电驱系统热管理现状

 

 

1 电驱系统热管理现状

这边展示的是一个二合一的，mcu这一块的话如果没看到不用觉得奇怪，因为我们主要是做油冷相关这一块的。其实整个二合一的话，可以这样来拆解，一共拆解成四级，第一级是一个总成；第二级是各个组件，这里每一个部件都可以再拆的很细很细，如果研究的对象主要是电驱动这一块的话，那接下来一般会拆解的是减速器和油冷电机，做电驱动油冷这一块的话，其实主要关注的是减速器的温升情况，他里面的温度情况，油冷电机的温升情况。那这两个系统还可以拆很多，如图上所示。但是一般如果说在前期做热管理这一块时，就拆到轴承这一级就OK了，因为再下面的话整个热网络的难度会非常的大。整个电驱动系统的话，其实还是比较清晰的一个脉络，有非常明确的分级，不涉及到非常复杂的一些部件和部件之间的交互，那当然有一个部件现在其实已经在交互了，就是壳体。一般现在的话，油冷电驱动这一块减壳和电机壳已经有共壳体的这样一个非常明确的技术路线了，那这个到底会有什么影响呢？等会我们在详细做三维化这一块可以看到具体的一个影响。怎样才能够把这个子系统变成一个热网络呢？我们可以来看一下下一页。

看右图，其实就是一个电驱动系统的抛面图，其实把刚刚我们提到的一些组件装在整个系统里面以后，再把油路画出来的话，他大概就是这样的一个构造，从左边的减速器油底壳，然后把油抽出来，抽出来以后到滤芯到交换器，然后冷的油再到电机，再到齿轴，然后再这样的一个循环后把油加热，把热量带走，然后再走到油底壳。当我们有了这么一个体系后，软件里面搭建他的一个热网络就非常的简单了，其实可以看到一点就是传统的那种热网络里面如果说考虑流体的话，还会涉及到管道阻力之类的一些问题，但其实在电驱动里面的话，管道一般都不会占太多的一个体积，所以一般情况下其实这些管道到底要不要建，这个其实是要打个问号的，但是我们一般都不建，不建他其实也是能够很好的去计算这一块发热的。

那建一维热网络这一块的目的是什么呢？其实它的一个意义是非常的重要的，在概念设计阶段他能干什么，如图左，这些其实都是一维系统可以做到的一些事情，然后在详细设计阶段其实这一套热网络也非常有用，因为已经在有一些单位或者说已经有一些项目，在应用一维和三维同时进行的这样的一些手段去预测在一个循环内，或者说在各种不同工况的循环下，它的子部件的发热情况，其实整个油冷电驱动里面的话，不管是一维热管理还是三维热管里，他都是从头到尾贯穿我们整个项目的设计的，所以其实热管理当前以我们以往做水冷这个年代的一个感观的话，他可能不太重要，都是一些必须的安全性的保障，但其实在我们油冷这个时代的话，其实他的设计是和整体的方案挂钩的，然后也会影响到我们很多子部件的一些SOR的问题。

还有一些非常厉害的单位的话，也会做一些自编程之类的，详细设计阶段大家如果说正在开展相关的一些用电驱动的一些那个仿真的话，肯定会知道有这样的三个应用，star-ccm和fluent是常规的一个应用手段。ABAQUS其实是现在一些单位也算是剑走偏锋的一个手法，就是用这种有限元然后去快速的求解能量守恒问题，或者说求解一些温度分布。那当然这块三维软件的选择的话是非常多的。但是大家也可以看到一点，就是有一个问题概念设计阶段和详细设计其实是完全分开的，做概念设计的做一维的人是一波人，然后做三维的也许是另外一波人，有些单位里面的话同时有些人会这个又会那个，那这种的话就是热管理这块的技术核心人员，那这个技术依赖性也会很大，那有没有什么好的一些方法从头至尾贯穿让一个人来负责，然后有没有一些软件能够去从头到尾贯穿这一块呢？大家有没有想过从一维到三维之间是能够做一个切换仿真的。因为一维和三维如果说我们分开做，分两个阶段去做，那中间有一个阶段就是关于油泵或者说关于子部件的一些选型问题就没有打好，那这个阶段怎么去处理呢？其实就是通过一些自编程的方法，暂时先不展开了，这个事情比较复杂。

一维热管理其实是非常有意义的一件事，因为整车这一块就直接给你有要求，不做不行。

2 一维电驱动散热仿真方法-基于shonTA

这个图片其实就是电驱动的一个热网络系统，可以看一下，通过左边的这个图片，在shonTA里面可以简化出这样的一个热网络模型，这个其实做一维的人可能看了以后觉得好丑对吧，但其实功能上来说的话是一样的，一维其实就是不同的点不同的图片，然后去给你表征不同的一些结构，那我们要做的好看，可以吗？也可以，只是说当前的阶段的话，还没有说往好看这个方向去做，我们可以看到该有的都有，等会儿我们打开一个案例会讲一讲。

其实最终能够计算出来的一个一维的结果，大家可以看一下右边的算额定工况的图片，它能够给你输出每一个热网络点的温升曲线，然后这个温升曲线可以用来预测整个电机系统里面它每一个零部件的平均温度的情况，那这个的话和传统的都一样，一会儿会展示。

散热能力这一块的话也是一样的，就是能够通过热网络的计算，告诉你散热需求是多少，那你可以通过耦合，通过判断，他那个面积乘以它的对流换热系数的一个乘值，到底能不能满足散热器选型的需求。

3 局部三维化热仿真-基于shonTA

我们先来讲一讲三维这一块，主要讲一下局部三维化这个概念。

关于局部三维化这一块的话，肯定是大家今天最关注的一个点。因为一维的热管理软件在行业内大家都不缺，三维的也都不缺，但是真正意义上能够在一个软件内实现一维和三维切换的这样的一个软件的话，目前据我所知，在一个软件就已经可以实现的是没有的，都是需要一些额外的操作，额外的一些系统，额外的一些插件才能够实现。

那shonTA里面已经可以实现在一个界面内的一维和三维的转换，这个其实是依赖于shonTA里面的一个非常重要的子部件，就是和网格面直接关联的这种子部件，就是在shonTA里面我们有一个子部件是比较特殊的，可以直接和网格进行一个挂钩，和网格进行一个挂钩以后，shonTA它还同时具备了一个特殊的能力，就是能够去求解有限元，相当于就是在一个软件内同时可以去求解热网络，并且可以求解有限元。那我们可以看一下这样一个简单的系统，比如说左边油箱，供油量、进油量，出油量这些都有，在这样的一个仿真案例中呢，如果说我们一维来算，会得到一个结果如表所示，用三维来算的话，他会得到另外一个结果，我们来看一下三维后的一个结果。

这是一个子系统，这是我把局部的三维放到了整个子系统内进行计算后的一个效果。这是一个定子的温度分布，那我们通过这样的一个网格关联的点，就可以实现在整个子系统里面一维和三维之间的一个交互，这一块的话可能就是不是很直观，我这边直接来用软件给大家演示一下它到底是怎么实现的。

在shonTA里面，我们是通过把InP网格导入到整个shonTA这个软件里面以后，然后让这三个部件和整个结构上的三个不同的分组的面进行直接的一个关联，能够在软件内同时计算一个有限元和一个热网络，当我们希望把一个定子这一块三维化时，只需要把它化成一个InP网格，一起做一个分组，然后再导到shonTA软件里面以后，它就可以以这样的一个设置来实现整个定子这一块的局部的三维化，那局部三维化的一个效果是什么呢？我们来看一下。

我们来看一下局部三维化的一个温度分布，一维和三维混合以后大家有没有发现系统内的油的温度都在不断的下降，这代表什么呢，整个系统能量没有变化，那代表所有的温度会更加聚集的往固体上走，那我们来看一下固体这一块温度的一个区别。

大家可以看到在一维的结果里面，定子平均温度，在一维和三维后耦合了以后，有一个比较明显的3.72度的一个温升。同时可以在软件内提取出来最高和最低温度。这就实现了局部三维化的一个最终目的，就是我们要知道定子在整个系统内，使用它时，它的最高温度和最低温度分别是多少。最高温度的话在三维化了以后能够直接的被读取到。

局部三维化后计算的效率如上图。

这是一个非常典型的完整减速器案例，他是从齿轮、轴承、润滑油，还有壳体都已经彻底三维化后在shonTA中的一个体现，大家可以看到所有的温度分布都是有三维化的显示的。这种案例的话，其实如果说通过传统CFD来进行仿真计算的话，代价是非常大的。那这一块大家可以想像一下，我们这边的油是怎么样去实现对整个网络的影响，这边的话其实是通过把里面润滑油与壁面之间的一个对流换热系数提取出来以后，映射到了这个固体上，来体现油的影响的。

同样的话也可以做油冷电机这一块，整个系统层面的话目前其实没有太多的用户会去选择在前期一维和三维之间混合这样的一个状态下去计算，一般都会子系统的计算，比如说设计了一个电驱动，那电机部分是我们负责，那我们就把电机这块三维化，减速器那一块的话还是以一维的一个形式来体现。

shonTA软件的话，其实已经在市面上推广了一段时间，只不过前期我们都是走三维这一块路线的，并没有往一维化这一块去发展。那现在的话，我们除了三维化这一块的能力以外，已经把一维和三维之间进行了一个能力结合，那这一块儿的话，就是咱们今天看到的一个三维化和一维化之间的一个同步使用的这样的一个功能。其他的话，还有一个功能是我们的电机模板，电机模板这一块的话，其实是一个专门针对油冷电机开发的一个模块，打个比方说，我们有一个现成的油冷电驱动需要开发，这一块的话我们只有电机这部分是没有开发好的，其他都是已经做好集成的。那这一块的话，其实就可以用shonTA的电机模板功能来进行快速的验算，看看每个部件的温度和我们现在这个电驱动是否匹配。

shonTA这个软件，控制体这种概念，其实就是热网络里面该有的都有，然后除了一个比较特别的，就是这个有限元连接面，其他的都差不多。有限元连接面的话，它就是专门耦合那个FEM的，也是我们今天主要能够实现一维三维切换的这样的一个核心功能。

这个软件支持的东西很多，就是除了热网络这一块计算以外的话，其实还有像水套，交换器之类的一些集成的模块在里面，那这些功能的话，我们都会以一个一维的简单案例来演示一下给大家看一下。然后还有一维流体网络这一块的功能，其实目前这个软件已经把这块耦合在里面了。还有的话就是电磁这一块，已经在开发的计划功能。

这个软件其实我们做了非常多的验证，像这种齿轮箱的温度验证，是在早期的时候就做过的。

然后像这种圆柱的理论层面的一些验证，包括理论计算，这些都是能够非常良好的和实验结果匹配上的。那这一块的话，其实大家可以不用担心，就是这种软件它热网络，或者说有限元嘛，他的计算精度其实都是很高的，并不会说因为这是一个新软件就很不准，这是不可能的。

也有客户觉得这个软件是不是需要做一些验证，那我们在一些其他的企业里面做的一些验证的话，都是得到了比较不错的结果，可以看到左边是一个轮毂电机绕组的温度的，它的对标的结果的话是不错的，然后右边的话是一个车桥的。

4 软件发展计划及其他

目前其实还有很多功能是需要被改善的，比如说我们现在可能并不像传统的一些一维非常专业的软件一样支持一些公式的，那这一块开发的话其实已经在规划中了。然后还有电磁耦合这一块的话，其实是我最近听到的最多的一个应用需求，那这个应用需求的话，我们也会在后续的版本中去做一个支持。如果说大家有什么电磁相关的开发经验，然后有现成的开发好的软件的话，我们也可以合作一下。

我们这个软件的话，其实内置有很多类似于这样的经验公式，这个的话有兴趣的可以看一下。

 

我们其实有自身的一些二次开发的资源，可以做一些类似于像轴承这一块完全自动化封装，做流体做热相关的一些仿真的二次开发的经验。那这种的话其实是一些定制化的工具的一些问题，和刚刚我们看到那个电机模板是一码事，只不过这个的话是在三维化的定制。

 

最终希望能够形成一个多物理场耦合的一个平台。

　　

      审核编辑：彭静