引言

美國國家可再生能源實驗室（NREL）是美國能源部DOE聯盟重要的一個分支，主要通過接受DOE的資助進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“電機熱管理系統”所做的研究，分享其成果和技術路線。

隨著新能源汽車不斷發展，對電機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性能有兩種途徑，一種是增大電機尺寸，另外一種是改善材料的高溫性能。而這兩種途徑無疑是坎坷的，因此電機熱管理的重要性凸顯出來。通過合理的電機熱管理，減少電機尺寸，降低電機價格，來實現電機性能的提升。

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

“電機熱管理系統”目的：優化電機冷卻技術的選擇和開發，以最大限度地提升的電機指標（重量、體積、成本、效率）。

電機熱管理由被動熱管理和主動熱管理組成，其中：

• 被動熱管理涉及：電機設計/材料熱屬性/熱邊界
• 主動熱管理涉及：冷卻介質/冷卻位置等

主動電機熱管理

目前電機主動熱管理有風冷和液冷，液冷又分為水冷和油冷。現階段的油冷系統通過變速油直接冷卻電機，與傳統水冷相比，具有更好的冷卻效果。同時，油冷的設計也具有更大的發散性，不同廠家的油冷方案各不相同。

NREL所做的主動冷卻研究基于油冷進行展開，測試方案如下所示：

從上面試驗模型，我們可以提取出影響冷卻性能的參數有：孔徑d、噴射距離S、噴射區域直徑D、油液流速、油液油溫、噴孔規格、以及樣本狀態。針對上述參數，研究團隊進行了參數DOE優化。其中選擇了4種不同狀態測試樣本，樣本直徑、表面積、表面粗糙度各不相同。

試驗結果表面：小流量噴射的情況下，測試樣件狀態（表面積、粗糙度等）不影響散熱，均能達到近似散熱水平；隨著噴射流量的增加，平均換熱系數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℃）對平板靶面換熱系數的影響很小。

試驗過程中出現了油液飛濺的情況。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，并在整個表面上向外移動。相反，在10m/s時，一些流體在撞擊后立即偏離表面。在90℃的數據中，觀察到流體飛濺在較低速度下發生。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，這也解釋了上述“ 改變油液溫度對平板靶面換熱系數的影響很小 ”。

需要關注的是在油液溫度為50℃時，換熱系數隨噴嘴速度的增加而近似線性增加。在這個溫度下，上述表面飛濺沒有發生（飛濺提高了一定散熱能力）。這意味著不同流速下對應一個最佳溫度，而這個對應關系則與油液飛濺相關。

考慮到實際油冷電機工作過程，油液噴射并不會固定垂直噴射，因此研究團隊設計了多參數試驗。流速一定時，隨著孔板射流沖擊遠離中心（S），換熱系數降低。

隨著試驗的進行，圓柱形噴射的弊端逐步顯示出來，那就是冷卻不均勻（增加噴射孔的數量是一種解決方案）。基于現有的模型，研究團隊嘗試了噴嘴噴射（噴嘴自帶大噴射區域），冷卻效果很好。

關于驅動電機噴嘴噴射的冷卻方案，更詳細可以查閱專利號 CN201721342611-噴嘴式油冷電機冷卻系統（上汽乘用車） 。噴嘴方案的優勢不言而喻，技術上可以實施，但市面上卻無法看到應用該方案的冷卻系統，這里面涉及到了產品應用的一系列問題（油泵工作壓力大、噴嘴價格高、電機尺寸大等），相信未來該方案會出現在大家視野。

總結

“電機熱管理系統”的工作已經持續了10年，并還在繼續。作為基礎研究，其成果并不能直接用于產品應用，但為產品應用提供了扎實的理論基礎和參考價值。梳理GM新能源電機冷卻路線，從早期的VOLT到中期的SPARK，再到BOLT,電機冷卻方案均采用油冷主動冷卻，這從側面也可以看出油冷主動冷卻的重要性。

回過頭再看當時項目的目的：優化電機冷卻技術的選擇和開發，以最大限度地提升的電機指標（重量、體積、成本、效率），基本上達到了。據不完全統計，投入在“電機熱管理系統”直接或間接的資金達到500萬美元，并且成逐年遞增趨勢，DOE對基礎研究的重視程度可見一斑（這還僅僅是電機設計的一小部分）

那么下一步研究方向在哪呢？根據研究團隊發布的最新消息，“電機熱管理系統”將會聚焦以下兩個方面，有興趣的朋友可以持續關注。

• 粘結界面熱接觸電阻（50℃–200℃）

-通常，絕緣漆滲入槽襯層，影響部件之間的接觸電阻

• 系統熱驗證和可靠性

-定子槽與定子接口，系統驗證