高的效率。 

● 电机的冷却概念 

不同的电机冷却概念，包括直接冷却定子、直接冷却转子和定子层叠冷却。

1）电机定子外壳冷却方案具有以下特点：

附加工作量较低

冷却液、绕组和绝缘层之间无接触

不会对电机的磁性能产生影响

在热源（绕组）和冷却介质之间存在较大的热阻

需要额外的径向空间

密封和制造较为复杂                  

2）电机定子层叠片冷却方案则有以下特点：

热阻较低

绕组、绝缘和冷却介质之间无接触

可能对电机的磁性能产生影响

钢片之间可能存在泄漏

可能导致扭矩支撑表面的损失（采用压配方式）

3）直接定子绕组冷却方案则包括以下特点：

可以直接将热量散发到热源处，非常有效地冷却绕组，为绕组提供了最高的冷却潜力

绕组、绝缘和冷却液之间有接触

可能对绝缘系统产生影响

钢片之间可能存在泄漏

这些不同的定子冷却方案各有利弊，选择合适的方案需要根据具体应用和性能需求进行权衡。

4）转子轴冷却方案包括以下特点：

使用中空轴时，附加工作量较低，易于设计实施。

在热源（磁铁、转子棒或励磁绕组）和冷却介质之间存在较长的热传递路径。

5）转子层叠片冷却方案则有以下特点：

更靠近磁铁激励源。

不与磁铁接触，利用转子孔。

钢片之间可能存在泄漏。

在磁通区域设置冷却通道。

不同通道中冷却液的供应可能不均匀，可能导致不平衡（例如，由于压力差异）。

6）直接转子激励冷却方案则包括以下特点：

可以将热量迅速散发到热源附近，具有较高的热动态响应能力。

具有挑战性的机械设计。

可能损失磁性活性材料。

冷却液的路由较为复杂。

这些不同的转子冷却方案各有其优势和限制，选择适合特定应用需求的方案需要进行综合考虑。

● 电机热建模方法 

为了解决电机热管理问题，研究人员采用了多种热建模方法，包括电磁有限元分析和计算流体力学模拟。这些方法的结合可以更准确地评估电机的热特性，有助于优化冷却方案。 

● 冷却对电机性能的影响 

不同的冷却方法对电机性能产生了不同的影响，包括温度上升速率和功率密度，设计良好的冷却方法可以显著提高电机的持续扭矩，从而增加了电动汽车在高负载条件下的性能。 

● 结论和展望 

电机热管理是电动汽车技术发展的关键因素之一，制造下一代电动驱动单元所面临的新挑战，冷却剂的选择和开发，以及通过模型预测控制来优化整个热系统，以提高电动汽车的效率和性能。 

电机热管理问题将继续引领电动车辆技术的发展方向。通过更高效的电机设计和创新的热管理方法，有望在未来看到更具竞争力的电动汽车，将提供更长的续航里程和更卓越的性能。

审核编辑：汤梓红