新能源汽车电池散热风扇轴向振动研究及改进

侯宁尤晓东

长城汽车股份有限公司技术中心河北保定071000

摘要：在我国快速发展的过程中，我国的能源使用在不断地枯竭，生态环境不断地发生恶化，汽车行业与这两个方面息息相关。因此全世界汽车行业积极探索的重点是新能源汽车的开发与应用，新能源汽车的发展也带动了相关产业的快速发展，新能源汽车的发展也受到了政府的鼓励和支持。本文就新能源汽车电池散热风扇轴向振动问题进行了研究，并提出了几点改进措施。从而改善新能源汽车散热风扇振动技术，进一步降低了新能源汽车使用风险，促进国家经济发展。

关键词：新能源汽车;电池散热风扇;轴向振动研究

引言

蓄电池是新能源汽车中油电混合动力汽车和纯电动汽车的核心部件，在大电流工作或充电的过程中，会因电池内阻而产生大量的热能，从而引起蓄电池温度快速升高和电解液的气化，导致蓄电池爆炸而产生危险。因而，需要采用风扇进行强制散热以抑制蓄电池在新能源汽车行驶或充电过程中升温。减振降噪是风扇在工程应用中急需解决的关键问题之一，国内外学者在这方面进行了较多研究。采用改变扇叶的形状和角度等方法来降低汽车风扇噪声。通过改变消声器的结构，来提高消声性能，从而达到降低汽车空调连接管噪声的目的。提出通过重构气隙磁密波形来降低噪声的方法。研究了抑制电动汽车用永磁同步电机转矩脉动的方法。以往对风扇减振降噪的研究，多基于一般汽车的发动机冷却系统，对新能源汽车电池散热方面的研究，目前主要集中在电池的热效应，对风扇具体工程案例的研究还较少。本文以某公司专为奇瑞汽车在研车型A21ISG油电混合汽车所设计的电池散热风扇为例，提高了现有风扇样机产品的可靠性、舒适性和节能环保性能，通过理论分析和振动测试得到了影响风扇轴向振动的最大因素，对风扇减振结构和电机进行改进，并通过试验对比验证改进效果。

1新能源汽车电池散热风扇轴向振动原因

一般来说，新能源汽车中散热风扇是由电机、减振结构、法兰盘和外转子叶轮等组成，在这些零件中，风轮和转子是联合工作的，风轮和转子共同形成整体的电机外转子叶轮，无刷电机驱动的转轴上固定着新能源汽车电池散热风扇，首先轴向输出信号有传感器传递给控制器，再由脉冲宽度调节，驱动控制电机，电机转动，叶轮也持续运转，产生气流达到散热电池的效果。通过分析新能源散热风扇的结构特点和转动原理，主要有直流无刷电机的各种转矩脉动和整体式外转子质量不平衡两种方式影响散热风扇轴向振动。首先直流无刷电机的转矩脉动包括齿槽脉动、换相脉动两种。齿槽电枢和永磁体磁场相互作用形成了齿槽转矩，又因为在电枢绕组开路计算时，可用机电能量转换中的计算方法，当电机磁场能量相对转子转角的倒数已知时可得当磁势谐波、磁导谐波次数一样时，直流无刷电机在进行齿槽脉动的过程中产生力矩。这种情况下，转子工作频率是新能源汽车电池散热风扇样机的直流无刷电机齿槽脉动频率的十二分之一;由直流无刷电机换相时的电磁转矩表达式可得当电机端电压是电枢相绕组电势稳态值的四倍时，转距不变，当电机端电压大于电枢相绕组电势稳态值的四倍时，转距增大，反之减少，由此可知换相时电流会发生脉动，并根据电机换相时的电流脉动频率可得转子转动时的工作效率是新能源汽车电池散热风扇样机中直流无刷电机换相脉动频率的十二分之一。其次，由于新能源汽车中电池散热风扇整体式外转子叶片数量大，有41片，所以在制造过程中极易产生差错从而导致外转子偏离引起风扇振动，如在装配过程中叶轮孔和旋转轴的误差、叶轮内圈上紧密贴合的磁轭加工分布不平、本身制造叶片的差错等，由叶轮工作时的转速除以60可得叶轮等外转子质量不平衡所引起的振动频率。

2新能源汽车电池散热风扇轴向振动改进

根据测试新能源电池散热风扇的轴向振动规律可得散热风扇在不同的转速运转时，其产生的振动频率幅度也有所变化，结合上述直流无刷电机换相时的转矩表达式得出转子转动时工作频率的确是散热风扇电机中换相脉动和齿槽脉动频率的十二分之一，进一步确定了电机的换相脉动和齿槽脉动是影响散热风扇轴向振动的主要因素。然后根据新能源汽车电池散热风扇的原理通过等效阻尼和弹簧系统两个部分进行分析，新能源汽车电池散热风扇在运行使出现的轴向振动可视为单自由度受迫振动，又其振幅和相位的运算公式可得当干扰力圆周率与风扇自振圆周率相等时，振动加大并发生共振，当时系统振动会在风扇自振圆周率小于干扰力圆周率的二分之一时大大减小。因此新能源汽车电池热风扇减振结构的改进，可以使风扇振动减小。

(1)直流无刷电机改进，针对直流无刷电机经常出现的齿槽脉动和转矩脉动问题，最便捷有效的方法是可以进行定子齿面开槽，由上述原理可得散热风扇的转矩次数为十二处在电机齿面槽数为一时;而当齿面增加一个槽数时，散热风扇的转矩次数就变为三十六次，齿槽脉动周期增加谐波次数增加，但是谐波幅度下降，由此可以推论散热风扇脉动次数与振动幅度成负相关，因此可以进行齿面开槽来降低直流无刷电机齿槽脉动，从而降低新能源电池散热风扇的轴向振动幅度。

(2)减振垫改进，一般来说，新能源汽车电池散热风扇的减振垫结构是阶梯圆柱状的，内中心和电机线架之间有三个减震垫相连，减振盖于法兰盘底座之间则是由螺丝固定连接，实际运用证明这种结构会加剧电池散热风扇的轴向振动幅度，针对这种情况可对电池散热风扇减振垫结构进行一定程度的改进，在不改动减震垫本身材质的前提下，将散热风扇的减振垫结构进行一定改进，散热风扇的三个减振垫通过内中心之后再与电机线架进行连接，每个减震垫上端的外圆面也应该配合法兰盘底座的三个圆柱孔，通过测试散热风扇中直流无刷电机换相脉动和齿槽脉动在减振前后的功率变化可得出通过改善散热风扇减振结构不止在低转速时可使直流无刷电机的换相脉动和齿槽脉动的功率谱幅，同时在高转速时也可以有效降低散热风扇的齿槽脉动和换相脉动总功率。

（3）试验对比改进减振结构后，再次将风扇置于测试台，测试风扇中直流无刷电机换相脉动和齿槽脉动在减振前后的功率谱，轴向振动信号经采样处理分析后得到换相脉动和齿槽脉动总的功率谱，如图所示。从图中可以看出:当风扇改进减振结构后，在低转速时直流无刷电机的换相脉动和齿槽脉动总的功率谱幅值有极大降低，降幅可达50%以上。在2300r/min以上高转速状态下，换相脉动和齿槽脉动总的功率谱基本呈无波动近直线状态，且幅值和零点较接近，说明改进减振结构后风扇的轴向振动进一步降低。

图8改进前后的换相脉动和齿槽脉动总的功率谱

结语

由新能源汽车的电池散热风扇结构特点可分析散热风扇中的直流无刷电机的转矩脉动是影响新能源汽车电池散热风扇轴向振动的主要因素，可通过改善散热风扇的减振结构有效降低散热风扇的直流无刷电机换相脉动和齿槽脉动总功率，而齿面开槽也可以有效抑制直流无刷电机的齿槽脉动，从而进一步降低新能源汽车电池散热风扇的轴向振动幅度，提高了新能源汽车电池散热风扇的可靠性和节能环保性。

参考文献：

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