摘要：近年来，能源电动汽车开始被广泛使用，电动汽车是真正实现绿色环保，彻底摆脱对石油的依赖，也成为目前汽车工业技术的发展方向。动力电池是为电动汽车主要或唯一驱动能源，相当于汽车的心脏，所以电池性能的好坏直接影响整车的性能。
关键词：电动汽车;电机;风冷系统;液冷系统
引言
在分析电动汽车用电机热源及其影响的基础上，对它的冷却系统发展进行了概述，给出不同类型冷却系统(风冷系统和液冷系统)的系统构成及特点，分析它的优缺点及适用条件，对目前发展面临的主要问题进行剖析，并提出其发展方向。
1电动汽车用电机的热源及温升危害
电动汽车用电机将车载蓄电池的电能转化为机械能，是为车辆提供动力的重要装置，是电动汽车的心脏。为了满足汽车行驶过程中频繁起停、爬坡及各种复杂工况下稳定高效输出动力的需求，车用电机需满足体积小、质量轻、低速高转矩、调速范围宽、过载能力强、适应恶劣工况等条件，相比常规电机，车用电机具有高速高频的特点。目前，在电动汽车领域，永磁电机因其良好的性能获得了广泛的应用。电机主要热源是其工作中内部存在的铁耗、铜耗、机械损耗等多种损耗，为了实现电机转子的高速化，相比传统电机，电动汽车用电机拥有较高的供电频率，通常达到几百甚至上千赫兹，这带来更高的基波和谐波频率，铁心损耗、铜耗和涡流损耗会随之快速增加;同时转子的高速旋转也会带来更大的机械损耗，其中最主要的损耗是定子铁耗和转子铜耗。这些损耗最后均转化为热能，以热量形式向外发散。如果不能及时有效地进行散热，长时间高温的工作环境会导致电机出现绝缘材料老化、转子退磁、损耗增大、机械强度下降等一系列问题，严重影响电机的性能和使用寿命。电动汽车用电机由于功率密度高、电流密度大，同时又存在安装空间有限、工作环境恶劣等问题，导致散热条件很差，研究合理有效的冷却系统尤为重要。在工作过程中，电机的绕组是其主要热源，绕组产生的热从线圈穿过绝缘层到达铁心，再传到电机表面。要降低电机温升，一要增加电机内部的传热能力，例如采用导热性能较好的绝缘材料;二是增加电机对外的散热能力，可以采用增大散热面积和利用冷却介质等措施。
2电动汽车驱动电机冷却系统的发展现状
2.1风冷系统
风冷系统一般适用于功率较小的小型电机，对小功率电动汽车来说，由于其不需要额外冷却装置，结构简单可靠，成本低廉，所以存在一定的应用价值。风冷系统按是否添加额外的增强空气流动装置，可分为自然风冷和强迫风冷。对于冷却方法选择要考虑到以下因素：热阻、质量、维护方便性、可靠性、成本、效率、耐环境性等等（如下表1）.当然对于一种冷却方案，也可以使用多种冷却方式进行配合。自然风冷不额外添加冷却装置，通过电机运行中自然的空气流动冷却电机，一般需要在机壳表面增设散热筋、散热片等增强散热，冷却成本低廉。轮毂电机是一种在车辆车轮上集成驱动、制动系统的电机，安装空间十分紧张，且对可靠性要求高，所以采用自然风冷较多。强迫风冷的基本结构是在电机上设置风扇，利用风扇带动空气流动，增强风冷效果。[1]根据空气不同的流通路径，可分为内部风冷和外部风冷两类。外通风即通过在电机外部非轴伸端装设风扇，通过风扇旋转增压后形成气流，对电机机壳外表面进行冷却，通常在机壳表面设计扩展散热筋来增大散热面积，这种结构具有构造简单，成本低的优点。内通风即在电机内部设置风路，并通过风扇带动气流通过风路进行散热。相比外通风，内通风拥有较好的冷却效果。根据内部风路与外部风路的关联，强迫风冷可分为封闭式和开启式系统。开启式系统以内外风路联通，外部空气可循环到电机内部直接换热，这种方式冷却效率高，但由于电机内部直接与外界接触，环境中灰尘污垢容易进入电机，运行一段时间后需对电机进行拆卸清理，并且转子上的冷却风扇高速运转，噪声较大，早期小型车用电机应用这种结构较多。封闭式系统，即内风路封闭，利用电机内部同轴风扇带动气流将热量传递到机壳表面，再对外散热。这种无外风扇全封闭式风冷结构能有效地解决灰尘问题，并减小风扇噪声。
表1常用冷却方法单位面积的最大功耗
2.2液冷系统
液冷根据冷却液的不同可分为水冷，油冷。水的热容量和导热系数较高，冷却效果好，无污染，成本低，是一种应用十分广泛的冷却剂。但由于水还存在凝固点较高，沸点较低，易产生水垢和腐蚀电机的问题，所以在实际应用中，考虑到环境适应性，可以根据需要使用混合溶液代替水来适应不同的工作环境。目前应用较多的冷却剂是由水、乙二醇、抗腐蚀与抗泡沫添加剂配比组成的混合溶液，大大降低了冷却液的凝固点，可使电机有效地防冻，还具有防腐防水垢的功能。在中小型电机中，一般采用定子外水冷技术，即在机壳外壁设置水套，通过冷却水流过其中的水道循环换热冷却电机。冷却水道在电机外壳的分布主要有三种结构，环形、轴向及螺旋结构，对这三种结构进行建模分析。[2]综合比较各种结构的冷却效果，其中环形水套冷却效果较好，螺旋水套流阻低，而轴向水套没有轴向温度梯度，适用于轴向结构较长的电机。水道中冷却水的流速及温度是影响散热效果的直接因素，基于传热学及流体力学分析冷却水流速对电机散热的影响，可以得到合理冷却水流速的计算方法。水道结构也对冷却水的流动状态有着至关重要的影响，其中包括水道数量、宽度等因素，通过采取控制变量法可以定量研究每种结构参数对电机温升的影响。为了达到更好的冷却效果，还可以在冷却水道中加入扰流片或肋片以增加换热面积。扰流片是设置在水道中呈一定规则排列的散热片，可以增大换热面积和冷却液湍流度，从而达到增强散热的目的。
2.3定子铁心冷却技术
除了定子外水冷技术，国内外针对定子铁心的直接冷却技术也进行了一系列探索，并取得了一定的研究成果。如在定子叠片上开孔形成冷却流道，采用密封剂密封相邻定子叠片间缝隙;将冷却水管直接嵌入定子铁心轭部的槽中对电机进行冷却;在轮毂电机设置环形定子支撑件，内部中空，灌注高导热的环氧树脂，散热效果良好。[3]油冷即采用油作为冷却剂，油与水相比具有介电常数高、绝缘性能好的特点，通常在电机外壳及定转子等位置设置冷却通道，通入冷却油进行冷却，这种方式称为间接油冷，也可直接将油通入电机内部对绕组等部位散热，称为直接油冷。直接油冷根据冷却方式又可分为浸油和喷油式两类。浸油式即利用油的绝缘特性，直接将油通入电机内部，浸没定转子，这种方法能有效增强电机内部的传热系数。
综合以上研究可以看出，目前国内外针对两种冷却系统已经取得了一定的重要成果，风冷方式成本低，可靠性高，环境适应性好，适用于功率密度偏小的电机。液冷冷却方式的散热能力强，可用于解决电动汽车用高功率密度电机发热严重的问题，但液冷也存在着需要附加完整冷却系统装置，可靠性差，成本偏高的缺点。
结语
随着能源结构的改变，未来新能源汽车将迎来快速发展期，对电动汽车用驱动电机冷却系统的研究具有重要的现实意义。本文介绍了电动汽车用高功率密度电机的特点、电机主要热源，系统梳理了国内外车用电机冷却系统的研究现状，综述风冷系统和液冷系统的基本结构、特点和研究动态，并对两者优缺点进行了比较，给出其适用条件，为今后车用高功率密度电机冷却系统的研究和设计提供了一定的参考价值。
参考文献:
[1]李菁华，张峥，方达，等．基于混合差分蜂群算法的城市电动汽车充电站布局规划［J］．东北电力大学学报，2016，36(4):84－90．
[2]孙悦超．电动汽车驱动方式及未来发展［J］．电机与控制应用，2016，43(11):98－102
[3] 程树康，李翠萍，柴凤.不同冷却结构的微型电动车用感应电机三维稳态温度场分析[J].中国电机工程学报,2012,第30期．
论文作者:吴泽华
论文发表刊物:《电力设备》2019年第7期
论文发表时间:2019/9/17
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