引言

美國(guó)國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室（NREL）是美國(guó)能源部DOE聯(lián)盟重要的一個(gè)分支，主要通過(guò)接受DOE的資助進(jìn)行新型能源熱分析和材料的研究。本文主要介紹NREL在新能源“電機(jī)熱管理系統(tǒng)”所做的研究，分享其成果和技術(shù)路線。

隨著新能源汽車不斷發(fā)展，對(duì)電機(jī)性能提升的需求日益增加。在熱管理限制的條件下提高電機(jī)性能有兩種途徑，一種是增大電機(jī)尺寸，另外一種是改善材料的高溫性能。而這兩種途徑無(wú)疑是坎坷的，因此電機(jī)熱管理的重要性凸顯出來(lái)。通過(guò)合理的電機(jī)熱管理，減少電機(jī)尺寸，降低電機(jī)價(jià)格，來(lái)實(shí)現(xiàn)電機(jī)性能的提升。

NREL的“電機(jī)熱管理系統(tǒng)”項(xiàng)目最早于2010年在DOE正式立項(xiàng)，代號(hào)APE030（2010-2013），后面類似項(xiàng)目還有EDT064（2014-2017、ELT075（2017-2019）、ELT214（2019-2023）。

“電機(jī)熱管理系統(tǒng)”目的：優(yōu)化電機(jī)冷卻技術(shù)的選擇和開(kāi)發(fā)，以最大限度地提升的電機(jī)指標(biāo)（重量、體積、成本、效率）。

電機(jī)熱管理由被動(dòng)熱管理和主動(dòng)熱管理組成，其中：

• 被動(dòng)熱管理涉及：電機(jī)設(shè)計(jì)/材料熱屬性/熱邊界
• 主動(dòng)熱管理涉及：冷卻介質(zhì)/冷卻位置等

主動(dòng)電機(jī)熱管理

目前電機(jī)主動(dòng)熱管理有風(fēng)冷和液冷，液冷又分為水冷和油冷?，F(xiàn)階段的油冷系統(tǒng)通過(guò)變速油直接冷卻電機(jī)，與傳統(tǒng)水冷相比，具有更好的冷卻效果。同時(shí)，油冷的設(shè)計(jì)也具有更大的發(fā)散性，不同廠家的油冷方案各不相同。

NREL所做的主動(dòng)冷卻研究基于油冷進(jìn)行展開(kāi)，測(cè)試方案如下所示：

從上面試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，我們可以提取出影響冷卻性能的參數(shù)有：孔徑d、噴射距離S、噴射區(qū)域直徑D、油液流速、油液油溫、噴孔規(guī)格、以及樣本狀態(tài)。針對(duì)上述參數(shù)，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了參數(shù)DOE優(yōu)化。其中選擇了4種不同狀態(tài)測(cè)試樣本，樣本直徑、表面積、表面粗糙度各不相同。

試驗(yàn)結(jié)果表面：小流量噴射的情況下，測(cè)試樣件狀態(tài)（表面積、粗糙度等）不影響散熱，均能達(dá)到近似散熱水平；隨著噴射流量的增加，平均換熱系數(shù)隨樣件散熱表面積增大而增大。

另外，在一定程度上改變油液溫度（50℃-70℃-90℃）對(duì)平板靶面換熱系數(shù)的影響很小。

試驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)了油液飛濺的情況。70℃的油液溫度、7.5m/s的噴射的速度下，流體撞擊樣品表面的中心，并在整個(gè)表面上向外移動(dòng)。相反，在10m/s時(shí)，一些流體在撞擊后立即偏離表面。在90℃的數(shù)據(jù)中，觀察到流體飛濺在較低速度下發(fā)生。由于在較高溫度下，液體飛濺更為普遍，這可能與高溫度下較低的ATF粘度有關(guān)，這也解釋了上述“ 改變油液溫度對(duì)平板靶面換熱系數(shù)的影響很小 ”。

需要關(guān)注的是在油液溫度為50℃時(shí)，換熱系數(shù)隨噴嘴速度的增加而近似線性增加。在這個(gè)溫度下，上述表面飛濺沒(méi)有發(fā)生（飛濺提高了一定散熱能力）。這意味著不同流速下對(duì)應(yīng)一個(gè)最佳溫度，而這個(gè)對(duì)應(yīng)關(guān)系則與油液飛濺相關(guān)。

考慮到實(shí)際油冷電機(jī)工作過(guò)程，油液噴射并不會(huì)固定垂直噴射，因此研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了多參數(shù)試驗(yàn)。流速一定時(shí)，隨著孔板射流沖擊遠(yuǎn)離中心（S），換熱系數(shù)降低。

隨著試驗(yàn)的進(jìn)行，圓柱形噴射的弊端逐步顯示出來(lái)，那就是冷卻不均勻（增加噴射孔的數(shù)量是一種解決方案）。基于現(xiàn)有的模型，研究團(tuán)隊(duì)嘗試了噴嘴噴射（噴嘴自帶大噴射區(qū)域），冷卻效果很好。

關(guān)于驅(qū)動(dòng)電機(jī)噴嘴噴射的冷卻方案，更詳細(xì)可以查閱專利號(hào) CN201721342611-噴嘴式油冷電機(jī)冷卻系統(tǒng)（上汽乘用車） 。噴嘴方案的優(yōu)勢(shì)不言而喻，技術(shù)上可以實(shí)施，但市面上卻無(wú)法看到應(yīng)用該方案的冷卻系統(tǒng)，這里面涉及到了產(chǎn)品應(yīng)用的一系列問(wèn)題（油泵工作壓力大、噴嘴價(jià)格高、電機(jī)尺寸大等），相信未來(lái)該方案會(huì)出現(xiàn)在大家視野。

總結(jié)

“電機(jī)熱管理系統(tǒng)”的工作已經(jīng)持續(xù)了10年，并還在繼續(xù)。作為基礎(chǔ)研究，其成果并不能直接用于產(chǎn)品應(yīng)用，但為產(chǎn)品應(yīng)用提供了扎實(shí)的理論基礎(chǔ)和參考價(jià)值。梳理GM新能源電機(jī)冷卻路線，從早期的VOLT到中期的SPARK，再到BOLT,電機(jī)冷卻方案均采用油冷主動(dòng)冷卻，這從側(cè)面也可以看出油冷主動(dòng)冷卻的重要性。

回過(guò)頭再看當(dāng)時(shí)項(xiàng)目的目的：優(yōu)化電機(jī)冷卻技術(shù)的選擇和開(kāi)發(fā)，以最大限度地提升的電機(jī)指標(biāo)（重量、體積、成本、效率），基本上達(dá)到了。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，投入在“電機(jī)熱管理系統(tǒng)”直接或間接的資金達(dá)到500萬(wàn)美元，并且成逐年遞增趨勢(shì)，DOE對(duì)基礎(chǔ)研究的重視程度可見(jiàn)一斑（這還僅僅是電機(jī)設(shè)計(jì)的一小部分）

那么下一步研究方向在哪呢？根據(jù)研究團(tuán)隊(duì)發(fā)布的最新消息，“電機(jī)熱管理系統(tǒng)”將會(huì)聚焦以下兩個(gè)方面，有興趣的朋友可以持續(xù)關(guān)注。

• 粘結(jié)界面熱接觸電阻（50℃–200℃）

-通常，絕緣漆滲入槽襯層，影響部件之間的接觸電阻

• 系統(tǒng)熱驗(yàn)證和可靠性

-定子槽與定子接口，系統(tǒng)驗(yàn)證