技术研究｜日产增程e-POWER总成结构及热管理技术

来源：胡宗师电动车千人会

一

增程e-POWER总成结构尺寸

01总成结构

增程系统e-POWER动力总成核心包括发动机、耦合机构（发电机、电动机、减速器集成模块）、逆变器三大部件，如下图1-1所示。

图1-1 e-POWER动力总成结构

02总成尺寸

增程e-POWER动力总成结构紧凑，可适配搭载A0级轿车机舱，具体尺寸示意如下图1-2所示。

图1-2 e-POWER动力总成尺寸

整个动力总成最大外轮廓尺寸为：（不含逆变器）长度977mm、宽度658mm、高度750mm。

二

增程e-POWER总成冷却技术

01冷却系统示意

（1）增程系统冷却架构增程系统冷却包括发电机、电动机、逆变器（MCU）以及管路和水泵散热器等，整个冷却系统路线为串联冷却方式，从水泵泵出冷却液，之后按照冷却需求的先后顺序，依次冷却逆变器、电动机之后到发电机，冷却后的水流入散热器再回水泵。系统冷却架构如下图1-3所示。

图1-3 增程系统冷却架构

增程系统冷却架构中标示的流量、压损参数是各个零部件分配后的结果（通过冷却系统计算或者冷却系统试验获取）。

（2）双电机+逆变器冷却回路双电机逆变器冷却回路中，逆变器采用金属框架通道进行水循环，直接冷却逆变器热部位；而两个电机冷却都是采用水套砂芯方式，发电机冷却要求较低，水套结构简单，直接采用整体砂芯水套冷却；而电动机冷却要求相对于发电机要高，采用砂芯冷却说套要复杂，形成环绕冷却方式，提升水流速度，增加冷却效果。具体如下图1-4所示。

图1-4 双电机逆变器冷却回路

（3）双电机+逆变器冷却回路流向双电机+逆变器冷却回路流向为：①→②→③→④→⑤→⑥。①处为冷却回路入水口（逆变器），冷却液从水泵经过水管流入。⑥处为冷却回路出水口（发电机），冷却液流出经过水管到散热器。相应冷却回路流向示意如下图1-5所示。

图1-5 双电机逆变器冷却流向

02冷却流量分析

（1）热平衡温度计算对日产e-POWER电动机设置不同的入口流量进行额定工况热平衡仿真分析，绘制温度-流量曲线，查看最具性价比优势的流量区间。仿真工况如下表1-1所示。

表1-1 热平衡仿真工况

电机模型及温度分布结果如下图1-6所示。

图1-6 电机热平衡温度

国内同级别电动车电控~电机冷却回路的水泵流量一般为8L/min。

（2）冷却流量确定由仿真结果可知：1）流量6L/min~8L/min，绕组最高温度由145.9℃降为131.7℃，ΔT=14.2℃。2）流量8L/min~10L/min，绕组最高温度由131.7℃降为125.7℃，ΔT=6℃。3）流量10L/min~12L/min，绕组最高温度由125.7℃降为123.8℃，ΔT=1.9℃。温度流量关系如下表1-2所示。

表1-2 温度流量关系

结合国内车企的标准，选择8L/min作为冷却流道仿真输入条件。

03双电机冷却分析

（1）双电机表面流速分析双电机水套冷却计算分析流速分布结果如下图1-7所示。

图1-7流速分布

双电机水套流速较低，冷却液流速基本都在0.1m/s以下。

（2）表面低流速区域分析双电机水套冷却计算结果中提取低流速冷却区域，分析结果如下图1-8所示。

图1-8低流速区域分布

双电机水套流速分析结果中，低流速区域水道避免流速低于0.03m/s。

（3）流线分布分析双电机水套冷却计算结果中，流线分布分析结果如下图1-9所示。

图1-9流线分布

双电机流线分布分析显示，冷却液流速基本都在0.5m/s以下，驱动电机冷却流速更高，流速分布更好。

（4）冷却压损分析双电机水套冷却压损计算结果如下图1-10所示。

图1-10 压损分析

计算结果显示，冷却水套压损较小，总压损仅7.469KPa。

04驱动电机冷却分析

（1）冷却水套砂芯结构增程e-POWER系统驱动电机水套砂芯结构及主要尺寸示意如下图1-11所示。

图1-11 驱动电机水套砂芯

1）电动机冷却回路整体轴向高度为180mm。2）上下两端部周向冷却回路的高度各为25mm。3）中间部分起主要散热功能的冷却水道高度为130mm。

（2）冷却水套截面结构驱动电机冷却水套截面结构及主要尺寸示意如下图1-12所示。

图1-12 驱动电机水套截面

1）冷却水道外圆半径122mm，内圆半径109mm，水道壁厚13mm。2）轴向水道圆周分布角度占比如图，共12条支路数串联。

（3）冷却水套装配驱动电机冷却水套装配关系及主要尺寸示意如下图1-13所示。

图1-13 驱动电机水套装配

1）水道轴向高度完全覆盖定子铁芯叠高。2）出线端水道顶部~定子铁芯16mm，即周向冷却回路存在9mm的高度与定子铁芯直接通过壳体导热。3）非出线端水道顶部~定子铁芯22mm，即周向冷却回路存在3mm的高度与定子铁芯直接通过壳体导热。

（4）冷却水套装配截面驱动电机冷却水套装配截面及主要尺寸示意如下图1-14所示。

图1-14 驱动电机水套装配截面

冷却水道内圆半径109mm，定子铁芯外径100mm，壳体壁厚9mm。

（5）冷却回路参数驱动电机冷却水路参数汇总如下表1-3所示。

表1-3 驱动电机冷却水路参数

（6）驱动电机冷却水套计算1）冷却水套表面流速分布计算分析驱动电机冷却水套计算分析结果如下图1-15所示。① 周向水道各支路上下端面居中处流速较高。② 内外侧水道表面拐角处流速较高。

图1-15 驱动电机冷却表面流速

2）冷却水套Y向流速分布计算分析驱动电机冷却水套Y向流速计算分析结果如下图1-16所示。

图1-16 驱动电机冷却Y向流速

① 由于水道表面与铝壳接触，水道内部流速远高于水道表面流速。② 水道拐角处流速较低，水道内部中间段流速要高于上下两端流速，铁芯槽内铜线导热路径为绕组→铁芯→壳体→冷却水，热阻较小，即中间段流道起主要散热作用。③ 各支路内部流道流速分布相同。

3）冷却水套Z向流速分布计算分析驱动电机冷却水套Z向流速计算分析结果如下图1-17和图1-18所示。Z向流速（两端）的分析结果总结如下：①由于水道表面与铝壳接触，水道内部流速远高于水道表面流速②在上下两端部周向流道中，呈现出中间流速高，两端流速低的分布，即在水道拐角处流速较低，各支路的分布状态相同③由于上下端绕组采用浸漆而非灌封工艺，因此导热路径为绕组→空气→壳体→冷却水，由于空气参与导热，热阻较大，即上下两端部处水道对电机散热的作用并不明显。