引言

美国国家可再生能源实验室（NREL）是美国能源部DOE联盟重要的一个分支，主要通过接受DOE的资助进行新型能源热分析和材料的研究。本文主要介绍NREL在新能源“电机热管理系统”所做的研究，分享其成果和技术路线。

随着新能源汽车不断发展，对电机性能提升的需求日益增加。在热管理限制的条件下提高电机性能有两种途径，一种是增大电机尺寸，另外一种是改善材料的高温性能。而这两种途径无疑是坎坷的，因此电机热管理的重要性凸显出来。通过合理的电机热管理，减少电机尺寸，降低电机价格，来实现电机性能的提升。

NREL的“电机热管理系统”项目最早于2010年在DOE正式立项，代号APE030（2010-2013），后面类似项目还有EDT064（2014-2017、ELT075（2017-2019）、ELT214（2019-2023）。

“电机热管理系统”目的：优化电机冷却技术的选择和开发，以最大限度地提升的电机指标（重量、体积、成本、效率）。

电机热管理由被动热管理和主动热管理组成，其中：

• 被动热管理涉及：电机设计/材料热属性/热边界

• 主动热管理涉及：冷却介质/冷却位置等

主动电机热管理

目前电机主动热管理有风冷和液冷，液冷又分为水冷和油冷。现阶段的油冷系统通过变速油直接冷却电机，与传统水冷相比，具有更好的冷却效果。同时，油冷的设计也具有更大的发散性，不同厂家的油冷方案各不相同。

NREL所做的主动冷却研究基于油冷进行展开，测试方案如下所示：

从上面试验模型，我们可以提取出影响冷却性能的参数有：孔径d、喷射距离S、喷射区域直径D、油液流速、油液油温、喷孔规格、以及样本状态。针对上述参数，研究团队进行了参数DOE优化。其中选择了4种不同状态测试样本，样本直径、表面积、表面粗糙度各不相同。

试验结果表面：小流量喷射的情况下，测试样件状态（表面积、粗糙度等）不影响散热，均能达到近似散热水平；随着喷射流量的增加，平均换热系数随样件散热表面积增大而增大。

另外，在一定程度上改变油液温度（50℃-70℃-90℃）对平板靶面换热系数的影响很小。

试验过程中出现了油液飞溅的情况。70℃的油液温度、7.5m/s的喷射的速度下，流体撞击样品表面的中心，并在整个表面上向外移动。相反，在10m/s时，一些流体在撞击后立即偏离表面。在90℃的数据中，观察到流体飞溅在较低速度下发生。由于在较高温度下，液体飞溅更为普遍，这可能与高温度下较低的ATF粘度有关，这也解释了上述“ 改变油液温度对平板靶面换热系数的影响很小 ”。

需要关注的是在油液温度为50℃时，换热系数随喷嘴速度的增加而近似线性增加。在这个温度下，上述表面飞溅没有发生（飞溅提高了一定散热能力）。这意味着不同流速下对应一个最佳温度，而这个对应关系则与油液飞溅相关。

考虑到实际油冷电机工作过程，油液喷射并不会固定垂直喷射，因此研究团队设计了多参数试验。流速一定时，随着孔板射流冲击远离中心（S），换热系数降低。

随着试验的进行，圆柱形喷射的弊端逐步显示出来，那就是冷却不均匀（增加喷射孔的数量是一种解决方案）。基于现有的模型，研究团队尝试了喷嘴喷射（喷嘴自带大喷射区域），冷却效果很好。

关于驱动电机喷嘴喷射的冷却方案，更详细可以查阅专利号 CN201721342611-喷嘴式油冷电机冷却系统（上汽乘用车） 。喷嘴方案的优势不言而喻，技术上可以实施，但市面上却无法看到应用该方案的冷却系统，这里面涉及到了产品应用的一系列问题（油泵工作压力大、喷嘴价格高、电机尺寸大等），相信未来该方案会出现在大家视野。

总结

“电机热管理系统”的工作已经持续了10年，并还在继续。作为基础研究，其成果并不能直接用于产品应用，但为产品应用提供了扎实的理论基础和参考价值。梳理GM新能源电机冷却路线，从早期的VOLT到中期的SPARK，再到BOLT,电机冷却方案均采用油冷主动冷却，这从侧面也可以看出油冷主动冷却的重要性。

回过头再看当时项目的目的：优化电机冷却技术的选择和开发，以最大限度地提升的电机指标（重量、体积、成本、效率），基本上达到了。据不完全统计，投入在“电机热管理系统”直接或间接的资金达到500万美元，并且成逐年递增趋势，DOE对基础研究的重视程度可见一斑（这还仅仅是电机设计的一小部分）

那么下一步研究方向在哪呢？根据研究团队发布的最新消息，“电机热管理系统”将会聚焦以下两个方面，有兴趣的朋友可以持续关注。

• 粘结界面热接触电阻（50℃–200℃）

-通常，绝缘漆渗入槽衬层，影响部件之间的接触电阻

• 系统热验证和可靠性

-定子槽与定子接口，系统验证