CN115800635A - 一种电动汽车驱动电机复合油冷系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电动汽车驱动电机复合油冷系统及其控制方法，复合油冷系统包括油冷电机，油冷电机包括机壳及设置在机壳内部的螺旋状油套，油套上端均匀设置有多组喷油口，油套内侧还设有圆形的凹点；控制模块中的电机温度预测模型获取电机最高温度，将电机最高温度与目标温度的温度差输入优化控制模块，建立包含温度差以及电动油泵和风扇运行状态相关的目标函数，并进行优化求解，获取电动油泵和风扇的转速，进而对冷却油流量和空气冷却流量进行调节，实现对油冷电机冷却的最优控制。本发明能够对对电机定子和转子进行高效冷却，将温度控制和系统能耗一起进行优化控制，提升了电机冷却的系统效率并满足了系统温度跟踪要求。

Description

一种电动汽车驱动电机复合油冷系统及其控制方法

技术领域

本发明属于电动汽车驱动电机技术领域，具体涉及一种电动汽车驱动电机复合油冷系统及其控制方法。

背景技术

随着能源供应和环境污染形式的日益严峻，新能源汽车越来越受到社会的关注。其中永磁同步电机因其结构简单，体积小、效率高、功能因素高等优点，得到了越来越广泛的重视。

由于新能源汽车牵引电机的功率密度越来越大，导致电机产生大量的热量，给电机散热带来了新的问题。现有技术中，纯电动汽车上的驱动电机较多地采用的冷却方式为水冷，但水冷技术存在一些技术上的问题，如冷却液存在壳体水道中，不能与电机直接接触，电机内部产生的热量通过材料传递到壳体水道中的冷却液被带走，属于间接冷却。因电机无法直接接触冷却液，容易导致热量堆积，形成局部热点。且水冷电机布置冷却水道导致电机壳体体积较大，这种结构较为复杂且密封要求高。此外，现有的电机冷却控制方法往往采用PID反馈控制或简单的逻辑判定，难以对温度进行精确跟踪，并无法考虑泵或者风扇等执行器的能耗。

发明内容

针对现有技术中存在不足，本发明提供了一种电动汽车驱动电机复合油冷系统及其控制方法。

本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。

一种电动汽车驱动电机复合油冷系统，包括：

油冷电机，包括机壳及设置在机壳内部的螺旋状油套，所述油套上端均匀设置有多组喷油口；

电动油泵和散热器，所述机壳、散热器和电动油泵通过电机冷却回路连通。

上述技术方案中，所述油冷电机还包括由内向外依次同轴设置的转轴、转子铁芯和定子铁芯，所述定子铁芯的外壁面与机壳贴合，且定子铁芯上缠绕有绕组。

上述技术方案中，所述转轴中心开设有钻孔，转轴沿圆周方向上开设有若干喷油孔，喷油孔与钻孔连通，钻孔与机壳连通。

上述技术方案中，所述喷油口设置5组，在油套两侧按照0°、45°、90°、135°和180°依次设置。

上述技术方案中，所述油套内侧设有圆形的凹点。

一种电动汽车驱动电机复合油冷系统的控制方法：

电机温度预测模型对油冷电机整体的热传导和对流进行数学求解，从而获取电机最高温度，将电机最高温度与目标温度的温度差输入优化控制模块，优化控制模块通过建立包含温度差以及电动油泵(10)和风扇(12)运行状态相关的目标函数，并进行优化求解获取电动油泵和风扇的转速，进而对冷却油流量和空气冷却流量进行调节，实现对油冷电机冷却的最优控制。

进一步地，所述目标函数为：

其中：t0、t1分别表示起始时刻和终止时刻，T_M表示电机最高温度，T_M0表示电机温度控制的目标温度，U表示风扇和电动油泵的转速，Q和R是权重系数。

进一步地，所述电机温度预测模型获取电机最高温度包括：

给定电机转速和扭矩，根据查表法确定油冷电机定子和转子产热；

由冷却油流量和电机冷却油入口温度，通过查表法确定对流换热系数，通过对流换热系数以及冷却油与离散单元之间的温度差确定对流边界条件；

油冷电机的定子和转子进行离散化，得到定子和转子的多个离散单元，相邻离散单元之间的热传导边界由材料性质和相邻离散单元的几何尺寸确定；

根据电机定子和转子产热、对流边界条件、离散单元和热传导边界，对电机整体的热传导和对流进行数学求解，获取每个离散单元的温度分布，温度最大值即为电机最高温度。

本发明的有益效果为：

(1)本发明的油冷电机通过多种油路设计组合达到对电机定子和转子进行高效冷却效果：定子端部喷油和转子甩油相结合，实现对定子绕组的高效冷却；转轴内部设计钻孔和喷油孔，利用离心力将冷却油甩向定子，对定、转子都起到冷却效果；油套和定子淋油相结合，通过喷油口将冷却油喷淋到定子绕组和铁芯上，实现对定子的冷却。

(2)本发明的油套内侧设有圆形凹点，从而增强冷却油在油套内部流动的涡流，极大增强了电机散热效果。

(3)本发明中采用温度预测和温度信号采集相结合的方式对电机系统温度进行监控并形成控制反馈，利用电机温度预测模型获取电机最高温度，降低了温度传感器数量。

(4)本发明电动汽车驱动电机复合油冷系统的控制方法包含温度跟踪以及执行器运行状态，具体地，控制模块中的电机温度预测模型对油冷电机整体的热传导和对流进行数学求解，从而获取电机最高温度，电机最高温度与目标温度之间的温度差作为优化控制模块输入，优化控制模块通过建立包含温度差以及电动油泵和风扇运行状态相关的目标函数，对其进行优化求解获取电动油泵和风扇的转速，进而对冷却油流量和空气冷却流量进行调节，实现对油冷电机冷却的最优控制；本发明将温度控制和系统能耗结合在一起进行优化控制，提升了电机冷却的系统效率并满足了系统温度跟踪要求。

附图说明

图1为本发明所述电动汽车驱动电机复合油冷系统结构示意图；

图2为本发明所述油套在一个视角下的结构示意图；

图3为本发明所述油冷电机剖视图中油套局部放大图；

图4为本发明所述油套俯视图；

图5为本发明所述控制模块与复合油冷系统的通讯连接示意图；

图6是图5所示的控制模块示意性的内部结构图；

图7为本发明所述电动汽车驱动电机复合油冷系统的控制方法流程图；

图8为本发明所述油冷电机的定子和转子离散示意图；

图中，1-转轴，2-喷油孔，3-转子铁芯，4-定子铁芯，5-绕组，6-油套，7-喷油口，8-机壳，9-凹点，10-电动油泵，11-散热器，12-风扇，13-电机冷却回路，801-机壳第一端口，802-机壳第二端口，803-机壳第三端口，804-机壳第四端口，805-机壳第五端口，1001-油泵第一端口，1002-油泵第二端口，1101-散热器第一端口，1102-散热器第二端口，100-控制模块，101-接口A，102-接口B，103-冷却油温度信号，104-输入接口，105-存储器，106-处理器，107-输出接口，108-总线。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施例，但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本发明描述的实施例。下面将参考构成说明书一部分的附图对本发明的各种具体实施方案进行描述。

如图1所示，本发明一种电动汽车驱动电机复合油冷系统包括油冷电机、电动油泵10、散热器11、风扇12和电机冷却回路13，其中油冷电机包括转轴1、喷油孔2、转子铁芯3、定子铁芯4、绕组5、油套6、喷油口7和机壳8。转轴1、转子铁芯3和定子铁芯4同轴设置，转子铁芯3的内壁面与转轴1贴合，转子铁芯3的外壁面与定子铁芯4的内壁面之间留有间隙，定子铁芯4的外壁面与机壳8贴合，且定子铁芯4上缠绕有绕组5。转轴1中心开设有钻孔，转轴1沿圆周方向上开设有若干喷油孔2，喷油孔2与钻孔连通，通过钻孔将冷却油通过机壳第二端口802导入，冷却油在转子离心力的作用下从喷油孔2甩出，可有效降低磁钢的工作温度，显著提高磁钢的寿命和电机的输出能力。机壳8内设有用于冷却的螺旋状油套6，油套6的进、出口分别通过机壳第二端口801和机壳第五端口805与冷却油回路13连通；油套6设置在机壳8内，通过对流冷却达到对机壳8和定子铁芯4较好的散热。本发明将油套6和淋油相结合，从而无需在机壳8内设置其他输送结构，能够降低油道在机壳8内的空间，使得结构更加紧凑可靠。

如图2所示，油套6上端均匀设置有多组喷油口7，本实施例中喷油口7设置5组，间隔45°分布，通过在油套6两侧依次设置0°、45°、90°、135°和180°的喷油口7，喷油口7环绕在绕组5两侧端部上方，喷油口7紧贴油套6内侧，通过重力和油套6内部液压的作用，冷却油从喷油口7喷出，保证喷淋到定子铁芯4和绕组5上，从而实现高效冷却。

图3和图4分别是本发明实施例提供的油冷电机剖视图中油套的局部放大图和油套俯视图。从图中可以看出，在油套6内侧设有圆形的凹点9，当冷却油在油套6内流动时，会流绕凹点9，并产生涡流，达到增强散热的效果。

如图1所示，电机冷却回路13各个部件之间的连接方式描述如下：电动油泵第二端口1002与散热器第一端口1101连通，管道节点A分别与散热器第二端口1102、壳体第一端口801和壳体第二端口802连通，管道节点B分别与电动油泵第一端口1001、壳体第三端口803和壳体第四端口804连通；散热器11处设有风扇12。

图5是控制模块和复合油冷系统各个执行器的通讯连接示意图，控制模块100通过输入接口104接收冷却油温度信号103(冷却油温度通过温度传感器采集，温度传感器设置在油套进口处)，获取电机冷却油入口温度；控制模块100的输出接口107通过接口A101、接口B 102分别与电动油泵10和风扇12实现通讯连接，控制模块100通过控制电动油泵10控制冷却油流量，控制模块100通过控制风扇12控制散热器11的空气冷却流量。

图6是图5所示的控制模块示意性的内部结构图。如图6所示，复合油冷系统的控制模块100包括总线108、输入接口104、存储器105、处理器106以及输出接口107。具体来说，存储器105用于存储程序、指令和数据，而处理器106从存储器105读取程序、指令和数据，并且能向存储器105写入数据；通过执行存储器105中的程序和指令，处理器106通过输入接口104和输出接口107实现信号交换。控制模块100可以通过输入接口104接收复合油冷系统的运行请求或者其他部件的信号，并通过输出接口107向各被控部件发出控制信号，从而实现控制指令。

图7是本发明提供的一种电动汽车驱动电机复合油冷系统的控制方法，控制模块中的电机温度预测模型通过离散化数学模型(例如热网络模型)对油冷电机整体的热传导和对流进行数学求解，从而获取电机最高温度，电机最高温度与目标温度之间的温度差作为优化控制模块(在控制模块中)输入，优化控制模块通过建立包含温度差以及电动油泵10和风扇12运行状态相关的目标函数，对其进行优化求解获取电动油泵10和风扇12的转速，对冷却油流量和空气冷却流量进行调节，从而达到对油冷电机冷却的最优控制。

电机温度预测模型获取电机最高温度包括以下内容：

(1)给定电机转速和扭矩，根据查表法确定油冷电机定子和转子产热；

(2)由冷却油流量(根据电动油泵10转速计算)和电机冷却油入口温度，通过查表确定对流换热系数，通过对流换热系数以及冷却油与离散单元201之间的温度差确定对流边界条件203；

(3)油冷电机的定子和转子通过图8所示的方式进行离散化，得到定子和转子的多个离散单元201，离散单元201的数量按照保证温度分布预测的准确度进行确定，确定的过程为现有技术；相邻离散单元201之间的热传导边界202由材料性质和相邻离散单元201的几何尺寸确定；

(4)根据电机定子和转子产热、对流边界条件203、离散单元201和热传导边界202，通过离散化数学模型对电机整体的热传导和对流进行数学求解(求解过程为现有技术)，获取每个离散单元的温度分布，温度最大值即为电机最高温度。

时间段t0至t1内优化控制的目标函数J如下：

其中，T_M代表电机温度预测模型获得的电机最高温度，T_M0代表电机温度控制的目标温度，U代表风扇12和电动油泵10的转速，Q和R是权重系数，通过Q调整温度跟踪权重，通过R调整风扇和水泵转速相关的控制约束权重。

目标函数J的最优解U通过求解线性二次型调节器(LQR)对应的Riccati方程获得，根据所述最优解U确定电动油泵10和风扇12的转速，对冷却油流量和空气冷却流量进行调节，从而达到对油冷电机冷却的最优控制。

所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种电动汽车驱动电机复合油冷系统，其特征在于，包括：

油冷电机，包括机壳(8)及设置在机壳(8)内部的螺旋状油套(6)，所述油套(6)上端均匀设置有多组喷油口(7)；

电动油泵(10)和散热器(11)，所述机壳(8)、散热器(11)和电动油泵(10)通过电机冷却回路(13)连通。

2.根据权利要求1所述的电动汽车驱动电机复合油冷系统，其特征在于，所述油冷电机还包括由内向外依次同轴设置的转轴(1)、转子铁芯(3)和定子铁芯(4)，所述定子铁芯(4)的外壁面与机壳(8)贴合，且定子铁芯(4)上缠绕有绕组(5)。

3.根据权利要求2所述的电动汽车驱动电机复合油冷系统，其特征在于，所述转轴(1)中心开设有钻孔，转轴(1)沿圆周方向上开设有若干喷油孔(2)，喷油孔(2)与钻孔连通，钻孔与机壳(8)连通。

4.根据权利要求1所述的电动汽车驱动电机复合油冷系统，其特征在于，所述喷油口(7)设置5组，在油套(6)两侧按照0°、45°、90°、135°和180°依次设置。

5.根据权利要求1所述的电动汽车驱动电机复合油冷系统，其特征在于，所述油套(6)内侧设有圆形的凹点(9)。

6.一种基于权利要求1-5任一项所述的电动汽车驱动电机复合油冷系统的控制方法，其特征在于：

电机温度预测模型对油冷电机整体的热传导和对流进行数学求解，从而获取电机最高温度，将电机最高温度与目标温度的温度差输入优化控制模块，优化控制模块通过建立包含温度差以及电动油泵(10)和风扇(12)运行状态相关的目标函数，并进行优化求解获取电动油泵和风扇的转速，进而对冷却油流量和空气冷却流量进行调节，实现对油冷电机冷却的最优控制。

7.根据权利要求6所述的控制方法，其特征在于，所述目标函数为：

其中：t0、t1分别表示起始时刻和终止时刻，T_M表示电机最高温度，T_M0表示电机温度控制的目标温度，U表示风扇(12)和电动油泵(10)的转速，Q和R是权重系数。

8.根据权利要求6所述的控制方法，其特征在于，所述电机温度预测模型获取电机最高温度包括：

给定电机转速和扭矩，根据查表法确定油冷电机定子和转子产热；

由冷却油流量和电机冷却油入口温度，通过查表法确定对流换热系数，通过对流换热系数以及冷却油与离散单元之间的温度差确定对流边界条件；

油冷电机的定子和转子进行离散化，得到定子和转子的多个离散单元，相邻离散单元之间的热传导边界由材料性质和相邻离散单元的几何尺寸确定；

根据电机定子和转子产热、对流边界条件、离散单元和热传导边界，对电机整体的热传导和对流进行数学求解，获取每个离散单元的温度分布，温度最大值即为电机最高温度。

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