新能源汽车电机与驱动系统教案系列项目三 任务3 驱动电机与控制器冷却系统检修Word文件下载.docx

1、导课:纯电动汽车采用电机来驱动车辆，电机高速运转时一定会产生热量，需要进行冷却吗?作为新能源汽车的售后服务人员，你能否回答这些问题？如果电机的冷却系统出现故障，你能进行检修吗？理论教学内容：1.驱动电机与控制器冷却系统的作用电机（也称电动机）作为电动汽车驱动可实现极低排放或零排放。电动汽车在驱动与回收能量的工作过程中，电机定子铁芯、定子绕组在运动过程中都会产生损耗，这些损耗以热量的形式向外发散，需要有效的冷却介质及冷却方式来带走热量，保证电机在一个稳定的冷热循环平衡的通风系统中安全可靠运行。电机冷却系统设计的好坏将直接影响电机的安全运行和使用寿命。图3-3-1所示是新能源汽车的驱动电机。电动汽

2、车驱动电机与控制器的冷却系统主要依靠冷却水泵带动冷却液在冷却管道中循环流动，通过在散热器的热交换等物理过程，冷却液带走电机与控制器产生的热量。为使散热器热量散发更充分，通常还在散热器后方设置风扇，如图3-3-2、图3-3-3所示。 图3-3-1 新能源汽车驱动电机图3-3-2 驱动电机与控制器冷却系统主要构成图3-3-3电机与控制器冷却系统主要构成2.驱动电机的散热类型电机在进行能量转换时，总是有一小部分损耗转变成热量，它必须通过电机外壳利周围介质不断将热量散发出去，这个散发热量的过程，我们就称为冷却。电动机主要冷却方式有自然冷却、风冷和水冷，如图3-3-4所示。1）自然冷却自然冷却依靠电机铁

3、芯自身的热传递，散去电机产生的热量，热量通过封闭的机壳表面传递给周围介质，其散热面积为机壳的表面，为增加散热面积，机壳表面可加冷却筋（图3-3-5）。图3-3-4电动机主要冷却方式动画界面 图3-3-5自然冷却的电机机壳自然冷却具有结构简单，不需要辅助设施就能实现，但自然冷却效率差，仅适用于转速低、负载转矩小、电机发热量较小的小型电动机。2）风冷风冷是电机自带同轴风扇来形成内风路循环或外风路循环，通过风扇产生足够的风量，带走电机所产生的热量。介质为电机周围的空气，空气直接送入电机内，吸收热量后向周围环境排出。风冷具有冷却效果好；可使用风冷却器，采用循环空气冷却器避免腐蚀物和磨粒，有利于提高电动

4、机的使用寿命；结构相对简单，电机冷却成本较低。但受环境因素的制约，在恶劣的工业环境中，例如高温、粉尘、污垢和恶劣的天气下无法使用风冷。风冷适用于常用于一般清洁、无腐蚀、无爆炸环境下的电机。3）水冷水冷是将水通过管道和通路引入定子或转子空心导体内部，通过循环水不断的流动，带走电机转子和定子产生的热量，达到对电机的冷却功能。水冷的冷却效果比风冷更显著，无热量散发到环境中。但是，需要良好的机械密封装置，水循环系统结构复杂，存在渗漏隐患，如果发生水渗漏，会造成电机绝缘破坏，可能烧毁电动机；水质需要处理，其电导率、硬度和pH值都有一定的要求。水冷电机主要应用于大型机组和高温、粉尘、污垢等恶劣的无法使用自

5、然冷却、风冷型电机的场合，如纺织、冶金、造纸等行业使用的电动机。3.常见新能源车型驱动电机与控制器冷却系统的结构原理1）荣威E50驱动电机与控制器冷却系统以下介绍荣威E50电源逆变器（PEB，或称电力电子箱）/驱动电机冷却系统。（1）驱动电机与控制器冷却系统结构原理。驱动电机与冷却系统组件如图3-3-6所示。冷却液泵。PEB/驱动电机冷却液泵通过安装支架，并由2个螺栓固定在前右纵梁上，经由其运转来循环传动系统。图3-3-6驱动电机与冷却系统组件提示：整个冷却系统2个电子冷却液泵，分别是PEB/驱动电机冷却液泵和动力电池冷却液泵。冷却液软管。橡胶冷却液软管在各组件间传送冷却液，弹簧卡箍将软管固定

6、到各组件上，“快速接头”将软管-PEB到驱动电机和软管-水泵到PEB连接到PEB上。PEB/驱动电机冷却系统软管布置在前舱内。膨胀水箱。PEB/驱动电机冷却系统配有卸压阀的注塑冷却液膨胀水箱，PEB/驱动电机冷却系统膨胀水箱安装在右纵梁右悬架前部，溢流管连接到散热器左水室顶部，出液管连接到PEB/驱动电机冷却液泵上。散热器和冷却风扇。散热器都是一个两端带有注塑水箱的铝制横流式散热器。散热器的下部位于紧固在前纵梁的支架所支承的橡胶衬套内。散热器的顶部位于水箱上横梁支架所支承的橡胶衬套内，支承了冷却风扇总成、空调（A/C冷凝器。空调（A/C）冷凝器安装在散热器后部，由4个螺栓固定至冷却风扇罩上。冷

7、却风扇和驱动电机总成及风扇低速电阻安装在空调（A/C）冷凝器后部的风扇罩上。“吸水”式风扇抽取空气通过散热器。冷却液温度（ECT）传感器。ECT传感器安装在散热器右侧前部，内含一个封装的负温度系数（NTC）热敏电阻，该电阻与PEB/驱动电机冷却系统冷却液相接触，是分压器电路的一部分。该电路由额定的5V电源、一个PEB控制模块内部电阻和一个温度相关的可变电阻（ECT传感器）组成。（2）驱动电机与控制器冷却液循环路线。荣威E50驱动电机与控制器冷却液流循环路线如图3-3-7所示。冷却系统利用传导原理，将热量从PEB/驱动电机组件传递到冷却液中，再从PEB/驱动电机组件传递到散热器上，通过冷却风扇吹

8、动气流，将热量传递到大气中。当系统处于较低温度时，冷却液泵不工作。当温度上升后，冷却液泵工作，冷却液经过软管流入散热器内，散热器将热量散发到空气中，使PEB/驱动电机组件保持在最佳的工作温度。由热膨胀所产生的多余冷却液经过散热器顶部的溢流管返回到膨胀水箱中。膨胀水箱同时消除冷却液中的气体。膨胀水箱有个出液管连接到冷却液回路中，当循环冷却系统中冷却液冷却收缩或循环冷却系统中冷却液不足时，膨胀水箱中的冷却液会及时补充到循环系统中。额定压力为140kPa的膨胀水箱盖将冷却系统与外界大气隔开，因而随着温度的升高冷却液膨胀，使冷却系统的压力随之升高。压力的升高增加了冷却液的沸点，可使PEB/驱动电机组件

9、在更高、更有效的工作温度下运转，而没有冷却液沸腾的风险。冷却系统的增压有极限，因此膨胀水箱盖上安装了卸压阀。这样在达到最大工作压力时，可释放冷却系统中过度的压力。冷却液从右侧上部水室到左侧底部水室流经散热器，由经过芯体的空气进行冷却。冷却系统的温度是由ECT传感器来测量的。该传感器向PEB发送信号，根据需要控制冷却风扇的操作。冷却液温度信号由PEB经过CAN总线到显示冷却液温度到组合仪表。该组合仪表上会实时显示冷却液的温度，如果冷却液温度变得过高，则组合仪表上的警示灯将提醒驾驶人。图3-3-7荣威E50驱动电机与控制器冷却液流循环路线图（3）驱动电机与控制器冷却风扇控制。荣威E50驱动电机与控

10、制器冷却风扇控制框图如图3-3-8所示，冷却风扇采用脉冲调制（PWM，又称占空比控制）。PWM冷却风扇受VCU控制，冷却风扇工作时，VCU通过CAN系统接收来自空调控制模块（ETCECU）的信号，控制PWM模块使冷却风扇在20%90%的占空比范围内的8个挡位的速度工作，以满足不同的冷却负荷要求。图3-3-8PWM风扇控制框图冷却风扇开启条件。冷却风扇开启取决于空调A/C和电机逆变器PEB冷却液温度这两个重要因素。当A/C开启或PEB冷却液温度高于52时，冷却液风扇开始工作。冷却风扇停止工作条件。如果PEB冷却液温度低于65，并且空调A/C关闭，冷却风扇停止工作。点火开关关闭，A/C关闭，PEB

11、冷却液温度高于65，冷却风扇继续工作，如果环境温度低于10，冷却风扇会工作30s，环境温度高于10，冷却风扇会工作60s。（4）PEB/驱动电机冷却系统控制。PEB的工作温度不能超过75，最合适的工作温度应该低于65。将温度控制在75以下可以更好地延长PEB和驱动电机的使用寿命。PEB开始工作时，电动冷却液泵会立即打开，冷却液温度传感器向空调控制模块ETC提供温度信号。PEB计算冷却液温度将它与PEB冷却温度传感器信号进行比较，从而判断是否需要使用PEB冷却液温度传感器。2）比亚迪E6驱动电机与控制器冷却系统比亚迪E6驱动电机与控制器采用的冷却系统是闭式水冷循环系统，冷却液介质为乙二醇型冷却液

12、，如图3-3-9所示。图3-3-9比亚迪E6驱动电机与控制器冷却系统（1）比亚迪E6电机与控制器冷却系统组成部件。比亚迪E6电机与控制器冷却系统由散热器总成电子风扇总成、电动冷却液泵总成、冷却软件等组成。（2）比亚迪E6冷却系统工作原理。E6车型电机与控制器冷却系统由电动冷却液系提供动力，低温冷却液通过管路由散热器流向待散热元件（电机控制器、DC/DC、电机），冷却液在待散热元件处吸收热量后，再通过冷却管路流经散热器进行散热，之后进行下一个循环，如图3-3-10所示。图3-3-10比亚迪E6电机与控制器冷却系统电子风扇总成采用吸风式双风扇，通过串联调速电阻的方式来实现风扇的高低速挡分级，从而降

13、低风扇噪声，提高整车的舒适性，如图3-3-11所示。图3-3-11电子风扇总成3）比亚迪秦驱动电机与控制器冷却系统比亚迪秦混合动力汽车的冷却系统由发动机冷却系统和驱动电机冷却系统组成。发动机冷却系统与传统涡轮增压车型冷却系统一样，冷却液温度为90100，允许最高温度110。驱动电机与控制器冷却系统采用独立的冷却系统，用于电机与控制器的冷却，是通过单独的电动冷却液泵驱动冷却液实现独立的循环系统。它由散热器、电子风扇、水管、水壶、电机水套、电机控制器、冷却液泵（安装在水箱立柱上的电龄却液泵）组成，如图3-3-12所示。图3-3-12比亚迪秦驱动电机与控制器冷却系统结构示意图4）北汽新能源驱动电机与

14、控制器冷却系统北汽新能源纯电动汽车的CC33DB冷却系统的功用是将电机、电机控制器及充电机产生的热量及时散发出去，保证其在要求的温度范围内稳定高效的工作。主要发热元件如图3-3-13所示。图3-3-13主要发热元件1）C33D风冷充电机与水冷充电机冷却系统结构示意图如图3-3-14和图3-3-15所示。图3-3-14风冷充电机图3-3-15水冷充电机（2）工作原理。冷却系统由两个体系构成：冷却液回路和冷售热器冷却液在流经MCU、充电机和电机等热源时，热源通过热传导将热量传递给冷却液，高温冷却液通过电动冷却液泵提供的动力流经散热器时将热量通过热传导传递给散热器芯体，冷却空气通过热对流将热量带走，

15、完成换热过程，如图3-3-16所示。膨胀水箱在冷却系统中起提高冷却液沸点和提供冷却液加注口两大作用。图3-3-16新能源汽车的冷却系统（3）电动冷却液泵。电动冷却液泵是冷却液循环的动力元件，其作用是对冷却液加压，促使冷却液在冷却系统中循环，带走系统散发的热量。电动冷却液泵外形如图3-3-17所示。电动冷却液泵的作用如图3-3-18及动画所示。图3-3-17电动冷却液泵 图3-3-18电动冷却液泵的作用电动冷却液泵的构成。电动冷却液泵采用的是永磁无刷直流冷却液泵，整个部件中没有动密封，浮动式转子与叶轮注塑成一体。严禁电动冷却液泵在没有冷却液的情况下空载运行，否则将导致转子、定子的磨损，将最终导致

16、冷却液泵的损坏。电动冷却液泵剖面图与转子图如图3-3-19所示。图3-3-19电动冷却液泵剖面图与转子图电器接插件。冷却液泵接插件位于冷却液泵后盖上，接插件为两线，分别为正极和负极（图3-3-20）。电动冷却液泵的装配。电动冷却液泵安装在车身右纵梁前部下方，位于整个冷却系统较低的位置；冷却液泵自带橡胶支架，起到降低噪声的作用。通过2个Q1860625六角法兰面螺栓与冷却液泵支架装配，紧固力矩为911Nm，如图3-3-21所示。图3-3-20电动冷却液泵接插件 图3-3-21电动冷却液泵装配（4）电子风扇。电子风扇（图3-3-22）的作用是提高流经散热器、冷凝器的空气流速和流量，以增强散热器的散

17、热能力，并冷却机舱其他附件。电子风扇的结构特性：C33DB采用左右双风扇构架，采用半径为125mm、6叶不对称结构的扇叶，双风扇分别由整车电源提供输入，根据电机、控制器、空调压力等参数由VCU控制双风扇运行，电子风扇采用两挡调速风扇。电子风扇电器接插件（图3-3-23）。电子风扇接插件为四线，高速：两个“+接正极，两“-”接负极；低速：两个“+”接正极，一个“-”接负极。图3-3-22北汽新能源汽车电子风扇 图3-3-23电动朝接插件电子风扇装配（图3-3-24）。电子风扇下部卡接在散热器水室上，上部通过2个Q2736313A（十字槽大半圆头自攻螺钉-F型）装配在散热器水室上，紧固力矩为911

18、Nm（5）膨胀水箱（图3-3-25）。膨胀水箱的作用是为冷却系统冷却液的排气、膨胀和收缩提供受压容积，同时也作为冷却液加注口。性能参数：C33DB膨胀水箱盖开启压力为2935kPa。结构特性：膨胀水箱采用PP材料，结构设计满足爆破压力不小于200kPa。接口尺寸：膨胀水箱补水端外径为20mm，溢气端外径为8mm，胶管安装时插接到底。图3-3-24电动风扇装配图3-3-25膨胀水箱（6）冷却管路总成。材料：目前冷却管内外胶为三元乙丙橡胶（EPDM），中间层由织物增强，耐温等级是I级（125），爆破压力达到1.3MPa。装配：冷却水管壁厚4mm，端口有安装定位标识（图3-3-26），装配时标识与散

19、热器上的定位标识对齐。冷却系统电动冷却液泵与散热器风扇由整车VCU控制，根据整车热源（电机、电机控制器和充电器）温度进行控制。温度控制见表3-3-1。图3-3-26管路定位标识（7）电机冷却系统。冷却液泵控制：起动车辆时电动冷却液泵开始工作（即仪表显示READY）。电机温度控制：当控制器监测到驱动电机温度45温度50时冷却风扇低速起动；温度50时，冷却风扇高速起动；温度降至40时冷却风扇停止士作。120温度140时，降功率运行；温度140时，降功率至0，即停机。电机控制器温度控制：当控制器监测到散热基板温度75时，冷却风扇低速起动。温度80时，冷却风扇高速起动；温度降至75时冷却风扇停止工作。

20、温度85时，超温保护，即停机。当控制器监测到散热基板温度为7585时，降功率运行。实训操作：1.工作准备（1）防护装备：绝缘防护装备。（2）车辆、台架、总成：荣威E50；比亚迪E6或同类纯电动汽车。（3）专用工具、设备：无。（4）手工工具：组合工具一套。（5）辅助材料：干净抹布；专用的冷却液。2.实施步骤1.拆卸警告：在开始维修作业前，维修人员必须经过专业培训，并取得维修资格。在开始维修作业前，维修人员必须穿戴好劳保用品：戴好绝缘手套，穿好高压绝缘鞋。在戴绝缘手套前，必须检查绝缘手套是否有破损的地方，确保手套无绝缘失效。注意：在安装或拆卸过程中，油液必须回收，不得随意遗弃，工作过程中应防止冷却

21、液进入或飞溅到高压部件。（1）断开蓄电池负极，将蓄电池负极用绝缘胶布包裹防止意外虚接。（2）将驱动电机冷却液膨胀水箱盖打开。（3）拆卸底部导流板。（4）断开驱动电机冷却液泵的连接器，如图3-3-28所示。（5）松开卡箍，从驱动电机冷却液泵上断开冷却液泵到电机控制器软管和散热器到冷却液泵的软管，如图3-3-29所示。图3-3-28 断开驱动电机冷却液泵的连接器 图3-3-29 断开冷却液泵到电机控制器软管和散热器到冷却液泵的软管（6）松开卡箍，从驱动电机冷却液泵上断开散热器到冷却液泵的软管。（7）用10mm扳手拆下驱动电机冷却液泵支架上的螺栓。（8）取下驱动电机冷却液泵，如图3-3-30所示。图

22、3-3-30取下驱动电机冷却液泵图2.安装（1）将驱动电机冷却液泵支架固定到车身上，固定2个螺栓拧紧到710Nm，如图3.3.32所示。（2）将散热器到冷却液泵之间软管和冷却液泵到PEB的软管连接到驱动电机冷却液泵上，并用卡箍固定，如图3-3-33所示。图3-3-32将驱动电机冷却液泵支架固定到车身上 图3-3-33将散热器到冷却液泵之间软管和冷却液泵到PEB的软管连接到驱动电机冷却液泵上（3）安装驱动电机冷却液泵的连接器，如图3-3-34所示。（4）加注驱动电机冷却液至上限。（5）连接蓄电池负极，并固定螺栓，如图3-3-35所示。图3-3-34安装驱动电机冷却液泵的连接器 图3-3-35连接

23、蓄电池负极（6）起动车辆，运转冷却液泵，如图3-3-36所示。（7）关闭点火开关，检查冷却液泵软管附近有无泄漏，如图3-3-37所示。图3-336起动车辆 图3-3-37检查冷却液秀软管附近有无泄露（8）安装底部导流板。（9）降下车辆。学习拓展：以下介绍散热器在电动汽车上的设计及改进。1.逆变器模块电动汽车用逆变器如图3.3-38所示。一共用了4个16BT，其中3个型号为F1200R17MB2的IGBT，主要功能是逆变（该模块以下简称逆变模块）；另1个型号为FF300R17KE3的IG-BT,主要功能是斩波或制动（该模块以下简称斩波模块）。该逆变器的散热方式为强迫风冷，风机安装在散热器的底部，

24、进风方式为抽风。3个逆变模块为主要工作模块。通过查找IGBT的参数，并经过计算得出：在峰值功率下各逆变模块的发热量为1016W，由于斩波模块的工况比较复杂，估算其发热量为200W，则总功耗为3248W；在额定功率下各逆变模块的发热量为574W，斩波模块的发热量为100W，则总功耗为1822W。图3-3-38 新能源汽车逆变器2.散热器热传递的分析IGBT产生的热量通过热传导的方式由管壳传到散热器，然后通过强迫风冷的方式传到外界环境中去（散热器安装在逆变器的外部）。为减少管壳与散热器之间的热阻，首先要求散热器安装表面的表面粗糙度达1.6um以下，其次在管壳的底部均匀涂满导热硅胶或者加垫一层导热系

25、数大而硬度低的纯钢箱或银箱，并用一定的预紧力压紧。3.散热器的仿真分析计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics，CFD）是通过计算机数值计算和图像显示，对含有流体流动和传热等相关物理现象进行的系统分析。CFD的基本思想是把原来在时间域和空间域上连续的物理量的场，如速度场、温度场、压力场等，用有限个离散点上的一系列变量值的集合来代替按照一定的原则和方式建立起关于这些离散点上场变量之间关系的代数方程组，然后求解代数方程组获得场变量的近似值。暖风空调CFD图像分析如图3-3-39所示。图3-3-39暖风空调CFD图像分析近年来，随着计算机技术的发展，科研开发周期的缩短

26、，人们广泛应用CFD技术建立各种工业环境流体力学的模型和仿真环境，得出结论，并在原来的基础上进行优化运算，以得出满足要求的最佳方案。ICEPAK软件是专业的电子热分析软件（图3-3-40）。借助ICE-PAK软件的分析和优化结果，用户可以降低设计成本，提高产品的一次成功率，改善电子产品的性能，提高产品可靠性，缩短产品的上市时间。以下均是用ICEPAK软件进行仿真分析的结果。散热器基板的尺寸为680mm430mm20mm，翅片的尺寸为390mm80mm2mm，翅片的截面为长方形，翅片间距为4mm，逆变模块间的间距为30mm，逆变模块与斩波模块间的间距为20mm，环境温度为20，未加说明的冷却风机

27、均采用鼓风方式。以以上散热器的尺寸为原形，在额定工况下（除特别说明外），选择不同的参数对其进行了仿真分析。图3-3-40专业热力分析软件ICEPAK（1）翅片厚度的选择选择。翅片间距为4mm，翅片高度为80mm，翅片厚度1mm、1.5mm、2mm、2.5mm或3mm（超过3mm风阻太大），可知，随着散热器翅片厚度的增加，散热能力增强。但是翅片厚度超过2mm后，散热的增幅明显变小，所以选用2mm厚的翅片比较合适。（2）翅片间距的选择。选择翅片高度为80mm，翅片厚度为2mm，翅片间距3mm、4mm、5mm、6mm或7mm，说明翅片间距越小，散热能力越强。由于受工艺条件的限制，目前翅片能加工到的最

28、小间距为4mm，所以选用4mm的翅片间距是合理的。（3）翅片高度的选择。选择翅片厚度为2mm，翅片间距为4mm，改变翅片高度，分别为90mm、80mm、70mm、60mm或50mm，当翅片高度达到80mm后，温升的幅度很小，再增加高度几乎是无用的，所以翅片高度达80mm为极限高度。此逆变器选择翅片的高度为80mm。（4）基板厚度的选择。基板在1422mm，随着基板厚度的增加，垂直于基板方向的热扩散能力增强，使温升逐渐减小，但不同基板厚度之间的温升幅度变化较小，因此选择基板的厚度时，主要是考虑基板的强度。（5）模块间间距的选择。4个模块间的间距分别选择为：30mm、40mm、40mm；20mm、

29、30mm、30mm；10mm、20mm、20mm；5mm、10mm、10mm。对它们进行分析，其前后两者之间的最高温差分别为1.43K、1.45K、2.1K，由此可见，选用间距太宽，对模块的散热没有多少作用，因此选用间距为10mm、20mm、20mm比较合理，考虑到该逆变器结构布置，选用模块间的间距为20mm、30mm、30mm比较合适。（6）对抽风与鼓风的情况进行比较。选择翅片间距为4mm，翅片高度为80mm，翅片厚度分别为1mm、2mm或3mm，将鼓风方式改变为抽风方式。可知，风机鼓风时，翅片越厚，散热效果越好，但为抽风时，翅片达3mm时，风阻明显增大，导致温升比翅片厚度为2mm时要差，因

30、此抽风效果劣于鼓风方式。但由于车上受空间限制，该逆变器采用的是抽风方式。（7）风机的选择。仿真分析的结果与风机的选型有关。选择风机时，需要考虑的因素很多，诸如空气的流量、风压、风机的效率、空气流动速度、通风系统的阻力特征、环境条件、噪声、体积和质量等，其中主要参数为风量和风压，经计算该逆变器的总风量要求为2040m2/h（1200CFM），风压为201Pa.我们选型的风机（P22072HBL）的实际工作点的风压能满足要求，风量是通过并联的3台风机来满足要求的。由于翅片间的间距为4mm，翅片高度达80mm，所以要求的风压很高，由于选型风机的风压与风量都留有裕量，故都能满足翅片间距为3mm与翅片高度为90mm的要求。课后作业：1.填空题（1）电动汽车电机与控制器的冷却系统主要依靠_