基于北方气候的电动汽车驱动器冷却系统的研究

王作禄　付祥松　杨贤敏　龚智伟

（山东科技大学，山东青岛　266590）

基于北方气候的电动汽车驱动器冷却系统的研究

王作禄付祥松杨贤敏龚智伟

（山东科技大学，山东青岛266590）

随着节能、环保经济在全世界的不断发展，清洁、节能、高效的电动汽车越来越成为国内外研究的重点。电机驱动系统作为电动汽车最重要的部分，其最大的问题就是对它发热的处理。因此，开发和研制电动汽车驱动器的冷却系统成为重要研究对象。本文基于北方冬季比较寒冷的气候条件，通过对电动汽车驱动系统的发热分析和对电动汽车驱动系冷却系统的分析，提出一种以液体和气体两种冷却介质对冷却系统进行单独冷却的设计方案，采用ECU控制，传感器采集信号，利用二位二通电磁换向阀实现空气介质和液体介质两种冷却介质的切换。同时，在以空气为介质的冷却系统工作时，空气冷却系统排出的温度较高的气体与电动车空调系统相结合，实现驾驶舱内空气制热，大量节省能源。

驱动系统发热气候条件冷却系统ECU控制

1　电动汽车驱动系统发热对其性能的影响

电动汽车的驱动器一般由电动机、功率转换器和电子控制三部分组成。电动汽车驱动器在运行过程发热，大量的热量会对电动汽车驱动系统的运行产生不良的影响。首先，过高的温度会降低电机的绝缘性，危害人的生命安全。其次，过高的温度也会降低电机中金属体的强度和硬度，使整个电动汽车变动脆弱不堪。最后，过高的温度还会影响电机驱动系统中功率和控制模块。因此，在电动汽车行驶过程当中对电机驱动系统进行冷却是十分有必要的。

2　全国气候分析

全国气候分析主要分北方和南方两大地区进行分析。北方地区即秦岭淮河线以北地区，主要气候为温带大陆性气候，局部为高原性气候，冬季平均温度普遍在0℃以下，由我们国家气候特征得出每年的10月末到次年的2月初其空气温度相对较低，平均气温在4℃以下。相反，南方地区以亚热带季风气候为主，最冷月平均温度普遍在0℃以上，越接近赤道的地区，温度越高，其空气温度相对较高，不适合以空气作为冷却介质对电机驱动系统进行冷却。

3　电机驱动系统的冷却分析

目前，国内针对电动汽车的电机和电动驱动系统根据不同的元件及不同的安装位置分别采用不同的冷却方式，其主要冷却方式为风冷和水冷，不同的冷却方式分别采用不同的器件，电机和电机驱动系统按照冷却介质的不同可分为两大类：液体冷却和气体冷却。

3.1液体冷却

液体冷却方式主要是通过液体对电机和驱动系统一体化水套进行冷却，液体以冷却水为主，流入的液体与电机和驱动系统外壳相接触，通过热传递的方式将热量带走，达到冷却的目的。水的比热容大，导热系数高，散热能力强，成本低，冷却效果较好，但是仍旧存在很大的弊端。第一，水冷系统需要很强的密封性。第二，水冷系统制造难度大，成本高。

3.2气体冷却

气体冷却主要是通过将气体作为冷却介质对电机进行冷却。空气冷却成本低、构造简单，而且便于后期维护。根据使用条件，进入冷却室的气体温度要低于4℃，所以主要适用于北方地区相应时间阶段的温度条件。然而空气冷却也有很大的弊端就是它的冷却效果差，而且空气冷却会带来很大的额摩擦损耗，会降低电机的寿命，因此，进行冷却的空气又严格的温度要求，一般空气温度要低于4℃。同时，为避免空气中混杂的杂质对冷却室的影响，进入冷却室的空气要经过空气滤清器的过滤、清洁，使清新的新鲜空气进入冷却室进行冷却。

4　电机和驱动器冷却方案

根据以上分析，为提高冷却效率，提高系统的整合性，从提高资源利用率和节约保护能源的角度出发，针对北方气候条件，将单纯的液体冷却系统和空气冷却系统整合为一个整体系统，建立一种水和空气两种介质单独进行冷却的混合冷却系统。在该冷却系统中，以水为介质的冷却系统和以空气为介质的冷却系统单独工作，两种冷却介质共同作用同一个冷却室，两种介质通过一个二位二通电磁换向阀实现切换，以改变工作位置，实现不同的系统参与工作。由以上气候分析，北方地区10月下旬到次年的2月上旬这个时间阶段，采用满足气候条件的空气介质进行冷却，并为驾驶舱提供暖风，最大化利用资源，节约能源，在不满足气候温度条件的其余阶段正常采用水介质进行冷却。

工作原理：在北方冬季，电动汽车在行驶过程当中，两个冷却系统的切换用二位二通电磁阀完成，电磁阀有两个工作位置，A工作位置与水冷系统相连，B工作位置与空气冷却系统相连，在初始位置即汽车未启动时，A工作位置接通，B工作位置关闭，A、B位置的通闭由电流控制。在不通电的情况下，电磁阀A工作位置与水冷系统相连并处于开启状态，当ECU给电磁阀通电时A工作位置关闭，B工作位置打开。电磁阀中安装有限压阀，限压阀的作用用于限制电磁阀的最高压力，以免压力过高导致电磁阀损坏。车上安装有温度传感器，用于检测空气的温度，当温度检测到气体温度低于4℃时，ECU给二位二通电磁阀通电，使电磁阀切换到空气冷却系统的工作位置，采用空气介质参与冷却工作。在通入空气之前ECU控制电动水泵先将驱动系统冷却水套内的水泵入水箱，使水套保持清洁，为空气提供适宜的工作条件。随后由空气压缩机将经过空气滤清器清洁的空气压入冷却室进行冷却，冷却室末尾安装有空气压力传感器，检测冷却室出口的气体压力变化，并转换为信号传递给ECU，用于作为控制压缩机的工作程度的判断信号，防止冷却室在风冷状态下压力过高对冷却室产生损坏。

空气经过冷却室带走电机驱动系统产生的热量，温度升高，一部分被加热的气体传递到大气当中，另一部分被导入电动汽车空调系统，经过与部分空气混合保持气体适宜的温度，然后将其导入驾驶舱，起到暖风制热的效果，大大的节省能源，提高资源的利用率。

当温度传感器检测到空气温度高于4℃时，ECU切断传给电磁阀的电流，并使电磁阀切换到A位置水冷系统，使B位置空气冷却系统关闭，同时使空气压缩机停止工作，冷却室里的空气基本上扩散到大气中去，此时冷却系统转换到传统的水冷系统。

在电动汽车启动时，冷却系统的选择完全由温度传感器检测的信号决定，当温度传感器检测到空气温度高于4℃时采用水冷系统。相反，采用空气冷却系统。所有的控制信号在汽车怠速状态下识别并进入相应的工作位置。

［1］纪云鹏.纯电动汽车冷却系统方案研究.电子世界，2014.

［2］王庆年.电动汽车冷却系统设计及电机最优冷却温度控制.吉林大学学报（工学社），2013.

［3］宋健.电动汽车驱动器冷却系统的研究.科技创新导报，201 5.

［4］张舟云.用于电动汽车的电机和驱动器一体化冷却系统.同济大学学报（自然科学版），201 5.