重點(diǎn)講解電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)熱管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)與控制策略

電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)熱管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

與控制策略

驅(qū)動(dòng)電機(jī)、發(fā)電機(jī)和控制器等元件的溫度直接影響著其使

用性能和壽命。當(dāng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)和發(fā)電機(jī)的溫度突然升高或者超

過電機(jī)的最高溫度時(shí)，可能引發(fā)電機(jī)的故障，而控制器對(duì)使

用溫度也有一定的要求。因此需要開發(fā)一種高效可靠的熱管

理系統(tǒng)，提高驅(qū)動(dòng)電機(jī)、發(fā)電機(jī)和控制器等元件的使用效率

和壽命。

電機(jī)熱管理的主要方法

電機(jī)與控制器在電能與機(jī)械能的轉(zhuǎn)換過程中，部分電能

會(huì)損耗成為熱能釋放。對(duì)于新能源汽車，驅(qū)動(dòng)電機(jī)作為動(dòng)力

源，控制器提供能量轉(zhuǎn)換，缺一不可。兩者的熱管理系統(tǒng)則

的散熱量需求，驅(qū)動(dòng)電機(jī)與控制器需要增大與氣流的接觸面

積，導(dǎo)致電機(jī)和控制器體積和成本的增加；驅(qū)動(dòng)電機(jī)和控制

器在車輛上使用時(shí)對(duì)應(yīng)的工況較為復(fù)雜，風(fēng)冷無法在各工況

下保持所需的散熱量，故僅在熱負(fù)荷小的小型車驅(qū)動(dòng)電機(jī)或

輔助電機(jī)采用風(fēng)冷。如北汽新能源lite車型和雷克薩斯

RX450h的后驅(qū)電機(jī)等。

水冷

相比風(fēng)冷，液體具有更高的比熱，且可以根據(jù)需要主動(dòng)

調(diào)節(jié)系統(tǒng)溫度，故而液冷具有更好的穩(wěn)定性。對(duì)于新能源汽

車的驅(qū)動(dòng)電機(jī)和控制器等元件，采用液冷可以迅速帶走熱

量，實(shí)現(xiàn)溫度的快速降低，提高電機(jī)和控制器的效率和壽命。

現(xiàn)階段新能源汽車電機(jī)和控制器普遍使用液冷冷卻，國(guó)內(nèi)自

主品牌主要采用冷卻液作為介質(zhì)，如蔚來、北汽新能源和吉

利等。

油冷

日系車型的電機(jī)則能夠采用ATF（自動(dòng)變速器油）作為

冷卻介質(zhì)，與冷卻液相比，油冷電機(jī)體積更小，前機(jī)艙布置

較為緊湊。如雷克薩斯RX450h和三菱PHEV的前驅(qū)動(dòng)電機(jī)和

系統(tǒng)設(shè)計(jì)

新能源汽車的電機(jī)熱管理系統(tǒng)主要為驅(qū)動(dòng)電機(jī)、發(fā)電

機(jī)、控制器、車載充電機(jī)和DC/DC等元件進(jìn)行溫度控制，保

證其能夠工作在最合適的溫度。

采用風(fēng)冷的驅(qū)動(dòng)電機(jī)和控制器均只能采用較小功率，還

不能適用于常規(guī)的新能源汽車；而以ATF為冷卻介質(zhì)的電機(jī)

國(guó)內(nèi)暫無相應(yīng)產(chǎn)品，使用日本電機(jī)成本較高可暫不考慮；所

以僅從液冷方式的元件入手考慮熱管理方案。

根據(jù)項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，電機(jī)和控制器供應(yīng)商只能提供零部件在

臺(tái)架的基礎(chǔ)參數(shù)，不能覆蓋全部需求參數(shù)。因此，在熱管理

系統(tǒng)匹配方面只能根據(jù)零部件的CFD仿真和臺(tái)架試驗(yàn)時(shí)所測(cè)

量的控制器和電機(jī)等元件的冷卻液流量、發(fā)熱元件的溫度

（溫度傳感器置于發(fā)熱元件附近，并非實(shí)測(cè)冷卻液的溫度）

和發(fā)熱元件的特性曲線作為參數(shù)。

電機(jī)熱管理系統(tǒng)采用散熱器進(jìn)行熱交換，在混合動(dòng)力車

型中，電機(jī)系統(tǒng)的冷卻液溫度沒有發(fā)動(dòng)機(jī)高，電機(jī)散熱器應(yīng)

確保各個(gè)發(fā)熱元件的工作狀態(tài)。

電機(jī)熱管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)需關(guān)注以下重點(diǎn)內(nèi)容：

①控制器溫度需求普遍低于電機(jī)，在管路連接上，將控

制器置于電機(jī)前端；②DC/DC和OBC工作條件和發(fā)熱量對(duì)冷

卻液溫度升高程度影響較小，管路連接時(shí)可置于控制器前端

串聯(lián)，或并聯(lián)于前端管路上以減小其流量；

③電子水泵根據(jù)液路的總液阻和液流量要求選取合適

的產(chǎn)品，布置時(shí)將水泵布置在回路中位置較低的地方；

④根據(jù)需要選擇控制元件電子三通閥和電子四通閥；

⑤因電機(jī)的工作效率也會(huì)受到低溫影響，可在管路中設(shè)

計(jì)電子三通閥模擬節(jié)溫器的功能，在寒冷工況使冷卻液不經(jīng)

過散熱器，為電機(jī)保溫；

⑥電機(jī)散熱器對(duì)冷卻風(fēng)溫度需求與冷凝器接近，如果可

以分開布置在最前端，則分開布置；如不能，因冷凝器為電

池提供冷卻，可將冷凝器置于最前，適當(dāng)加大散熱的面積；

圖1 電機(jī)熱管理模塊

四驅(qū)混合動(dòng)力車型電機(jī)系統(tǒng)熱管理模塊的原理如圖1所

示。對(duì)于純電動(dòng)車輛去掉其中的發(fā)電機(jī)即其控制器，并把

DC/DC或OBC串聯(lián)到前電機(jī)回路。匹配完成后電子水泵可考

慮使用定轉(zhuǎn)速模式，可節(jié)約成本，簡(jiǎn)化控制。從能量精細(xì)控

制的層面看，則可增加更多控制元件，如流量比例閥，精確

控制液路中的液流量分配等。

若車型驅(qū)動(dòng)策略是適時(shí)四驅(qū)，存在前電機(jī)或后電機(jī)長(zhǎng)時(shí)

間單獨(dú)驅(qū)動(dòng)車輛的情況時(shí)，可在前電機(jī)或后電機(jī)分路中增加

電子水閥控制液路通斷，在電機(jī)不工作時(shí)切斷液路，以節(jié)省

電能。此時(shí)需考慮OBC和DC/DC的工作時(shí)間，判斷其放置位

置以滿足散熱需求。

圖1中電子三通閥有兩種工作狀態(tài)，可接通液路1或接

通液路2。其中接通液路1是常用的工作狀態(tài)，將該狀態(tài)定

為常開狀態(tài)，接通液路2定為切換狀態(tài)。在高溫環(huán)境工況下，

電機(jī)系統(tǒng)開始運(yùn)行后，感應(yīng)到系統(tǒng)中零部件散熱需求，VCU

控制電子水泵啟動(dòng)，電子三通閥維持常開狀態(tài)，冷卻液經(jīng)電

子水泵強(qiáng)制在管路中循環(huán)，吸收上述零部件散發(fā)的熱量，爾

后再經(jīng)過低溫散熱器將冷卻液所吸收的熱量散發(fā)出去，實(shí)現(xiàn)

各零部件的冷卻；低溫環(huán)境工況下，電機(jī)系統(tǒng)開始運(yùn)行后，

系統(tǒng)中的溫度傳感器感應(yīng)冷卻液溫度低，并確保上述發(fā)熱零

部件未發(fā)出冷卻需求，VCU則發(fā)出信號(hào)，系統(tǒng)中電子三通閥

切換狀態(tài)，冷卻液循環(huán)將不經(jīng)過散熱器，而是依靠發(fā)熱零部

件的熱量對(duì)冷卻液加熱，為零部件進(jìn)行“暖機(jī)”。

控制策略

電機(jī)熱管理系統(tǒng)內(nèi)的控制元件主要由控制管路切換的

閥體（電子三通閥）、控制液流量的泵體（電子水泵）、控

制風(fēng)量電子風(fēng)扇組成。前兩類元件通過管路中和發(fā)熱元件中

的溫度傳感器為輔助，可改變熱管理系統(tǒng)中冷卻液的流向、

流量和溫度，在不同的工況下對(duì)熱管理系統(tǒng)做出最佳的變

換。

電子三通閥在熱管理系統(tǒng)中較為常見，技術(shù)也比較成

熟。目前成熟的產(chǎn)品均只有兩個(gè)狀態(tài)，即原始狀態(tài)和切換狀

態(tài)。系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)為原始狀態(tài)，接收變更信號(hào)后變?yōu)榍袚Q狀態(tài)，

在系統(tǒng)關(guān)閉后則重新調(diào)整為原始狀態(tài)。目前可以聯(lián)通兩個(gè)液

路的產(chǎn)品還處在開發(fā)狀態(tài)。

電子水泵則都屬于電機(jī)驅(qū)動(dòng)的產(chǎn)品，其性能調(diào)節(jié)均由對(duì)

電機(jī)的調(diào)節(jié)完成。可采用PWM控制電機(jī)在不同工況下調(diào)整最

佳轉(zhuǎn)速，也可在臺(tái)架標(biāo)定后將電機(jī)設(shè)定為固定轉(zhuǎn)速，可節(jié)省

成本。

電子風(fēng)扇也普遍使用PWM控制轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，以滿足不同工

況下風(fēng)速需求；也采用電阻調(diào)速，控制成本。

1電子三通閥控制

上述原理中的電子三通閥可以實(shí)現(xiàn)一進(jìn)兩出的功能。連

接液路1是常開狀態(tài)，連接液路2是切換狀態(tài)。根據(jù)電機(jī)系

如表1所示。

表1 電子三通閥控制條件

需要注意的是，滿足常開條件中任何一個(gè)條件，電子三

通閥即保持常開狀態(tài)；只有滿足常閉的所有條件時(shí)，電子三

通閥才切換狀態(tài)。

2電子水泵控制

電子水泵根據(jù)電機(jī)系統(tǒng)各發(fā)熱零部件的冷卻需求對(duì)水

泵轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)。電子水泵通常是PWM控制，其控制曲線如

圖2所示。

圖2 電機(jī)電子水泵PWM曲線

前水泵滿足下述條件中任意一條即開始工作：

①前電機(jī)檢測(cè)溫度達(dá)到T3；

②前電機(jī)控制器檢測(cè)溫度達(dá)到T3；

③發(fā)電機(jī)檢測(cè)溫度達(dá)到T3；

④發(fā)電機(jī)控制器檢測(cè)溫度達(dá)到T3。

隨著上述零部件的工作溫度的上升，前水泵開度開始增

大，直到前電機(jī)、前電機(jī)控制器、發(fā)電機(jī)、發(fā)電機(jī)控制器中

任何一個(gè)零件溫度達(dá)到T4，后水泵開啟到100%（全開）；

當(dāng)檢測(cè)到上述全部零部件最高溫度回落到T2時(shí)，前水泵開

度開始逐步減小，直到全部零部件最高溫度達(dá)到T1，水泵停

止工作。

后水泵滿足下述條件中任意一條即開始工作：

①后電機(jī)檢測(cè)溫度達(dá)到T3；

②后電機(jī)控制器檢測(cè)溫度達(dá)到T3；

③OBC檢測(cè)溫度達(dá)到T3；

④DC-DC檢測(cè)溫度達(dá)到T3。

隨著上述零部件的工作溫度的上升，后水泵開度開始增

大，直到后電機(jī)、后電機(jī)控制器、OBC、DC/DC中任意一個(gè)零

件溫度達(dá)到T4，后水泵開啟到100%（全開）；當(dāng)檢測(cè)到上

述全部零部件最高溫度回落到T2時(shí)，后水泵開度開始逐步

減小，直到全部零部件最高溫度達(dá)到T1，水泵停止工作。

3電子風(fēng)扇控制

電子風(fēng)扇的控制與傳統(tǒng)車類似，電子風(fēng)扇采用PWM控制

調(diào)節(jié)檔位，初始設(shè)計(jì)3個(gè)檔位。其控制邏輯主要涉及OBC、

壓力傳感器、空調(diào)系統(tǒng)壓力等信號(hào)，混合動(dòng)力車型還涉及發(fā)

動(dòng)機(jī)（或增程器）冷卻液溫度信號(hào)。

總結(jié)

目前新能源車型電機(jī)熱管理系統(tǒng)還處在發(fā)展階段，隨著

技術(shù)的不斷進(jìn)步，電機(jī)熱管理系統(tǒng)將向精細(xì)化能量管理方向

發(fā)展。如利用流量比例控制閥對(duì)系統(tǒng)的冷卻液流量進(jìn)行細(xì)化

分配，精確滿足各個(gè)元件所需流量，避免過多的流量浪費(fèi)，

降低水泵的功率或減少水泵的工作時(shí)間，節(jié)約電能。

此外，為了實(shí)現(xiàn)新能源汽車熱管理系統(tǒng)的精確控制和車