ZA00-ME100冷却系统计算报告20110624

编号：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............................................................11.1ZA00-ME100电动车冷却系统概述.................................11.2电机冷却系统的要求............................................12部件选型........................................................22.1沿用件........................................................22.2新开发件......................................................23冷却性能校核....................................................23.1散热器散热面积校核............................................43.2风扇参数计算校核...........................................53.2.1风扇外径的校核............................................53.2.2风扇风量的校核............................................63.3水泵参数计算..................................................74电子风扇和水泵控制..............................................85结论............................................................8参考文献........................................................911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。1.1ZA00-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90c；电机控制器在高功率的工作环境下，其冷却液出口温度不高于70c；冷却液在电机和控制器水套的进出水口的最大温差1t为6c；综合以上，冷却系统最高水温不高于76c；（水温暂定）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。6）电动水泵能够在冷却介质温度小于80c的情况下正常工作。22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70c，电机出水口温度不超过90c水温暂定额定功率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70c，电机出水口温度不超过90c峰值扭矩80024020.100.716.073分钟电机控制器出水口温度不超过70c，电机出水口温度不超过90c峰值功率3600238.75900.8572.303分钟电机控制器出水口温度不超过70c，电机出水口温度不超过90c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Qmax=（1.1~1.25）Q水式中：Qmax—电机系统需要的散热器最大散热量，kJ/h；Q水—电机系统水套散热量，KJ/h；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1.11）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水=13.5kwQmax=1.1Q水=14.85kw=53460kJ/h2）若电机系统处在峰值扭矩工况下，与上述计算类似，可得出Qmax=23878kJ/h原型车Z1冷却系统参数如下：4散热器参数标准散热量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fF0.2212m散热器散热面积6.562m风扇参数风扇风叶直径D=300mm风扇风量（风压为4mmH2O时）≥27003m/h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76c，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。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40c。考虑到冷凝器的影响，故最终极限风温取42c。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：0S—电机需要的散热器散热面积，2m；k—散热系数，kJ/(chm2),根据Z1散热器的性能试验，该散热器k取为384.15kJ/(chm2)；t—液气平均温差，c。acpwcpttt式中：wcpt—冷却液极限温度，这里取为76c5acpt—热平衡时空气温度，通过公式计算aaacpttt211式中：1at—极限风温,1at=42cat—散热器进出空气温差，按公式计算)3600/(maxaapafaVCFQt式中：paC—空气定压比热，paC=1.0048kJ/kgcaaV—质量风速，kg/2ms,其中空气密度为a=1.29kg/3m，据经验公式，aV=8sm/aaV=（1.29kg/3m）(8sm/)=10.32kg/2ms电机系统处于峰值功率工况时，Qmax=53460kJ/h，at=6.48c，t=30.76c，根据公式，计算电机系统需要散热器散热面积为tkQS/max0=4.522m6.562m电机系统处于峰值扭矩工况时：Qmax=23879kJ/h，at=2.89c，t=32.55c，计算得电机系统所需散热器散热面积为：0S=1.912m6.562m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。6则风扇扫过的环行面积S（m2）：222220594.0412.01415.33.01415.34mdDS%45%8.53%100221.020594.0%1002fFS，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0V,(hm/3)tCQVpamax0式中：Qmax—散热器最大散热量，kJ/ha—空气密度，3/mkg，a=1.293/mkgpaC—空气定压比热，paC=1.0048kJ/kgct—液气平均温差，c由风扇参数，风压为4mmH2o时，风扇的风量V＝2700hm/3，电机系统处于峰值功率工况时，Qmax=53460kJ/h，t=30.76c，代入公式得0V=1341hm/3%100VVV00101%当电机系统处于峰值扭矩工况时，与上述计算过程类似：Qmax=23879kJ/h，t=26.55c，计算得出0V=565.9hm/3；%100VVV00377%7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1t为6c1maxQtVCw；式中，—水的密度；=1.03103/mkg；wC—水的定压比热；wC=1.2ckghW/；V—水泵流量；V=1maxtCQw；峰值功率工况下：V=34.37L/min峰值扭矩工况下：V=15.35L/min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V=15.35L/min时，即可达到电机系统散热需求。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：8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：内容参数（℃）备注电机控制器温度关系电机温度水泵启动≥50或≥50温度暂定水泵停止≤45与≤45空调未开启时低速风扇启动≥55或≥55低速风扇停止≤50与≤50高速风扇启动≥65或≥65高速风扇停止≤60与≤60空调开启时低速风扇启动≥50或≥50低速风扇停止≤45与≤45高速风扇启动≥60或≥60高速风扇停止≤55与≤555结论经过计算，初步确定原型车的冷却系统能够满足电机系统冷却的需要。其中，9散热器和电子风扇性能大于电机冷却需求，但综合考虑材料成本与性能优