• 水冷和油冷電機技術和經濟性優劣分析
    發布日期:2021-12-15   瀏覽量:460

    無論是補貼退坡、2025規劃等新能源汽車宏觀政策影響還是技術與配套進一步成熟后私人消費的市場催動,新能源驅動電機向著更高功率密度、更高效、更高品質、更低成本方向發展,相應涌現出系統集成化、油冷一體化、高速高壓化、新型繞組技術、新型散熱與冷卻技術、新型材料與工藝等一系列解決方案。

    現階段,新能源驅動電機的散熱與冷卻方式主要有水冷與油冷,如表1所示,當前BEV驅動電機主要以水冷方式為主,由于可方便與發動機、變速箱集成,油冷電機在HEV/PHEV上應用廣泛。

    表1 現階段主流電機產品冷卻方式 

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    水冷電機相對常見且技術上也較成熟,按機殼成型工藝不同,壓鑄殼體多采樣螺旋型水道,內外水套端部采用應用較成熟的摩擦攪拌焊接;型材拉伸機殼多采用U型水道,端部采樣O圈密封,如西門子、博世e-Alxe、博格華納e-DM均采用特殊材料的O圓密封。

    相對水冷,油冷電機能夠直接冷卻溫度最高的繞組端部,尤其是端部裸露面積更大的扁線繞組效果更明顯,能夠主動冷卻到內部轉子部件,冷卻效果更好 ;同時有利于電機與變速箱的集成,提高軸承的潤滑冷卻效果;有利于電機與整車熱管理系統的集成,環境溫度較低時加熱變速箱油提高潤滑攪拌效率、加熱電池等部件提高熱利用效率,因此,從整個驅動系統上講,油冷電機相對水冷具備一定的技術優勢。

    如圖1所示,油冷又分為定子噴油與轉子甩油等,如通過機殼上設計噴油管、導油管或增設其他油路結構噴灑冷卻電機定轉子;或轉軸為空心軸,轉子高速旋轉時通過軸向/徑向甩油孔冷卻電機定轉子。 

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    圖1 油冷電機油路示意圖

    此外,為進一步提升冷卻效果,國內外也有采樣下圖2所示的組合式冷卻方式,在沿用定子水道水冷的基礎上增加轉子油冷。 

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    圖2 定子水冷+轉子油冷組合冷卻方式

    技術與經濟性優劣分析

    以應用在A級車的100-120kW電橋內集成OD180驅動電機為例,參考行業內已成熟應用的油冷電機產品,盡量在同一設計水平的前提下對比分析水冷與油冷電機的性能與成本差異。

    其中,水冷電機采用螺旋型水道,端部摩擦攪拌焊接;油冷電機采用定子噴油、轉子甩油油路結構,減速箱與電機間無油封,減速箱油一部分經過定子導油管對定子端部繞組進行冷卻;另一部分經過電機空心軸對電機軸承與轉子磁鋼進行冷卻,轉軸兩端開有徑向油孔,轉子高速旋轉時甩油到定子端部繞組內壁面,進一步冷卻定子繞組。

    表2 對比方案設計 

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    表3 水冷與油冷電機技術與性能對比 

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    表4 水冷與油冷電機成本與經濟性對比 

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    注:為冷卻轉子軸承與轉子磁鋼,油冷電機的轉子大多要加工成空心軸,不同設計與加工工藝對空心軸成本有一定影響;另外,不同供應商油冷配套系統(油泵電機與控制器、油管、冷凝器、濾網等)的采購水平也有差異,因此,受不同加工工藝與采購議價能力影響,不同供應商所核算成本會有一定差異,上述成本結果僅為大致參考。

    小結

    現階段國內外BEV主流電橋或電機仍以相對成熟的水冷方式為主,由于要和發動機、專用變速箱集成、冷卻與潤滑及受制于布置空間,HEV/PHEV上油冷電機應用較為普遍。

    1、由于A0、A級或緊湊SUV等(無論是租賃市場還是私人消費市場領域,現階段主流車型)整車運行工況對電機的持續性能要求相對沒那么敏感;同時對于100kW電橋或電機,功率相對較小,電機溫升相對不是瓶頸因素,因此無論是常規的水冷冷卻還是理論上冷卻效果更好的油冷冷卻對整個電機系統的成本、性能影響相對不大;

    2、對于某些B級或更高性能車,最高車速越來越高,峰值功率(150-200kW)與持續功率(Pcon/Ppeak>2.5)要求高、對應持續時間長、運行工況惡略如多次急加急減等組合運行工況,電機的持續性能與溫升表現相對關鍵,此時,油冷電機的優勢更易體現出來;

    3、電機的功率密度要求越來越高,一些混動等對結構空間布置、軸向尺寸等要求苛刻的場景,油冷電機表現出一定的競爭力;此外,20000rpm以上超高速電機會成為后續技術趨勢,對應的轉子潤滑與冷卻成為技術瓶頸,此時定轉子油冷或定子水冷+轉子油冷成為不可或缺的解決方案。

    因此,油冷電機當前階段在技術與應用上有了一定的經驗積累,配套系統也相對成熟,但小功率規格的油冷電機無論是性能還是成本,相對水冷還沒有表現出絕對的優勢;技術成熟度上無論是溫升一致性、清潔度管控、轉子甩油(油速過低影響冷卻效果,過高易損傷繞組表面絕緣及形成霧化,影響散熱效果)等還有繼續提升的空間。 

    然而隨著市場與配套技術的進一步成熟,整車對驅動系統的功率密度與低溫環境下續航里程的要求進一步提高,油冷電機在某些應用場合如持續功率密度要求高、安裝空間苛刻、軸承油封可靠性要求高,尤其是超高速電機領域會取得進一步應用并體現出巨大競爭力。 

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