电动马达的冷却:水冷还是油冷?

水能更好地冷却,但无法触及发动机内部;而机油则能渗入热量产生的地方,实际打造出更凉爽的发动机.
水能更好地冷却,但无法触及发动机内部;而机油则能渗入热量产生的地方,实际打造出更凉爽的发动机.

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关于电动汽车电机是水/乙二醇冷却好还是油冷却好这个问题,没有一句话能说清的答案:水是更高效的冷却剂,但由于其导电性,不能接触电机;而油虽然作为流体在物理上较弱,但由于能渗入热量产生的地方,实际上能产生更冷的电机.因此,现代驱动单元正逐渐向油冷方向倾斜,但并未完全放弃水/乙二醇回路.在本文中,我们比较了两种策略的工作原理、数值差异和设计决策.

亮点

  • 直接油冷与水套系统相比,可将高负荷下的绕组温度至少降低 14 °C,在高转速下最多降低 40 °C .
  • 油冷电机在2022年上半年占据了电动汽车市场 50%的份额 ,成为主导形式.
  • 在混合冷却中,喷油冷却约占总冷却容量的 80% .
  • 在可比的重型商用电机中,水冷版本提供 220 kW连续 功率,而油冷版本保持 400 kW连续 功率.

水/乙二醇为何是更好的冷却剂却更差的邻居?

在热传递能力方面,水几乎没有对手.其比热容和导热性明显高于油;也就是说,相同体积流动的水比油更快地带走更多热量.在混合物中加入乙二醇可调节冰点和腐蚀行为,但不改变流体的基本热特性.

问题在于水与电子世界的根本不兼容:乙二醇混合物导电.在绕组、连接器或电力电子器件接触表面的每一点,都会产生短路和电解腐蚀的风险.因此,水/乙二醇在驱动单元中只能用于与电气元件以金属壁隔开的区域.实践中,这个边界就是包裹定子外侧的水套.

水套如何工作,边界从哪里开始?

水套在概念上类似于传统内燃机的水道:乙二醇-水混合物在包裹定子铁芯外表面的封闭壳体空腔中循环,将热量带到外面的散热器.这样,铜绕组产生的热量首先沿定子叠片传导到外表面,然后传递给流体.该系统可靠、电气安全且成本低.

其弱点在于几何结构.转子由于气隙而与定子分离,完全不接触流体;转子及其上的永磁体基本上通过气隙和轴,即以传导的方式低效地冷却.在热仿真中,转子和磁体是水/乙二醇系统中最关键的温度点.高负荷下电机温度可能超过200 °C;这会导致永磁体部分退磁、绝缘加速老化以及连续功率下降.

工程师们有时会以富有创意的方式突破这一界限.奥迪在冷却水套之外增加了一条从转子中心穿过的水道,直接针对转子进行冷却;但这种设计属于例外,规则依然是水不能进入电气区域.

喷油冷却:在热量产生之处散热

油的物理优势可以归结为一个词:介电.绝缘性的油可以直接接触绕组、转子和磁体,同时还能承担润滑任务.热量不是在传导链的末端,而是在产生的位置传递给流体.仅这一差别就缩短了整个热阻链.

数字上的差异十分显著.在TotalEnergies和EnginSoft的仿真对比中,直接油冷配置在平均温度上 10 °C、在绕组温度上至少有 14 °C 的优势 - 而且这还是在油流量被刻意控制在较低水平的对比条件下.在约10,000 rpm的高速超车工况下,差距可达 40 °C .一项独立的学术研究也指出了同样的方向:在高速公路行驶时,直接冷却电机的温度比水套冷却低约30 °C,这直接反映在最大扭矩和功率上.

油是如何被输送到电机内部的?

针对端部绕组冷却,有几种成熟的方法:

  • 歧管滴油冷却: 冷却液以精确且均匀的方式滴到绕组端部;相比油浴方式所需油量更少.
  • 压力喷射: 由泵加压的油直接喷射到端部绕组上,提供垂直冲击冷却.
  • 通过空心轴向转子喷油: 油从轴的一侧进入,借助旋转结构得以分布;这是带发夹式绕组的PMSM电机中常见的解决方案.
  • 轴向油道转子冷却: 转子内部的轴向油道将油输送到绕组端部热点附近.

来自转子的离心力简化了这一过程:旋转部件就像辅助泵一样,帮助将油分布到绕组和铁芯上.在混合动力架构中,喷油对总冷却能力的贡献约为80% - 其余部分主要是水冷侧的任务.

电机类型如何改变热负荷:PMSM与感应电机

冷却策略始于根据电机类型而不同的定义问题.在永磁同步电机(PMSM)中,转子磁场不是通过感应产生的,而是由嵌入转子的磁体提供;转子损耗非常低,这使热管理更加容易.其代价则是磁体的温度敏感性:转子是系统中热学上最脆弱的区域,退磁风险决定了设计的温度极限.

异步电机中,由于转子电流是感应产生的,转子损耗在结构上更高,效率也低于PMSM.不过,这种电机不存在磁铁退磁的风险,热边界的管理也更宽松.正因如此,一些制造商在前轴选择高效率的PMSM、在后轴选择更耐热的异步电机,其工程逻辑就在于此:每台电机都按照自身的热特性进行冷却.

这种热差异也决定了冷却介质的选择.凡是转子和磁铁存在热风险的电机,能够进入水套无法触及区域的机油的的价值就越高.2022年上半年,油冷电机在电动汽车市场中达到50%的份额,正是这一趋势的具体体现;预计市场份额将继续增长,但纯水套电机预计仍将占据重要地位.

逆变器中的冷却板是如何工作的?

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驱动系统中对热最敏感的部件不是电机,而是逆变器.其中的硅IGBT或SiC MOSFET开关,在每一次电流通断时都会产生热量,而半导体的温度预算非常有限.因此,逆变器模块几乎总是采用水/乙二醇冷却板进行冷却.

其原理基于传导:功率半导体直接连接到冷却板(使用导热硅脂以降低接触电阻),热量通过传导传递到冷却板,冷却板内通道中流动的液体带走这些热量,并通过泵将其输送到远处的热交换器.由于液体带走热量的速度远快于空气,因此在紧凑型电力电子设备中几乎是唯一的选择.IGBT模块的冷却板设计仍然是提升逆变器性能的关键课题.

那么,为什么不直接用机油冷却逆变器呢?答案还是导热性和电路复杂性的问题:相关研究正在进行中——旨在用单一介质同时冷却电机和逆变器的联盟项目(如包含Dana、Diabatix、Lubrizol、Siemens和Flanders Make的SingleOilCnL)被认为很有前景——但预计不会在不久的将来成为主流策略.如今典型的架构是混合式的:介电油冷却转子和定子,并在热交换器中将热量传递给水/乙二醇回路;乙二醇则为逆变器冷却板和散热器供液.

为什么峰值功率与持续功率之间的差异取决于冷却系统?

宣传册上的kW数值是峰值功率:即电机的短时最大输出.持续功率则是电机在不发生过热的情况下可以无限期保持的功率,而决定两者差距的唯一因素就是热管理.冷却系统起到热缓冲的作用:冷却效果越好,峰值功率维持的时间就越长,持续功率就能保持在越高的水平.

我们来具体化一下.两款外形尺寸相近的重型商用发动机的数据清楚地说明了这一差异:

特性双水冷双油冷
峰值功率420 kW600 kW
持续功率220 kW400 kW
峰值扭矩620 Nm1200 Nm
持续扭矩360 Nm600 Nm

水冷电机在爬长坡时,绕组温度通常会在一分钟内超过限值;系统会削减扭矩(热扭矩限制),必要时车辆被迫降低功率.油冷消除了不必要的热阻,从而提升持续性能:在一条 10 公里、坡度 4% 的坡道上,油冷电机大约能保持 高 20% 的持续功率 以及 高 37.5% 的持续扭矩 .这一差距对于驾驶卡车或重型商用车而非城际列车的人——即在长坡和高平均车速真实存在的场景下——足以改变购买决策.

高效冷却还有一个间接收益:在相同的热预算下,可以设计出更小、更强劲的电机,这意味着重量和成本的节省.

什么情况下应该选哪种?

下表总结了两种方法的优缺点:

评判标准水/乙二醇水套直接油冷
热容量优异(比热容和导热性)较低,但通过直接接触得以弥补
电气安全导电——不能直接进入电机介电——直接接触绕组和转子
转子/磁体冷却较差;存在热点风险有效;可通过喷射定向冷却
持续功率较低,受热限制在相同尺寸下明显更高
复杂性与成本低,方案成熟高精度,需额外部件和成本

选择其实不是竞争问题,而是优化问题.油冷和水冷不应被视为彼此的替代方案,而应视为针对不同任务循环的不同答案:在低和中等负荷工况下,当成本和简单性优先时,水套通常已经足够.在长坡道、高平均车速和需要高转速的应用中,直接油冷的优势则变得明显.而且油冷的驱动单元通常仍然有水/乙二醇回路——正是这个回路把油吸收的热量最终传递到大气中,并为逆变板供冷.

此外,集成化趋势也在强化油的地位:随着电机和变速箱被整合到同一个总成中,用单一流体同时解决润滑和电机冷却正成为实际需求.在流体配方中,热管理已与润滑性能并列为首要设计标准.

结论:不是流体之争,而是布局之争

正确解读这场比较的方式不是寻找赢家,而是准确定位各项术语.水在纸面上是更好的冷却剂;油在实际中占据更好的位置——因为它是唯一能进入热量诞生之处的流体.平均10 °C、绕组中超过14 °C、高转速下攀升至40 °C的温差,不是物理优势的结果,而是接触优势的结果.在下一代驱动单元中,水/乙二醇回路还将存在一段时间,但热源旁的油的份额将持续增长.选择电机时,不要只看宣传册上的峰值功率,而要看持续功率以及使其成为可能的冷却架构:真正的性能就藏在那里.

参考资料