电动客车驱动电机双冷却系统设计

王钦普，王波，宋忠凯（中通客车控股股份有限公司，山东聊城252000）

电动客车驱动电机双冷却系统设计

王钦普，王波，宋忠凯
（中通客车控股股份有限公司，山东聊城252000）

以电动客车用驱动电机冷却系统为研究对象，开发一种电机液冷/风冷双冷却系统，并对其技术方案、工作逻辑和应用效果进行详细阐述。

电动客车；驱动电机；双冷却系统

在电动客车上，驱动电机是最大的发热部件之一[1]，因此需要专门进行冷却系统设计[2]。市场上电动客车一般采用单独电机液冷系统或电机风冷系统，从技术路线角度考虑，均可以满足电机散热需求[3]，但是两者各有优劣势：液冷散热系统效率高但系统布置复杂；风冷散热系统布置简单但效率低。研究表明，驱动电机只有在最佳温度工作，才会减少退磁，电机控制器功率器件才会正常工作。在纯电动工况下，电机以峰值功率持续行驶及加速、减速频繁时，电机温升较快，最高可达120℃以上。电机双冷却系统可通过采集电机、电机控制器、冷却液温度信号，实时控制继电器，由继电器输出控制电子风扇的高低速运转、控制水泵、风机的启停。其特点在于：可控制风扇转速、水泵软启动，增加风机冷却系统的高温辅助冷却功能，从而使电机峰值温度保持在120℃以下，冷却液温度保持在60℃以下，确保电机及其控制器工作状态达到最佳功效比，提高混合动力系统的可靠性，系统适用于DC12V-DC42V车辆。

1 电机双冷却系统技术方案

电动客车在纯电动行驶时，驱动电机的持续驱动功率较大，此时对应的发热功率也相对较大。针对电机系统高效冷却需求，设计了可靠性更高、更节能的电机双冷却系统，即在常规液冷散热的基础上另外增加一套风冷系统[4]。通过增加一套风冷散热系统，可在单独液冷散热系统的基础上减少散热器面积和电子风扇数量，整车布置灵活，电机热交换时间缩短。该技术路线可在不增加成本的基础上提高电机散热效率，满足各种行驶工况需求。通过采集电机、电机控制器、散热器进出水等温度信号来智能控制液冷与风冷系统的工作状态，实现控制水泵启停、电子风扇转速、风冷风机启停等功能[5]，从而达到降低整车能耗及提高电机系统可靠性的目标。本系统的开发将有力促进电动客车技术发展，逐步实现批量生产和市场推广；同时可向传统汽车技术扩散，取消传统机械式皮带传动散热系统，带动我国汽车产业快速发展[6]。

1.1 电机双冷却装置组成

本文开发的电机双冷却系统包括温度采集及控制器ECU、液冷系统的散热水箱、电子风扇、水泵、水温传感器，风冷系统的空滤器、风机等。ECU通过继电器和电子风扇、水泵、风机连接，ECU通过CAN总线和测温系统连接，通过采集电机及其控制器温度信号控制水泵及风机的启停，通过采集散热水箱进出水温度控制电子风扇的转速[7]。

电机液冷装置包括膨胀水箱、散热水箱、进出水温传感器、电子风扇、水泵、成型硅橡胶管、不锈钢管等；电机风冷装置包括车内不锈钢箱体（用于安装空滤器及风机，含进风结构）、空滤器、风机、电机、成型硅橡胶管、不锈钢管等。

温度采集及控制机构包括ECU、散热器进出水温传感器、电机温度信号、电机控制器温度信号、电子风扇继电器、水泵继电器、风机继电器、线束、接插件等。

ECU通过3个继电器分别和电子风扇、水泵、风机连接，ECU通过CAN总线和测温系统连接，通过采集电机及其控制器温度信号控制水泵及风机的启停，通过采集散热器进出水温度控制电子风扇的转速。

1.2 电机双冷却装置连接方式

电机双冷却系统构成及连接图如图1所示。主要有以下几部分组成：

电机液冷装置：膨胀水箱通过φ19、φ10三元乙丙胶管分别与散热水箱的通气口φ10及出水口处三通钢管注水口φ19连接，膨胀水箱的另一φ10口通过三元乙丙胶管垂直导向地面，散热水箱出水口通过φ38-25成型硅橡胶管与三通钢管连接，三通钢管通过φ25-38成型硅橡胶管与水泵进水口连接，水泵出水口通过φ38-25成型硅橡胶管与φ25不锈钢管连接，φ25不锈钢管通过φ25三元乙丙胶管与φ25不锈钢管连接，φ25不锈钢管通过φ25成型硅橡胶管与电机控制器进水口连接，电机控制器出水口通过φ25成型硅橡胶管与φ25不锈钢管连接，φ25不锈钢管通过φ25三元乙丙胶管与φ25不锈钢管连接，φ25不锈钢管通过φ25成型硅橡胶管与电机进水口连接，电机出水口通过φ25成型硅橡胶管与φ25不锈钢管连接，φ25不锈钢管通过φ25三元乙丙胶管与φ25不锈钢管连接，φ25不锈钢管通过φ25～38成型硅橡胶管与散热水箱回水口连接。

图1 电机双冷却系统构成及连接图

电机风冷装置：空调风通过φ60硅橡胶管与φ60不锈钢管连接，φ60不锈钢管通过φ60硅橡胶管与空滤器进风口连接，空滤器出风口通过φ60硅橡胶管与风机进风口连接，风机出风口通过φ50硅橡胶管与φ50不锈钢管连接，φ50不锈钢管通过φ50硅橡胶管与电机进风口连接，电机出风口直接导向大气。

温度采集及控制机构：ECU通过CAN总线读取散热水箱、电机控制器、电机温度信息，ECU通过继电器、保险控制水泵、风机的启停，通过继电器、保险控制散热水箱电子风扇的启停及转速大小。

2 电机双冷却系统工作逻辑及效果

本系统的整体工作逻辑为：当电机开始工作时，即启动水泵开始进行冷却液循环，在冬季气温较低或者短时间工作时即可满足电机系统散热需求；当长时间运行单靠水泵进行水循环自然散热已经不能满足电机的散热需求时，首先启动液冷电子风扇控制电机温度的上升；当夏季气温较高或者长时间工作后，对电机的散热性能要求更高，此时水泵、液冷电子风扇、风冷风机同时工作，从而在短时间内将电机系统的温度控制到合理的范围之内。

2.1 水泵工作逻辑

水泵是保证液冷散热系统良好循环和工作的部件[8]。因此需要针对水泵状态设定其工作触发条件：当电机工作时，电机温度＞50℃或电机控制器温度＞45℃；当电机不工作时，电机温度＞60℃或电机控制器温度＞50℃。

水泵停止工作所需条件：当电机工作时，电机温度＜47℃或电机控制器温度＜42℃；当电机不工作时，电机温度＜57℃或电机控制器温度＜47℃，但水泵单次工作时间应大于60 s。

2.2 液冷电子风扇工作逻辑

液冷电子风扇是保证液冷散热器良好散热的部件，其工作所需条件：当散热水箱进水温度＞45℃或出水温度＞43℃时，电子风扇低速运转；当散热水箱进水温度＞62℃或出水温度＞60℃时，电子风扇高速运转；当散热水箱进水温度在45℃～62℃或散热水箱出水温度在43℃～60℃时，电子风扇转速呈线性增长。

电子风扇关闭所需条件：当散热水箱进水温度＜43℃或出水温度＜41℃。

2.3 风冷风机工作逻辑

风冷风机是保证风冷散热系统良好工作的部件，其工作逻辑如图2所示。

图2 风冷风机工作逻辑图

风机工作所需条件：当电机工作时，电机温度＞100℃，或当电机不工作时，电机温度＞110℃；

风机关闭所需条件：当电机工作时，电机温度＜95℃，或当电机不工作时，电机温度＜105℃。

2.4 应用效果

本散热系统通过上述3个控制过程，使电机控制器入水口冷却液温度保持在60℃以下，电机内部温度保持在120℃以下，实现电机及其控制器双冷却热管理控制功能，达到有效控制电动客车电机及其控制器系统的温度、提升系统的工作效率并延长使用寿命的效果[9]。经过对比测试，本系统与驱动电机单独冷却系统相比，综合能耗降低5%以上，已经广泛应用于插电式混合动力客车、纯电动客车等整车产品，取得了良好的应用效

果[10]。

3 结束语

本文以新能源客车电机冷却系统为研究重点，设计了一种液冷和风冷相结合的双冷却系统，既可以利用液冷散热系统，也可以利用风冷散热系统对电机散热，有利于提高散热系统的效率，是对常规单冷却系统的技术升级。

[1]王贤海，杜传进，王文端.汽车热管理研究现状及新进展[J].拖拉机与农用运输车，2005（5）：8-10.

[2]吴琳、王宏光.水冷电机冷却系统设计与计算[J].机械设计与制造，2008（8）：40-42.

[3]司康.我国新能源客车的发展及主要产品一览[J].汽车与配件，2010（8）：32-36.

[4]邱宣怀，郭可谦，吴宗泽，等.机械设计[M].4版.北京：高等教育出版社，2011.

[5]郭新民，高平，孙世民，等.自控电动冷却风扇在汽车发动机上的应用[J].内燃机工程，1993（1）：79-82.

[6]陈家瑞.汽车构造[M].3版.北京：机械工业出版社，2011.

[7]朱敏慧.法雷奥已经或即将实用化的汽车新技术[J].汽车与配件，2003（23）：24-25.

[8]《汽车工程手册》编委会.汽车工程手册设计篇[M].北京：人民交通出版社，2001.

[9]全国汽车标准化技术委员会.汽车热平衡能力道路试验方法：GB/T 12542-2009[S].北京：中国标准出版社：2009：3.

[10]王仁祥.电力新技术概论[M].北京：中国电力出版社，2009.

修改稿日期：2017-03-06

Design of DualCooling System for Drive Motor of Electric Bus

Wang Qinpu,Wang Bo,Song Zhongkai
(Zhongtong Bus Holding Co.,Ltd,Liaocheng 252000,China)

Taking the cooling system ofelectric bus driving motor as the research object,the authors develop a type ofdualcooling system for liquid-cooling/air-cooling motor,and elaborate the technicalscheme,working logic and application effectin detail.

electric bus;driving motor;double cooling system

U469.72；U464.142

B

1006-3331（2017）04-0028-03

王钦普（1964-），男，研究员；泰山学者；主持国家新能源汽车产业技术创新工程项目和国家科技支撑计划项目等工作。