熱管理對(duì)電動(dòng)車的重要性

冷卻策略正在不斷發(fā)展，以滿足不斷改進(jìn)的未來電動(dòng)車的需求。

任何提升電動(dòng)車?yán)m(xù)航里程和性能的技術(shù)創(chuàng)新，其核心都是對(duì)更高效率的追求。如今的電動(dòng)傳動(dòng)系能夠?qū)?5%以上的電池電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，相比之下，內(nèi)燃機(jī)僅能將不到40%的燃料化學(xué)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。

效率提高的一個(gè)顯著結(jié)果就是電機(jī)性能的大幅提升，如今的電機(jī)轉(zhuǎn)速最高可達(dá)25,000 rpm，而十年前通常為15,000 rpm。究竟是什么推動(dòng)了效率的提升？和任何復(fù)雜系統(tǒng)一樣，這是多種變量共同作用的結(jié)果，例如繞組配置的優(yōu)化、磁體布局和材料的改進(jìn)，以及組件集成方式的改善。然而，其中最主要的原因之一是熱管理技術(shù)的提升。

1為什么熱管理很重要？

簡而言之，溫度代表了物質(zhì)中粒子的平均動(dòng)能——即粒子的運(yùn)動(dòng)速度。對(duì)于電線等電氣元件，這意味著它們的離子在溫度升高時(shí)會(huì)產(chǎn)生更多振動(dòng)，進(jìn)而更有可能與構(gòu)成電流的自由電子碰撞。其結(jié)果就是，電阻會(huì)隨著溫度升高而增加，導(dǎo)致電機(jī)效率下降。

盡管電機(jī)的運(yùn)動(dòng)部件比傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)少，但其運(yùn)行過程中仍會(huì)產(chǎn)生大量熱量。這是由固有電阻、渦流，以及機(jī)械熱等多種因素造成的。再加上電阻增加會(huì)導(dǎo)致輸出更多熱量，從而使電機(jī)可能陷入效率下降的反饋循環(huán)。

在最基本的層面上，閉環(huán)系統(tǒng)中由于熱耗散導(dǎo)致的能量損失都屬于浪費(fèi)，這些能量本可以用來提升電動(dòng)車的續(xù)航里程。因此，改進(jìn)熱管理是提高電機(jī)效率的重要手段之一。

為了維持電機(jī)效率并延長電機(jī)壽命，工程師通常會(huì)將其工作溫度維持在365℉（180℃）以下，而這主要通過間接或直接冷卻來實(shí)現(xiàn)的。

2間接冷卻

間接冷卻是指冷卻液不直接接觸電機(jī)或熱源，而是在一個(gè)獨(dú)立的閉環(huán)系統(tǒng)中通過換熱器循環(huán)冷卻液的方法。這類似于傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車的冷卻系統(tǒng)，即冷卻液從缸體和缸蓋周圍的水套循環(huán)到散熱器，后者再將熱量發(fā)散到空氣中。

對(duì)電動(dòng)車而言，間接冷卻直到最近都是主流的冷卻技術(shù)，借鑒了汽車工程師在傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)冷卻系統(tǒng)方面多年積累的豐富經(jīng)驗(yàn)。一套典型的電動(dòng)車間接冷卻系統(tǒng)通常會(huì)包含一個(gè)嵌入電機(jī)定子中的水套。該水套充滿水-乙二醇冷卻液，對(duì)定子中的銅線圈提供恒定的被動(dòng)冷卻，以防止其過熱。

水套冷卻系統(tǒng)簡單、可靠且成本效益高，但其被動(dòng)特性意味著在溫度驟升時(shí)無法增加冷卻強(qiáng)度。更糟糕的是，水套對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)子和其他活動(dòng)部件的冷卻效果較差，因?yàn)樗荒車@定子進(jìn)行冷卻。

因此，近年來，針對(duì)電動(dòng)車，特別是針對(duì)高性能傳動(dòng)系的直接冷卻技術(shù)得到了更多關(guān)注。

3直接冷卻

與間接冷卻不同的是，直接冷卻系統(tǒng)中的冷卻液與電機(jī)和相關(guān)熱源直接接觸。由于水是導(dǎo)體，因此通常使用油基冷卻液與電機(jī)的繞組、定子和轉(zhuǎn)子直接接觸。

直接冷卻的主要優(yōu)點(diǎn)在于它能夠提供間接冷卻（水套冷卻）無法實(shí)現(xiàn)的效果。直接冷卻液可以噴入電機(jī)內(nèi)部，對(duì)轉(zhuǎn)子以及定子內(nèi)表面提供冷卻。冷卻液的流量還可以靈活增減，從而在溫度激增時(shí)（例如當(dāng)電機(jī)需要額外做功來幫助電動(dòng)車爬坡時(shí)）穩(wěn)定電機(jī)的溫度。

目前業(yè)界正在開發(fā)、應(yīng)用多種直接冷卻的方法。其中一種是多歧管滴流冷卻法，該方法可以精確均勻地將冷卻液噴灑到電機(jī)的繞組頭部。比起將轉(zhuǎn)子浸泡在冷卻液中，多歧管滴流冷卻法旨在使用最少的冷卻液，從而減少對(duì)轉(zhuǎn)子的阻力。這種方法的缺點(diǎn)是需要使用高壓油泵將冷卻液正確噴灑到繞組頭部。

另一種方法是軸離心冷卻。這種方法將冷卻液噴霧置入轉(zhuǎn)子軸中，當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)并工作時(shí)，便會(huì)將冷卻液噴灑到繞組頭部。一旦轉(zhuǎn)子達(dá)到正常轉(zhuǎn)速，冷卻液便能夠均勻覆蓋繞組頭部并提供出色的冷卻效果。然而，軸離心冷卻會(huì)對(duì)電機(jī)產(chǎn)生一定的阻力，并且在電機(jī)低速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)無法產(chǎn)生均勻的冷卻效果。

鑒于直接冷卻能夠用間接冷卻難以實(shí)現(xiàn)的方式冷卻電機(jī)內(nèi)部，該方法正在迅猛發(fā)展。某種程度上，這一轉(zhuǎn)變反映了電動(dòng)車技術(shù)的整體成熟：從借鑒內(nèi)燃機(jī)的系統(tǒng)，發(fā)展成為專為電動(dòng)車獨(dú)特需求和架構(gòu)打造的冷卻法。

盡管電動(dòng)車的間接冷卻依然具有發(fā)展前景，但直接冷卻的崛起以及油泵等組件的持續(xù)小型化和集成化，使后者的吸引力與日俱增。直接冷卻使許多制造商得以摒棄水套冷卻系統(tǒng)，從而打造更輕盈、性能更高且更經(jīng)濟(jì)的傳動(dòng)系統(tǒng)。

4建模與數(shù)字化

隨著冷卻方法的快速革新，電動(dòng)車熱管理領(lǐng)域涌現(xiàn)出了一個(gè)重要趨勢，即使用技術(shù)來設(shè)計(jì)熱效率更高的車輛架構(gòu)。同時(shí)，人工智能和數(shù)字技術(shù)極大地豐富了工程手段，加快了系統(tǒng)測試和開發(fā)的速度。

對(duì)結(jié)構(gòu)、熱和流體性能進(jìn)行計(jì)算建模的最佳方法之一是使用有限元法（FEM）工具。在人工智能革命的推動(dòng)下，計(jì)算資源變得越來越便宜高效。如今的工程師可以更方便地優(yōu)化電動(dòng)車組件的布局和配置，以提供最佳的熱性能。

人工智能還可以進(jìn)一步普及并加速開發(fā)和測試過程。相較于根據(jù)客戶需求手動(dòng)分析各選項(xiàng)，人工智能可以在幾分鐘甚至幾秒鐘內(nèi)可靠地幫助客戶選擇最適合其需求的電機(jī)和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。人工智能還可以幫助設(shè)計(jì)師、工程師和客戶快速建模，以了解哪種冷卻方法最適合其需求，并權(quán)衡各種直接和間接冷卻技術(shù)的利弊。