電驅(qū)系統(tǒng)熱管理現(xiàn)狀

1電驅(qū)系統(tǒng)熱管理現(xiàn)狀

這邊展示的是一個二合一的，mcu這一塊的話如果沒看到不用覺得奇怪，因為我們主要是做油冷相關(guān)這一塊的。其實整個二合一的話，可以這樣來拆解，一共拆解成四級，第一級是一個總成；第二級是各個組件，這里每一個部件都可以再拆的很細很細，如果研究的對象主要是電驅(qū)動這一塊的話，那接下來一般會拆解的是減速器和油冷電機，做電驅(qū)動油冷這一塊的話，其實主要關(guān)注的是減速器的溫升情況，他里面的溫度情況，油冷電機的溫升情況。那這兩個系統(tǒng)還可以拆很多，如圖上所示。但是一般如果說在前期做熱管理這一塊時，就拆到軸承這一級就OK了，因為再下面的話整個熱網(wǎng)絡(luò)的難度會非常的大。整個電驅(qū)動系統(tǒng)的話，其實還是比較清晰的一個脈絡(luò)，有非常明確的分級，不涉及到非常復(fù)雜的一些部件和部件之間的交互，那當然有一個部件現(xiàn)在其實已經(jīng)在交互了，就是殼體。一般現(xiàn)在的話，油冷電驅(qū)動這一塊減殼和電機殼已經(jīng)有共殼體的這樣一個非常明確的技術(shù)路線了，那這個到底會有什么影響呢？等會我們在詳細做三維化這一塊可以看到具體的一個影響。怎樣才能夠把這個子系統(tǒng)變成一個熱網(wǎng)絡(luò)呢？我們可以來看一下下一頁。

看右圖，其實就是一個電驅(qū)動系統(tǒng)的拋面圖，其實把剛剛我們提到的一些組件裝在整個系統(tǒng)里面以后，再把油路畫出來的話，他大概就是這樣的一個構(gòu)造，從左邊的減速器油底殼，然后把油抽出來，抽出來以后到濾芯到交換器，然后冷的油再到電機，再到齒軸，然后再這樣的一個循環(huán)后把油加熱，把熱量帶走，然后再走到油底殼。當我們有了這么一個體系后，軟件里面搭建他的一個熱網(wǎng)絡(luò)就非常的簡單了，其實可以看到一點就是傳統(tǒng)的那種熱網(wǎng)絡(luò)里面如果說考慮流體的話，還會涉及到管道阻力之類的一些問題，但其實在電驅(qū)動里面的話，管道一般都不會占太多的一個體積，所以一般情況下其實這些管道到底要不要建，這個其實是要打個問號的，但是我們一般都不建，不建他其實也是能夠很好的去計算這一塊發(fā)熱的。

那建一維熱網(wǎng)絡(luò)這一塊的目的是什么呢？其實它的一個意義是非常的重要的，在概念設(shè)計階段他能干什么，如圖左，這些其實都是一維系統(tǒng)可以做到的一些事情，然后在詳細設(shè)計階段其實這一套熱網(wǎng)絡(luò)也非常有用，因為已經(jīng)在有一些單位或者說已經(jīng)有一些項目，在應(yīng)用一維和三維同時進行的這樣的一些手段去預(yù)測在一個循環(huán)內(nèi)，或者說在各種不同工況的循環(huán)下，它的子部件的發(fā)熱情況，其實整個油冷電驅(qū)動里面的話，不管是一維熱管理還是三維熱管里，他都是從頭到尾貫穿我們整個項目的設(shè)計的，所以其實熱管理當前以我們以往做水冷這個年代的一個感觀的話，他可能不太重要，都是一些必須的安全性的保障，但其實在我們油冷這個時代的話，其實他的設(shè)計是和整體的方案掛鉤的，然后也會影響到我們很多子部件的一些SOR的問題。

還有一些非常厲害的單位的話，也會做一些自編程之類的，詳細設(shè)計階段大家如果說正在開展相關(guān)的一些用電驅(qū)動的一些那個仿真的話，肯定會知道有這樣的三個應(yīng)用，star-ccm和fluent是常規(guī)的一個應(yīng)用手段。ABAQUS其實是現(xiàn)在一些單位也算是劍走偏鋒的一個手法，就是用這種有限元然后去快速的求解能量守恒問題，或者說求解一些溫度分布。那當然這塊三維軟件的選擇的話是非常多的。但是大家也可以看到一點，就是有一個問題概念設(shè)計階段和詳細設(shè)計其實是完全分開的，做概念設(shè)計的做一維的人是一波人，然后做三維的也許是另外一波人，有些單位里面的話同時有些人會這個又會那個，那這種的話就是熱管理這塊的技術(shù)核心人員，那這個技術(shù)依賴性也會很大，那有沒有什么好的一些方法從頭至尾貫穿讓一個人來負責(zé)，然后有沒有一些軟件能夠去從頭到尾貫穿這一塊呢？大家有沒有想過從一維到三維之間是能夠做一個切換仿真的。因為一維和三維如果說我們分開做，分兩個階段去做，那中間有一個階段就是關(guān)于油泵或者說關(guān)于子部件的一些選型問題就沒有打好，那這個階段怎么去處理呢？其實就是通過一些自編程的方法，暫時先不展開了，這個事情比較復(fù)雜。

一維熱管理其實是非常有意義的一件事，因為整車這一塊就直接給你有要求，不做不行。

2 一維電驅(qū)動散熱仿真方法-基于shonTA

這個圖片其實就是電驅(qū)動的一個熱網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，可以看一下，通過左邊的這個圖片，在shonTA里面可以簡化出這樣的一個熱網(wǎng)絡(luò)模型，這個其實做一維的人可能看了以后覺得好丑對吧，但其實功能上來說的話是一樣的，一維其實就是不同的點不同的圖片，然后去給你表征不同的一些結(jié)構(gòu)，那我們要做的好看，可以嗎？也可以，只是說當前的階段的話，還沒有說往好看這個方向去做，我們可以看到該有的都有，等會兒我們打開一個案例會講一講。

其實最終能夠計算出來的一個一維的結(jié)果，大家可以看一下右邊的算額定工況的圖片，它能夠給你輸出每一個熱網(wǎng)絡(luò)點的溫升曲線，然后這個溫升曲線可以用來預(yù)測整個電機系統(tǒng)里面它每一個零部件的平均溫度的情況，那這個的話和傳統(tǒng)的都一樣，一會兒會展示。

散熱能力這一塊的話也是一樣的，就是能夠通過熱網(wǎng)絡(luò)的計算，告訴你散熱需求是多少，那你可以通過耦合，通過判斷，他那個面積乘以它的對流換熱系數(shù)的一個乘值，到底能不能滿足散熱器選型的需求。

3局部三維化熱仿真-基于shonTA

我們先來講一講三維這一塊，主要講一下局部三維化這個概念。

關(guān)于局部三維化這一塊的話，肯定是大家今天最關(guān)注的一個點。因為一維的熱管理軟件在行業(yè)內(nèi)大家都不缺，三維的也都不缺，但是真正意義上能夠在一個軟件內(nèi)實現(xiàn)一維和三維切換的這樣的一個軟件的話，目前據(jù)我所知，在一個軟件就已經(jīng)可以實現(xiàn)的是沒有的，都是需要一些額外的操作，額外的一些系統(tǒng)，額外的一些插件才能夠?qū)崿F(xiàn)。

那shonTA里面已經(jīng)可以實現(xiàn)在一個界面內(nèi)的一維和三維的轉(zhuǎn)換，這個其實是依賴于shonTA里面的一個非常重要的子部件，就是和網(wǎng)格面直接關(guān)聯(lián)的這種子部件，就是在shonTA里面我們有一個子部件是比較特殊的，可以直接和網(wǎng)格進行一個掛鉤，和網(wǎng)格進行一個掛鉤以后，shonTA它還同時具備了一個特殊的能力，就是能夠去求解有限元，相當于就是在一個軟件內(nèi)同時可以去求解熱網(wǎng)絡(luò)，并且可以求解有限元。那我們可以看一下這樣一個簡單的系統(tǒng)，比如說左邊油箱，供油量、進油量，出油量這些都有，在這樣的一個仿真案例中呢，如果說我們一維來算，會得到一個結(jié)果如表所示，用三維來算的話，他會得到另外一個結(jié)果，我們來看一下三維后的一個結(jié)果。

這是一個子系統(tǒng)，這是我把局部的三維放到了整個子系統(tǒng)內(nèi)進行計算后的一個效果。這是一個定子的溫度分布，那我們通過這樣的一個網(wǎng)格關(guān)聯(lián)的點，就可以實現(xiàn)在整個子系統(tǒng)里面一維和三維之間的一個交互，這一塊的話可能就是不是很直觀，我這邊直接來用軟件給大家演示一下它到底是怎么實現(xiàn)的。

在shonTA里面，我們是通過把InP網(wǎng)格導(dǎo)入到整個shonTA這個軟件里面以后，然后讓這三個部件和整個結(jié)構(gòu)上的三個不同的分組的面進行直接的一個關(guān)聯(lián)，能夠在軟件內(nèi)同時計算一個有限元和一個熱網(wǎng)絡(luò)，當我們希望把一個定子這一塊三維化時，只需要把它化成一個InP網(wǎng)格，一起做一個分組，然后再導(dǎo)到shonTA軟件里面以后，它就可以以這樣的一個設(shè)置來實現(xiàn)整個定子這一塊的局部的三維化，那局部三維化的一個效果是什么呢？我們來看一下。

我們來看一下局部三維化的一個溫度分布，一維和三維混合以后大家有沒有發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)的油的溫度都在不斷的下降，這代表什么呢，整個系統(tǒng)能量沒有變化，那代表所有的溫度會更加聚集的往固體上走，那我們來看一下固體這一塊溫度的一個區(qū)別。

大家可以看到在一維的結(jié)果里面，定子平均溫度，在一維和三維后耦合了以后，有一個比較明顯的3.72度的一個溫升。同時可以在軟件內(nèi)提取出來最高和最低溫度。這就實現(xiàn)了局部三維化的一個最終目的，就是我們要知道定子在整個系統(tǒng)內(nèi)，使用它時，它的最高溫度和最低溫度分別是多少。最高溫度的話在三維化了以后能夠直接的被讀取到。

局部三維化后計算的效率如上圖。

這是一個非常典型的完整減速器案例，他是從齒輪、軸承、潤滑油，還有殼體都已經(jīng)徹底三維化后在shonTA中的一個體現(xiàn)，大家可以看到所有的溫度分布都是有三維化的顯示的。這種案例的話，其實如果說通過傳統(tǒng)CFD來進行仿真計算的話，代價是非常大的。那這一塊大家可以想像一下，我們這邊的油是怎么樣去實現(xiàn)對整個網(wǎng)絡(luò)的影響，這邊的話其實是通過把里面潤滑油與壁面之間的一個對流換熱系數(shù)提取出來以后，映射到了這個固體上，來體現(xiàn)油的影響的。

同樣的話也可以做油冷電機這一塊，整個系統(tǒng)層面的話目前其實沒有太多的用戶會去選擇在前期一維和三維之間混合這樣的一個狀態(tài)下去計算，一般都會子系統(tǒng)的計算，比如說設(shè)計了一個電驅(qū)動，那電機部分是我們負責(zé)，那我們就把電機這塊三維化，減速器那一塊的話還是以一維的一個形式來體現(xiàn)。

shonTA軟件的話，其實已經(jīng)在市面上推廣了一段時間，只不過前期我們都是走三維這一塊路線的，并沒有往一維化這一塊去發(fā)展。那現(xiàn)在的話，我們除了三維化這一塊的能力以外，已經(jīng)把一維和三維之間進行了一個能力結(jié)合，那這一塊兒的話，就是咱們今天看到的一個三維化和一維化之間的一個同步使用的這樣的一個功能。其他的話，還有一個功能是我們的電機模板，電機模板這一塊的話，其實是一個專門針對油冷電機開發(fā)的一個模塊，打個比方說，我們有一個現(xiàn)成的油冷電驅(qū)動需要開發(fā)，這一塊的話我們只有電機這部分是沒有開發(fā)好的，其他都是已經(jīng)做好集成的。那這一塊的話，其實就可以用shonTA的電機模板功能來進行快速的驗算，看看每個部件的溫度和我們現(xiàn)在這個電驅(qū)動是否匹配。

shonTA這個軟件，控制體這種概念，其實就是熱網(wǎng)絡(luò)里面該有的都有，然后除了一個比較特別的，就是這個有限元連接面，其他的都差不多。有限元連接面的話，它就是專門耦合那個FEM的，也是我們今天主要能夠?qū)崿F(xiàn)一維三維切換的這樣的一個核心功能。

這個軟件支持的東西很多，就是除了熱網(wǎng)絡(luò)這一塊計算以外的話，其實還有像水套，交換器之類的一些集成的模塊在里面，那這些功能的話，我們都會以一個一維的簡單案例來演示一下給大家看一下。然后還有一維流體網(wǎng)絡(luò)這一塊的功能，其實目前這個軟件已經(jīng)把這塊耦合在里面了。還有的話就是電磁這一塊，已經(jīng)在開發(fā)的計劃功能。

這個軟件其實我們做了非常多的驗證，像這種齒輪箱的溫度驗證，是在早期的時候就做過的。

然后像這種圓柱的理論層面的一些驗證，包括理論計算，這些都是能夠非常良好的和實驗結(jié)果匹配上的。那這一塊的話，其實大家可以不用擔(dān)心，就是這種軟件它熱網(wǎng)絡(luò)，或者說有限元嘛，他的計算精度其實都是很高的，并不會說因為這是一個新軟件就很不準，這是不可能的。

也有客戶覺得這個軟件是不是需要做一些驗證，那我們在一些其他的企業(yè)里面做的一些驗證的話，都是得到了比較不錯的結(jié)果，可以看到左邊是一個輪轂電機繞組的溫度的，它的對標的結(jié)果的話是不錯的，然后右邊的話是一個車橋的。

4軟件發(fā)展計劃及其他

目前其實還有很多功能是需要被改善的，比如說我們現(xiàn)在可能并不像傳統(tǒng)的一些一維非常專業(yè)的軟件一樣支持一些公式的，那這一塊開發(fā)的話其實已經(jīng)在規(guī)劃中了。然后還有電磁耦合這一塊的話，其實是我最近聽到的最多的一個應(yīng)用需求，那這個應(yīng)用需求的話，我們也會在后續(xù)的版本中去做一個支持。如果說大家有什么電磁相關(guān)的開發(fā)經(jīng)驗，然后有現(xiàn)成的開發(fā)好的軟件的話，我們也可以合作一下。

我們這個軟件的話，其實內(nèi)置有很多類似于這樣的經(jīng)驗公式，這個的話有興趣的可以看一下。

我們其實有自身的一些二次開發(fā)的資源，可以做一些類似于像軸承這一塊完全自動化封裝，做流體做熱相關(guān)的一些仿真的二次開發(fā)的經(jīng)驗。那這種的話其實是一些定制化的工具的一些問題，和剛剛我們看到那個電機模板是一碼事，只不過這個的話是在三維化的定制。

最終希望能夠形成一個多物理場耦合的一個平臺。