ZA00-ME100冷却系统计算报告20110624.doc

编 号 冷却系统计算报告冷却系统计算报告 项目名称 ZA00 ME100 纯电动微型客车设计开发 编制 日期 校对 日期 会签 日期 审核 日期 批准 日期 海马轿车有限公司 2011 年 6 月 目 录 1 引言 1 1 1 ZA00 ME100 电动车冷却系统概述 1 1 2 电机冷却系统的要求 1 2 部件选型 2 2 1 沿用件 2 2 2 新开发件 2 3 冷却性能校核 2 3 1 散热器散热面积校核 4 3 2 风扇参数计算校核 5 3 2 1 风扇外径的校核 5 3 2 2 风扇风量的校核 6 3 3 水泵参数计算 7 4 电子风扇和水泵控制 8 5 结论 8 参 考 文 献 9 1 1 引言 ZA00 ME100 电动车电机及控制器采用水冷系统 整个系统由散热器 电 子风扇 冷却管路 电动水泵 电机和控制器水套构成 本文通过对散热器及 水泵相关参数的计算 来校核整个冷却系统的冷却能力 1 1 ZA00 ME100 电动车冷却系统概述 本系统为电机及其控制器冷却系统 是在传统内燃机汽车冷却系统的基础 上 用电动水泵代替传统皮带式水泵 利用原车的电子风扇 散热器还有水箱 来设计的 电动水泵将冷却液增压并且以一定流量泵入电机冷却水套 冷却液 从电机控制器和电机水套壁周围流过并且从水套壁吸热而升温 然后经过散热 器进水软管流入散热器 在散热器中 冷却液向流过散热器周围的空气散热而 降温 最后冷却液经散热器出水软管返回水泵 如此循环不已 在汽车行驶时 或冷却风扇工作时 空气从散热器周围高速流过以增强对冷却液的冷却 与传 统汽车的冷却系统相比 由于电机启动不需要内燃机的暖机过程 所以不需要 节温器 因而冷却水从水套中出来后直接流入散热器 副水箱的作用为当散热 器内部水温上升时 冷却水由于热胀冷缩作用膨胀 系统压力升高 部分冷却 水通过副水箱的进水管流入副水箱 防止散热器内部压力过高 当冷却液温度 下降时 散热器内部压强变低 冷却液从副水箱内部被吸入散热器参与冷却液 的循环流动 1 2 电机冷却系统的要求 1 电机在高功率的工作环境下 其冷却液出口温度不高于 90 电机控制器c 在高功率的工作环境下 其冷却液出口温度不高于 70 冷却液在电机和控制c 器水套的进出水口的最大温差 为 6 综合以上 冷却系统最高水温不高 1 t c 于 76 水温暂定 c 2 电机及电机控制器工作时 冷却系统流量大于等于 12L min 3 冷却系统满足持续性工作要求 4 整个冷却系统密封性要好 不许存在漏液现象 5 为满足整车电气环境 要求电动水泵采用 12V 直流电 功率要小 2 6 电动水泵能够在冷却介质温度小于 80的情况下正常工作 c 2 部件选型 2 1 沿用件 本系统拟定初步沿用原型车 Z1 冷却系统的散热器以及副水箱 电子风扇 待计算分析之后再作相应调整 2 2 新开发件 水泵采用无刷直流电机水泵 该类型水泵的主要优点为电源采用 12V 直流 电源 电源要求适合于电动汽车的电气环境 体积 噪声小 3 冷却性能校核 由于拟定沿用原车散热器以及电子风扇 这里只需校核散热器在匹配原电 子风扇的情况下 在新系统中能否满足使用要求 系统采用的电机参数见表 1 额定功率 kw30 峰值功率 kw90 额定转矩 Nm80 峰值转矩 Nm240 额定转速 rpm3600 峰值转速 rpm7200 额定效率93 表 1 电机参数 考虑到本项目车辆使用工况以及电机系统效率图 可以得出不同工况下电 机的最大散热损失 3 工况 电机 转速 电机扭 矩 电机功 率 电机 效率 车速 持 续 时 间 要求备注 额定 扭矩 800806 700 816 07 长 时 间 达到热平衡 并且电机控制 器出水口温度不超过 70 电机出水口温度不超c 过 90c 额定 功率 360079 58300 972 30 长 时 间 达到热平衡 并且电机控制 器出水口温度不超过 70 电机出水口温度不超c 过 90c 峰值 扭矩 80024020 100 716 07 3 分 钟 电机控制器出水口温度不超 过 70 电机出水口温度c 不超过 90c 峰值 功率 3600238 75900 8572 30 3 分 钟 电机控制器出水口温度不超 过 70 电机出水口温度c 不超过 90c 水温暂定 表 2 Z1E 冷却系统校核工况及要求 由电机系统效率图和校核工况 可以看出在峰值扭矩和峰值功率时 散热 量较大 故只需校核电机系统处于峰值功率和峰值扭矩两种工况时的散热需求 依据 汽车设计手册 提供公式 Q 1 1 1 25 Q max水 式中 Q 电机系统需要的散热器最大散热量 kJ h max Q 电机系统水套散热量 KJ h 水 系数轻型车和轿车取下限 中型以上的车辆和工程车取上限 这里系数取下限 1 1 4 1 电机系统处在峰值功率工况下 水套散热量为电机总功率的 15 即 Q 13 5kw 水 Q 1 1 Q 14 85kw 53460kJ h max水 2 若电机系统处在峰值扭矩工况下 与上述计算类似 可得出 Q 23878kJ h max 原型车 Z1 冷却系统参数如下 标准散热量151200kJ h 42kw 散热器芯子规格 619 5mm 357mm 16mm 冷却水管尺寸 1 5mm 14 55mm 散热器芯子正面面积 f F 0 221 2 m 散热器参数 散热器散热面积 6 56 2 m 风扇风叶直径 D 300mm 风扇风量 风压为 4mmH2O 时 2700 h 3 m风扇参数 风扇内径 d 120mm 相对于传统汽车计算当中的沸腾风温 由于电机冷却系统最高温度要求为 76 此时冷却水并未沸腾 我们将此时的临界温度称为极限风温 c 参考汽车冷却系统的沸腾风温 极限风温的数值标准型冷却系统为 40 c 考虑到冷凝器的影响 故最终极限风温取 42 c 3 1 散热器散热面积校核 依据 汽车设计手册 提供公式 tkQS max0 式中 电机需要的散热器散热面积 0 S 2 m 5 k 散热系数 kJ 根据 Z1 散热器的性能试验 该散热器 k 取为chm 2 384 15kJ chm 2 液气平均温差 t c acpwcp ttt 式中 冷却液极限温度 这里取为 76 wcp tc 热平衡时空气温度 通过公式计算 acp t aaacp ttt 2 1 1 式中 极限风温 42 1a t 1a tc 散热器进出空气温差 按公式计算 a t 3600 maxaapafa VCFQt 式中 空气定压比热 1 0048kJ kg pa C pa Cc 质量风速 kg s aaV 2 m 其中空气密度为 1 29kg 据经验公式 8 a 3 m a Vsm 1 29kg 8 10 32kg s aaV 3 m sm 2 m 电机系统处于峰值功率工况时 Q 53460kJ h 6 48 30 76 maxa t c t c 根据公式 计算电机系统需要散热器散热面积为 4 52 6 56tkQS max0 2 m 2 m 电机系统处于峰值扭矩工况时 Q 23879 kJ h 2 89 32 55 maxa t c t c 计算得电机系统所需散热器散热面积为 6 1 91 6 56 0 S 2 m 2 m 故得出所需散热器面积小于原散热器面积 原散热器满足电机系统散热需求 3 2 风扇参数计算校核 3 2 1 风扇外径的校核 依据 汽车设计手册 风扇扫过的环形面积占散热器芯子正面面积的百分 比应大于 45 设计方案中确定的风扇直径 D 为 300mm 风扇内径 d 为 120mm 则风扇扫过的环行面积 S m2 2 2222 0594 0 4 12 0 1415 3 3 01415 3 4 m dD S 45 8 53 100 221 0 20594 0 100 2 f F S 由以上计算可知 风扇外径可以满足要求 3 2 2 风扇风量的校核 按下式来校核风扇的风量 0 Vhm 3 tC Q V pa max 0 式中 散热器最大散热量 kJ hQmax 空气密度 1 29 a 3 mkg a 3 mkg 空气定压比热 1 0048kJ kg pa C pa Cc 液气平均温差 t c 由风扇参数 风压为 4mmH2o 时 风扇的风量 2700 Vhm 3 电机系统处于峰值功率工况时 53460kJ h 30 76 代入公式得Qmaxt c 1341 0 Vhm 3 7 101 100 V VV 0 0 当电机系统处于峰值扭矩工况时 与上述计算过程类似 23879kJ h 26 55 计算得出Qmaxt c 565 9 0 Vhm 3 377 100 V VV 0 0 经计算得出系统所需风量小于风扇风量 故原风扇风量满足电机系统散热需求 3 3 水泵参数计算 为保证冷却水在整个冷却系统循环流动 将热量源源不断带出并散发掉 合适的水泵选择是必要的 水泵的选择主要包括水泵的流量和扬程 冷却液在电机和控制器水套的进 出水口的温差 为 6 1 t c 1max QtVCw 式中 水的密度 1 0 3 10 3 mkg 水的定压比热 1 2 w C w CckghW 水泵流量 V V 1 max tC Q w 峰值功率工况下 34 37L minV 峰值扭矩工况下 15 35L minV 考虑到峰值功率和峰值扭矩工况时不需要达到热平衡 因此当水泵流量满 足 15 35L min 时 即可达到电机系统散热需求 V 根据水泵厂家提供的扬程与流量变化曲线 初步选定采用深圳中科世纪科 8 技的 DC50D 1240 无刷直流水泵 该水泵的流量扬程曲线如下 水泵的规格参数如下 型号电压 V 电流 A 扬程 m 开口流量 L H 功率 W DC50D 1240123 84 00200045 6 该水泵还具有寿命长 无需保养 体积小效率高 功耗低和耐高温等特点 故该水泵可以满足系统的散热要求 4 电子风扇和水泵控制 电动水泵在电机启动后就直接启动 此时可能冷却系统内水温并未达到需 要的限值 且在天气寒冷情况下 电动水泵也无需长时间运行 水泵的长期运 行对其寿命也有较大影响 并且由于沿用 Z1 的散热器和电子风扇 散热器的 散热量和风量远远大于系统需要量 故准备为其增加一套控制电路 控制水泵 和风扇的运行 其控制策略如下 参数 内容 电机控制器温度 关 系 电机温度 备注 水泵启动 50 或 50 水泵停止 45 与 45 低速风扇启 动 55 或 55 低速风扇停 止 50 与 50 空 调 未 开 启 时 高速风扇启 动 65 或 65 温度暂定 9 高速风扇停 止 60 与 60 低速风扇启 动 50 或 50 低速风扇停 止 45 与 45 高速风扇启 动 60 或 60 空 调 开 启 时 高速风扇停 止 55 与 55 5