乘用车电机及其控制器水冷系统探讨

朱辉

摘 要：一种乘用车电机及其控制器的水冷系统能很好的解决乘用车及其控制器的冷却问题。由于乘用车及其控制器的工作效率一般各厂家均会给出，进而分析水冷系统的流阻及能量损失，从而根据现场环境布置及工况，设计出合适的水泵功率、冷却水流量及冷却方式。

关键词：水冷系统；流阻；能量损失

一、引言

安全环保已经成为当今时代的主题，高效、节能、环保的乘用车已经成为国内外研究的热点。随着电力电子技术和交流传动技术的发展，交流电机及其控制器必然会成为今后的发展趋势。乘用车电机具有转速高、响应快的特点，并且作为乘用车的关键组成部件，在出厂时必须在乘用车电机试验台上进行可靠性试验验证，模拟其运行环境。水冷系统作为乘用车电机试验台的重要组成部分之一，对电机运行环境模拟的真实性起至关重要的作用。

二、水冷系统的介绍

本次设计的乘用车电机及其控制器水冷系统，水冷温度要求比较高。为-30℃～80℃，从而在夏天，一次水进水温度为31℃以下，并且1次水流量将会达到10m3/h左右。然而客户厂方由于现有的冷却塔水流量不足，及一次水在夏天水温较高，因此采用水水循环将不能满足要求。针对本次水冷设计，需采用风冷式冷水机，可以很好的解决要求。

三、乘用车电机及其控制器发热损耗计算

乘用车及其控制器有效的功率输出比其工作所需的输入功率小得多。多余的功率将转化为热散耗掉，其中小部分通过热传导、热对流的方式散失到空气中去。但是我们在水冷系统热设计时，仍取总耗散功率P耗散作为计算的依据，并给出20%的安全系数。由此可知计算功率：P计算=P耗散+0.2P耗散（1）

四、水冷系统的设计

1.水冷系统制冷量的计算。乘用车电机及其控制器的水冷系统制冷量P制冷我们一般取（1）式中P计算的1.2倍。

由此可知制冷量：P制冷=P计算+0.2P计算（2）

2.压缩机。压缩机将低压气体提升为高压气体的一种从动的流体机械。是制冷系统的心脏，它从吸气管吸入低温低压的制冷剂气体，通过电机运转带动活塞对其进行压缩后，向排气管排出高温高压的制冷剂气体，为制冷循环提供动力，从而实现压缩→冷凝（放热）→膨胀→蒸发 （ 吸热 ） 的制冷循环。

3.换热所需流量q。乘用车电机及其控制器由P制冷计算q，一般水冷系统出水流速我们选择v=2～3m/s，计算出水流量q就可以选择符合要求的管道DN值。

4.水泵的选择。水泵是输送液体或使液体增压的设备，将电能转为机械能。选择水泵时，必须考虑流量、扬程、功率等因素。

流量：水泵的流量又称为输水量，它是指水泵在单位时间内输送水的数量。由换热所需热量q就可知道水泵的流量Q。

扬程：保温齿轮泵的扬程是指水泵能够扬水的高度。离心泵的扬程以叶轮中心线为基准，分由两部分组成。从水泵叶轮中心线至水源水面的垂直高度，即水泵能把水吸上来的高度，叫做吸水扬程，简称吸程；从水泵叶轮中心线至出水池水面的垂直高度，即水泵能把水压上去的高度，叫做压水扬程，简称压程。即水泵扬程= 吸水扬程 + 压水扬程应当指出，铭牌上标示的扬程是指水泵本身所能产生的扬程，它不含管道水流受摩擦阻力而引起的损失扬程。在选用水泵时，注意不可忽略。否则，将会抽不上水来。

功率：在单位时间内，机器所做功的大小叫做功率。通常电动机的功率单位用千瓦表示；柴油机或汽油机的功率单位用马力表示。动力机传给水泵轴的功率，称为轴功率，可以理解为水泵的输入功率，通常讲水泵功率就是指轴功率。

5.冷却方式的选择。冷却方式的选择要根据现场要求而定，一般夏天经由冷却塔冷却的一次水水温最低为31℃，如果设备的二次水进水温度比这低，通常我们还需选择冷水机组对一次水进行降温，从而得到符合要求的二次水。

冷水机组是一种制造低温水（又称冷水、冷冻水或冷媒水）的制冷装置，冷水机组分为风冷式冷水机组、水冷式冷水机组。经常在设计水冷的过程中、都是涉及到水冷擴容改造，由于一次水的水流量不足、或者一次水温度过高，一般我们选用风冷式冷水机组。

冷水机组的选择注意事项：

（1）对大型集中空调系统的冷源，宜选用结构紧凑、占地面积小及压缩机、电动机、冷凝器、蒸发器和自控元件等都组装在同一框架上的冷水机组。对小型全空气调节系统，宜采用直接蒸发式压缩冷凝机组。

（2）对有合适热源特别是有余热或废热等场所或电力缺乏的场所，宜采用吸收式冷水机组。

（3）制冷机组一般以选用2～4台为宜，机组之间要考虑其互为备用和切换使用的可能性。同一机房内可采用不同类型、不同容量的机组搭配的组合式方案，以节约能耗。并联运行的机组中至少应选择一台自动化程度较高、调节性能较好、能保证部分负荷下能高效运行的机组。选择活塞式冷水机组时，宜优先选用多机头自动联控的冷水机组。

（4）选择电力驱动的冷水机组时，当单机空调制冷量φ>1163kW时，宜选用离心式；φ=582～1163kW时，宜选用离心式或螺杆式；φ<582kW时，宜选用活塞式。

（5）电力驱动的制冷机的制冷系数COP比吸收式制冷机的热力系数高，前者为后者的二倍以上。能耗由低到高的顺序为：离心式、螺杆式、活塞式、吸收式（国外机组螺杆式排在离心式之前）。但各类机组各有其特点，应用其所长。

（6）选择制冷机时应考虑其对环境的污染：一是噪声与振动，要满足周围环境的要求；二是制冷剂CFCs对大气臭氧层的危害程度和产生温室效应的大小，特别要注意CFCs的禁用时间表。在防止CFCs污染方向吸收式制冷机有着明显的优势。

（7）无专用机房位置或空调改造加装工程可考虑选用模块式冷水机组。

（8）尽可能选用国产机组。我国制冷设备产业近十年得到了飞速发展，绝大多数的产品性能都已接近国际先进水平，特别是中小型冷水机组，完全可以和进口产品媲美，且价格上有着无可比拟的优势。因此在同等条件下，应优先选用国产冷水机组。

五、结语

本文针对乘用车电机及其控制器水冷系统，在设计时提出了计算方式和选型设计时应注意的问题。水冷系统的设计是在尽量满足换热要求的情况下，设备尽量简单化、小型化。在设计的过程中应当考虑储液装置、过滤装置、远程控制及显示。

参考文献：

[1] 徐国卿，张舟云.电机和电机驱动控制器的一体化冷却结构[P].中国专利，2007.

[2]马一太.冷水机组能效标准实施反馈分析[J].电器，2007.

[3]樊会军.冷水机组的节能方案探讨[J].科技风，2008.