CN106240341B - 一种电动汽车用永磁同步电机冷却系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电动汽车用永磁同步电机冷却系统及其控制方法，冷却系统包括控制单元、电机绕组电流计、冷却水泵、冷却水套、冷却水温传感器、冷却液流量计、散热器以及冷却风扇。控制方法通过检测通过电机定子绕组的电流来判断永磁同步电机在该工况下是有升温还是降温的趋势，调节冷却系统的冷却能力，从而实现冷却系统的主动调节；同时还引入辅助反馈调节，通过电机效率MAP图查询电机的工作点，得到电机在对应工况下的效率，计算电机的发热量，然后将电机发热量与散热器的散热量的差值反馈至控制单元对冷却系统的调节进行修正。本发明在电机温度发生变化之前对冷却系统进行主动冷却控制，在保证充足的电机散热能力的同时节约能源。

Description

一种电动汽车用永磁同步电机冷却系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及电动汽车用永磁同步电机冷却系统领域，具体涉及一种电动汽车用永磁同步电机冷却系统及其控制方法。

背景技术

电机取代原来的内燃机作为汽车的动力源，具有零排放，便于控制，噪声小等优点。由于永磁同步电动具有启动转矩大、抗过载能力强、能量转化效率高等优点，电动汽车一般采用永磁同步电机作为驱动电机。

永磁同步电机电机容易产生高热，同时多数采用全封闭式结构，此时散热条件更为恶劣，单单靠电机外部空气的自然对流冷却已经满足不了电机的散热需要。永磁同步电机对温度十分敏感，可能使使永磁体产生不可逆性退磁。同时温度过高会导致电机中的绝缘材料加速老化，这些影响直接或间接的影响电机的效率和使用寿命。因此需要一个良好的电机冷却系统保证电机能够长时间运行在高效区，这与当前节能环保的主题是紧密结合的。

电机的转速和转矩需要满足电动汽车行驶的需要，在不同的工况下，电机所要提供的转速和转矩是不同的，不同点转矩和转速又会影响电机的电流，以及电机电磁状态的变化，

电机的发热的原因是电机的损失，这些损失可以分为绕组铜损失、铁损失、机械损失和杂散损耗，其中以绕组铜损失和铁损失为主。这两种损失占据了永磁同步电机损失的80％以上。由于电动汽车上的空间有限，永磁同步电机的安装位置十分紧凑，这对于其散热是极其不利的。单纯依靠自身向外界传热方式已经不能满足该电机的散热需要。需要有一套散热结构以及散热控制方案来增强电机的散热能力。对于小功率电机仍有采用风冷的冷却方式，由于该电机的产热较小，因此也能满足散热需要。电动汽车驱动电机具有很高的功率密度宜采用水冷方式进行有效的降温，目前广泛采用在定子壳设计冷却水套，并利用循环水对电机强制散热。水流带走热量后又通过散热器把热量带到环境当中。采用的散热器与普通汽车的散热器相同。通过保持冷却水泵在一定转速运行，向冷却系统供以充足的冷却液可以实现高冷却速率的冷却，但是这种控制方案在电机工作在发热功率较低的工况下的时候却造成了能量的浪费。在控制方法上一般是根据电机内部的温度传感器检测出的温度值调节进入电机冷却水套的水的流量和流速。但是这种调节方式存在一个明显的滞后，就是只有当电机的温度已经上升了，控制单元才会发出增强冷却系统冷却能力的指令。另外，如果电机持续工作或者发热量较大，就会使冷却水的温度持续升高，水温升高又会降低冷却系统的冷却效率。因此，一般的散热器还会加装风扇以增强散热器与外界的热交换能力，再根据冷却液水温调节冷却风扇的转速，以增强散热器与环境之间的热交换。由于冷却风扇的噪声较大，出于舒适性的角度出发，一般在满足需要的情况下尽量降低冷却风扇的转速。

因此，需要基于电机和散热器的热状态调节冷却水泵和冷却风扇的转速，调节冷却液的流量和温度。需要一套更加智能的冷却系统及其控制方案来实现对电机温度的准确预测和精准散热，对电机进行主动冷却。这样，既可以保护电机不受温升影响，同时又能节约能量，提高能量的利用率。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，针对现有技术存在的上述不足，提供一种电动汽车用永磁同步电机冷却系统及其控制方法，在保证充足的电机散热能力的同时节约能源，保证乘车舒适性。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：

一种电动汽车用永磁同步电机的冷却系统，包括控制单元、电机绕组电流计、冷却水泵、冷却水套、冷却水温传感器、冷却液流量计、散热器以及冷却风扇，散热器通过水箱与冷却水泵连接，冷却水泵与永磁同步电机的冷却水套入口连接，冷却水套出口与散热器入口连接，冷却水泵连接在散热器与冷却水套入口之间；冷却水温传感器设有两个，分别安装在冷却水套的入口和出口，冷却液流量计安装在冷却水套出口处，控制单元与电机绕组电流计和冷却水泵连接，冷却水温传感器、电机绕组电流计、冷却液流量计均与控制单元的输入端连接，控制单元的输出端与冷却水泵及冷却风扇连接，控制单元根据冷却系统中冷却水温传感器、电机绕组电流计、冷却液流量计传来的信号，对冷却水泵和冷却风扇的转速进行控制，控制单元控制冷却风扇对散热器内的冷却液进行散热。

本发明还提供了一种上述电动汽车用永磁同步电机的冷却系统的控制方法，通过电机绕组电流计检测通过电机绕组的电流来判断永磁同步电机升温或降温的趋势，进而对电机冷却水泵的转速进行调节，改变冷却系统的冷却能力，具体包括如下步骤：

1)首先对冷却系统初始化；

2)在启动电动汽车延迟一个很短的时间后，控制单元给冷却水泵以设定的基准转速运行，维持冷却系统的基本散热能力；

3)电机绕组电流计实时检测电机绕组的电流，并传送至控制单元，控制单元查询电流-冷却水泵转速对应关系表，发出控制指令，调节冷却水泵转速，驱动散热器中的冷却液与永磁同步电机中的冷却手套中的冷却液进行循环，电机定子壳内壁与冷却液发生对流传热，电机产生的热量由冷却液带走；

4)根据冷却水温传感器检测的冷却液入口和出口的温度T₁和T₂，冷却液流量计检测的流经冷却水套冷却液的流量q，计算冷却液带走的热量Q_e＝(T₂-T₁)×q×ρ×c，其中ρ是冷却液的密度，c是冷却液的比热容；然后根据公式Q_c＝I²RT计算得到电机铜损耗产生的热量，其中I是电机绕组电流计检测的电机绕组的电流，R是铜线电阻，T是时间，根据永磁同步电机铜损耗发热占总发热量的45％，则电机总的发热量Q_m＝Q_c/0.45；最后对产热和散热进行定量比较，当永磁同步电机产生的热量大于冷却液带走的热量时，增大冷却水泵的转速；当永磁同步电机产生的热量小于冷却液带走的热量时，减小冷却水泵的转速；

5)引入辅助反馈控制调节，通过电机效率MAP图查询永磁同步电机的工作点，得到电机在对应转速和转矩下的效率，准确计算永磁同步电机的发热量Q_mr＝(1-η)×P×T，其中η是电机在该工作点的效率，P是电机的功率，T是时间，与步骤4)中计算得到的冷却液带走的热量(散热量)进行比较，然后将电机的发热量Q_mr和冷却液带走的热量Q_e的差值反馈至控制单元，对冷却系统的调节进行修正；

6)当电动汽车停车时，电机绕组的电流比较小甚至为零，但是并不立即停止冷却水泵的旋转，而是以基准转速运转若干秒后再停止。

按上述方案，所述步骤3)中控制单元根据电机绕组电流计实时检测的电机绕组电流的变化判断永磁同步电机的温度变化趋势，当永磁同步电机出现升温时，通过控制单元增大冷却水泵的转速(增强散热能力)；反之如果判断永磁同步电机有降温趋势，则通过控制单元降低冷却水泵转速(节约能源)。

按上述方案，所述步骤3)中，控制单元发出的调节冷却水泵转速的指令先于永磁同步电机温度变化，在永磁同步电机温度发生变化之前或者需要增强散热器热交换能力的时刻之前发出控制指令，对冷却系统进行主动冷却控制；并且当电动汽车停车时能够使冷却水泵持续运转若干秒，满足电机的散热需求(冷却系统的调节发生于电机温度变化之前，在考虑到执行过程的迟滞时间后，可以认为发热与散热发生的时间更加接近，控制方式均属于主动冷却控制方式，通过调节冷却水泵的转速间接调节冷却系统的冷却能力实现智能散热)。

按上述方案，所述步骤3)中，电流-冷却水泵转速对应关系表是提前根据永磁同步电机以及车型计算得到的对应关系，并存储到控制单元。

按上述方案，所述步骤3)中，冷却水泵还设置有一个基准转速，即在电动汽车临时停车或电机绕组电流计实时检测电机绕组的电流为零的时候冷却水泵降低至最低的基准转速，保证冷却系统的散热能力；在冷却水泵达到预设的转速上限后冷却水泵的转速不再随着电流增大而增大(因为此时增大转速不能提高冷却系统的冷却能力)。

本发明的工作原理：考虑到电动汽车运行过程中电机的发热量是一个随着工况和工作环境变化而变化的，如果将冷却系统的冷却水泵转速设为固定值，势必会出现两种状态，第一种状态是水泵转速设置得过低，冷却系统散热能力不足，在电机长时间工作在大功率工况下导致电机过热，甚至发生不可逆性损坏，严重降低电动机的使用寿命；第二种状态是水泵转速设置为能够满足电机冷却最高需求的转速，但是由于电动汽车并不是一直能够工作在最大功率的状态下，这样势必会造成能量的浪费。因此，本发明采用一种冷却先于电机发热的主动冷却方式，依据电机的电流判断电机的工况，即判断电机温度变化的趋势，根据预先设定的电流与水泵转速对应表确定需要的转速，通过控制单元实现对冷却水泵的控制，同时根据冷却液带走热量与电机发热量进行比较，调节整个冷却系统能够满足散热需要。同时还设置了冷却水泵转速上限，这样可以防止能量的浪费，因为当冷却水泵的转速超过一定值之后冷却系统的能力不再随着流经电机表面的冷却液的增加而提高。同时还通过两个冷却水温传感器检测电机水套的入水口和出水口的温度差，对散热器冷却风扇的转速进行控制。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

1、冷却系统的控制是基于电机绕组的电流进行控制的，该方案能够在电机温度发生变化的之前，通过改变冷却水泵的转速，以提供相应的冷却液，匹配电机需要的冷却能力，协调冷却风扇的转速，使控制更加智能，在反应速度上明显优于原来的基于嵌入电机内部的温度传感器的控制方式；同时基于电流控制的控制方式，具有更加精确的优点，完全根据需要提供相应流速的冷却液，节约了能量，使控制更加智能化；

2、同时引入了辅助反馈调节，通过比较电机整体发热量和散热量的大小关系，调节冷却系统的散热能力；

3、在保证电机散热效果的同时，使得冷却风扇的转速最低，使乘车舒适性最大化。

附图说明

图1为本发明电动汽车用永磁同步电机冷却系统的结构框图；

图1中，1-散热器、2-冷却风扇、3-水箱、4-冷却水泵、5、8-冷却水温传感器、6-冷却水套、7-电机、9-冷却液流量计、10-控制单元；

图2为本发明电动汽车用永磁同步电机冷却系统的控制流程图；

图3为本发明电动汽车用永磁同步电机冷却系统的辅助反馈控制流程图；

图4是本发明具体实施例中样机的电机效率MAP图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本发明，并不限定本发明的保护范围。

参照图1所示，本实施例的电动汽车用永磁同步电机的冷却系统，包括控制单元10、电机绕组电流计、冷却水泵4、冷却水套6、冷却水温传感器5和8、冷却液流量计9、散热器1以及冷却风扇2，散热器1通过水箱3与冷却水泵4连接，冷却水泵4与永磁同步电机7的冷却水套6入口连接，冷却水套6出口与散热器1入口连接，冷却水泵4连接在散热器1与冷却水套6入口之间；冷却水温传感器5、8分别安装在冷却水套6的入口和出口，冷却液流量计安装在冷却水套6出口处，控制单元10与电机绕组电流计和冷却水泵4连接，冷却水温传感器5和8、电机绕组电流计、冷却液流量计9均与控制单元10的输入端连接，控制单元10的输出端与冷却水泵4及冷却风扇2连接，控制单元10根据冷却系统中冷却水温传感器5和8、电机绕组电流计、冷却液流量计9传来的信号，对冷却水泵4和冷却风扇2的转速进行控制，控制单元10控制冷却风扇2对散热器1内的冷却液进行散热。

参照图2的控制方法流程图，本发明电动汽车用永磁同步电机冷却系统的控制方法，包括如下步骤：

1)首先对冷却系统初始化；

2)在启动电动汽车延迟一个很短的时间后，控制单元给冷却水泵以设定的基准转速运行(根据电机功率设定)，维持冷却系统的基本散热能力；

3)电机绕组电流计实时检测电机绕组的电流，并传送至控制单元，控制单元查询电流-冷却水泵转速对应关系表，发出控制指令，调节冷却水泵转速，驱动散热器中的冷却液与永磁同步电机中的冷却手套中的冷却液进行循环，电机定子壳内壁与冷却液发生对流传热，电机产生的热量由冷却液带到散热器散热；

4)冷却水温传感器检测的冷却液入口和出口的温度T₁和T₂，冷却液流量计检测的流经冷却水套冷却液的流量q，计算冷却液带走的热量Q_e＝(T₂-T₁)×q×ρ×c，其中ρ是冷却液的密度，c是冷却液的比热容；然后根据公式Q_c＝I²RT计算得到电机铜损耗产生的热量，根据永磁同步电机铜损耗发热占总发热量的45％，则电机总的发热量Q_m＝Q_c/0.45，对产热和散热进行定量比较，当永磁同步电机产生的热量大于冷却液带走的热量时，增大冷却水泵的转速；当永磁同步电机产生的热量小于冷却液带走的热量时，减小冷却水泵的转速；

5)引入辅助反馈控制调节，通过电机效率MAP图查询永磁同步电机的工作点，得到电机在对应转速和转矩下的效率，准确计算永磁同步电机的发热量Q_mr＝(1-η)×P×T，其中η是电机在该工作点的效率，P是电机的功率，T是时间，与步骤4)中计算得到的冷却液带走的热量进行比较，然后将电机的发热量Q_mr和冷却液带走的热量Q_e的差值反馈至控制单元，对冷却系统的调节进行修正；

6)当电动汽车停车时，电机绕组的电流比较小甚至为零，但是并不立即停止冷却水泵的旋转，而是以基准转速运转若干秒后再停止。

本发明以电机绕组电流为检测对象确定电机的瞬时发热量，并且根据铜损耗产热经验公式Q＝I²RT对电机将要产生的温度变化进行预测。如图3所示，电流信号反馈给控制单元，控制单元对永磁同步电机将要产生的温升进行预测，同时通过查找预先存储在控制单元中的电流-冷却水泵转速对应关系表的对应数据，发出控制指令，调节流经电机的冷却液的流速。同时还引入反馈控制调节，基于图4所示的电机MAP图查到对应于转速和转矩的电机的效率，从整体上计算电机产生的热损失。同时在冷却水套的入口和出口分别安装冷却水温传感器，以及在冷却水套出口处安装冷却液流量计，根据冷却水温传感器检测的冷却液入口和出口的温度差以及冷却液流量计检测的流经冷却水套冷却液的流量计算冷却液带走的热量，对产热和散热进行定量比较，当电机产生的热量大于冷却液带走的热量的时候，增大冷却水泵的转速；当电机产生的热量小于冷却液带走的热量的时候，减小冷却水泵的转速。通过这种动态的调节可以实现电机散热的精确控制。整个调节过程发生在电机温度发生微小变化范围内，是一种在电机温度发生变化之前进行调节的主动冷却方式。可以有效避免电机短时间温升较大时，由于电机冷却不足，造成电机损坏的现象。另外需要控制的就是散热器旁冷却风扇的启停以及转速。冷却风扇可以增强散热器与环境之间发生的热交换，但是它在一定转速时会产生很大的噪声，这严重影响乘坐的舒适性，因此需要在不必要的情况下尽量降低它的转速。这里设定一个控制指标，就是电机冷却液入水口和出水口的温度差，这个温度差越大越说明冷却液与电机之间发生的热交换越强烈，就是散热效果较好，此时还说明散热器在该热交换条件下可以满足电机的冷却需要。当温度差小于一个预设值的时候就需要起动或者增大冷却风扇的转速，而且是温度差越小，冷却风扇的转速越高。特别的，在对流散热中，冷却液流速对传热系数的影响是由一定的关系，并不是对流散热系数可以随着冷却液的流速的增大而无限制的增大，当流速超过一定值的时候，传热系数发生的增长会变的很小。因此冷却水泵和冷却风扇转速设定一个上限值。当达到这种情况时，基本上预示着电机的冷却系统的冷却能力已经不能满足电机的散热需要，可能会导致电机温升超过规定值，此时控制单元发出控制命令，降低电机的输出功率，对电机进行保护。

本发明控制命令都是通过控制单元发出的，且控制命令是通过查询预先存储到控制单元的表格数据产生。冷却水泵在控制单元的控制指令下调节转速，驱动散热器中的冷却液与永磁同步电机中的冷却液进行循环，电机定子壳内壁与冷却液发生对流传热，电机产生的热量由冷却液带走。为了实现对电机散热的精确控制，需要有精确的命令信号来控制冷却液的流量流速。根据电机出现能量损失的几种不同形式包括(铜损失、铁损失、机械损失)其中以铜损失和铁损失为主，铜损失占总损失的40％以上。而铜损失主要受电流的影响，与电流的平方成正比。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，依本发明的精神所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。

Claims (6)

1.一种电动汽车用永磁同步电机冷却系统，其特征在于，包括控制单元、电机绕组电流计、冷却水泵、冷却水套、冷却水温传感器、冷却液流量计、散热器以及冷却风扇，散热器通过水箱与冷却水泵连接，冷却水泵与永磁同步电机的冷却水套入口连接，冷却水套出口与散热器入口连接，冷却水泵连接在散热器与冷却水套入口之间；冷却水温传感器设有两个，分别安装在冷却水套的入口和出口，冷却液流量计安装在冷却水套出口处，控制单元与电机绕组电流计和冷却水泵连接，冷却水温传感器、电机绕组电流计、冷却液流量计均与控制单元的输入端连接，控制单元的输出端与冷却水泵及冷却风扇连接，控制单元根据冷却系统中冷却水温传感器、电机绕组电流计、冷却液流量计传来的信号，对冷却水泵和冷却风扇的转速进行控制，控制单元控制冷却风扇对散热器内的冷却液进行散热。

2.一种根据权利要求1所述的电动汽车用永磁同步电机冷却系统的控制方法，其特征在于，通过电机绕组电流计检测通过电机绕组的电流来判断永磁同步电机升温或降温的趋势，进而对电机冷却水泵的转速进行调节，改变冷却系统的冷却能力，具体包括如下步骤：

1)首先对冷却系统初始化；

2)在启动电动汽车延迟一个很短的时间后，控制单元给冷却水泵以设定的基准转速运行，维持冷却系统的基本散热能力；

3)电机绕组电流计实时检测电机绕组的电流，并传送至控制单元，控制单元查询电流-冷却水泵转速对应关系表，发出控制指令，调节冷却水泵转速，驱动散热器中的冷却液与永磁同步电机的冷却手套中的冷却液进行循环，电机定子壳内壁与冷却液发生对流传热，电机产生的热量由冷却液带走；

4)根据冷却水温传感器检测的冷却液入口和出口的温度T₁和T₂，冷却液流量计检测的流经冷却水套冷却液的流量q，计算冷却液带走的热量Q_e＝(T₂-T₁)×q×ρ×c，其中ρ是冷却液的密度，c是冷却液的比热容；然后根据公式Q_c＝I²RT计算得到电机铜损耗产生的热量，其中I是电机绕组电流计检测的电机绕组电流，R是铜线电阻，T是时间，根据永磁同步电机铜损耗发热占总发热量的45％，则电机总的发热量Q_m＝Q_c/0.45；最后对产热和散热进行定量比较，当永磁同步电机产生的热量大于冷却液带走的热量时，增大冷却水泵的转速；当永磁同步电机产生的热量小于冷却液带走的热量时，减小冷却水泵的转速；

5)引入辅助反馈控制调节，通过电机效率MAP图查询永磁同步电机的工作点，得到电机在对应转速和转矩下的效率，准确计算永磁同步电机的发热量Q_mr＝(1-η)×P×T，其中η是电机在该工作点的效率，P是电机的功率，T是时间，与步骤4)中计算得到的冷却液带走的热量进行比较，然后将电机的发热量Q_mr和冷却液带走的热量Q_e的差值反馈至控制单元，对冷却系统的调节进行修正；

6)当电动汽车停车时，电机绕组的电流比较小甚至为零，但是并不立即停止冷却水泵的旋转，而是以基准转速运转若干秒后再停止。

3.根据权利要求2所述的电动汽车用永磁同步电机冷却系统的控制方法，其特征在于，所述步骤3)中控制单元根据电机绕组电流计实时检测的电机绕组电流的变化判断永磁同步电机的温度变化趋势，当永磁同步电机出现升温时，通过控制单元增大冷却水泵的转速；反之如果判断永磁同步电机有降温趋势，则通过控制单元降低冷却水泵转速。

4.根据权利要求2所述的电动汽车用永磁同步电机冷却系统的控制方法，其特征在于，所述步骤3)中，控制单元发出的调节冷却水泵转速的指令先于永磁同步电机温度变化，在永磁同步电机温度发生变化之前或者需要增强散热器热交换能力的时刻之前发出控制指令，对冷却系统进行主动冷却控制；并且当电动汽车停车时能够使冷却水泵持续运转若干秒，满足电机的散热需求。

5.根据权利要求2所述的电动汽车用永磁同步电机冷却系统的控制方法，其特征在于，所述步骤3)中，电流-冷却水泵转速对应关系表是提前根据永磁同步电机以及车型计算得到的对应关系，并存储到控制单元。

6.根据权利要求2所述的电动汽车用永磁同步电机冷却系统的控制方法，其特征在于，所述步骤3)中，冷却水泵还设置有一个基准转速，即在电动汽车临时停车或电机绕组电流计实时检测电机绕组的电流为零的时候冷却水泵降低至最低的基准转速，保证冷却系统的散热能力；在冷却水泵达到预设的转速上限后冷却水泵的转速不再随着电流增大而增大。