第5章電動汽車循環(huán)冷卻技術

第5章電動汽車循環(huán)冷卻技術5.1電動汽車循環(huán)冷卻系統(tǒng)的要求5.2電動汽車循環(huán)冷卻系統(tǒng)設計步驟5.3電池散熱系統(tǒng)5.4電機和控制器散熱5.5電機和控制器散熱量計算5.6采用液冷的電機控制器和電機動態(tài)溫升第5章電動汽車循環(huán)冷卻技術第1頁第1頁第1頁

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散熱循環(huán)實例第5章電動汽車循環(huán)冷卻技術第2頁考慮熱源特點，采取相應的冷卻方式來滿足使用要求。必須設計一套有效的通風冷卻系統(tǒng)，并且綜合考慮冷卻散熱部件的體積、重量、尺寸等問題，使之能夠滿足車輛的總體使用要求。循環(huán)冷卻系統(tǒng)的設計要根據(jù)選用的不同部件的散熱特點采取相應的冷卻措施，還應對各熱源部件進行實時監(jiān)控，形成智能化和自動化控制循環(huán)冷卻系統(tǒng)。智能的控制可以最大程度地降低電動汽車的電能消耗，同時還能延長散熱設備的使用壽命。5.1電動汽車循環(huán)冷卻系統(tǒng)的要求返回第5章電動汽車循環(huán)冷卻技術第3頁（1）確定主要熱源產生及各種工況下需散熱的功率需求。（2）考慮電動汽車環(huán)境條件和溫度，及對散熱系統(tǒng)影響。（3）確定主要熱源散熱方式，按照要求選取冷卻形式。（4）進行散熱器的設計計算與布置。（5）確定傳感器性能參數(shù)，選擇或設計加工出性能好、體積小、易于安裝的傳感器。（6）將傳感器與電動機制成整體，研究合理安裝位置。（7）對于電池，考慮通風狀況及通風方向，防止有害物質入侵乘員空間。（8）必要時需要對所選用的散熱部件進行試驗。5.2

電動汽車循環(huán)冷卻系統(tǒng)設計步驟返回第5章電動汽車循環(huán)冷卻技術第4頁5.3.1鉛酸電池5.3.2鋰離子電池5.3.3鈉硫電池和燃料電池5.3.4其它儲能裝置5.3

電池散熱系統(tǒng)第5章電動汽車循環(huán)冷卻技術第5頁鉛酸電池集中在低速電動汽車，功率密度較低，續(xù)駛里程要求不高，一般不需要強制散熱，采取自然通風散熱即可滿足要求。充電過程，產生氫氣，易燃易爆，保證電池安裝牢固可靠外，還必須考慮電池通風系統(tǒng)，避免氫氣聚集引起事故。電解液硫酸屬于強腐蝕性液體，電池安裝設計時，應考慮電解液泄漏收集和排放裝置，避免電解液對車體的腐蝕5.3.1鉛酸電池第5章電動汽車循環(huán)冷卻技術第6頁鋰離子電池種類繁多，受溫度影響較大，過高溫度容易使電池電解液分解，引起電池早衰。電池溫度差別較大，會引起電池充放電不均衡，應用中需要強制通風散熱。散熱量相對較低，安裝和使用過程中，一般將電池做成電池組或電池包。大量鋰電池一起工作容易產生熱量堆積，影響電池性能，散熱主要是為了避免熱量堆積。5.3.2鋰離子電池第5章電動汽車循環(huán)冷卻技術第7頁鋰電池組設計5.3.2鋰離子電池第5章電動汽車循環(huán)冷卻技術第8頁電池組風扇散熱設計5.3.2鋰離子電池風扇位于底部吹風第5章電動汽車循環(huán)冷卻技術第9頁電池組風扇散熱設計5.3.2鋰離子電池風扇位于頂部吸風第5章電動汽車循環(huán)冷卻技術第10頁電池組風扇散熱設計5.3.2鋰離子電池風扇位于電池組側部

橫流風第5章電動汽車循環(huán)冷卻技術第11頁電池的冷卻環(huán)境規(guī)劃5.3.2鋰離子電池（1）安裝位置與電機和電機控制器距離不能過遠。（2）安裝空間要有良好的通風環(huán)境。（3）安裝位置應盡可能的高。（4）便于檢修和拆卸。第5章電動汽車循環(huán)冷卻技術第12頁電池箱液體冷卻5.3.2鋰離子電池油液第5章電動汽車循環(huán)冷卻技術第13頁電池箱液體加熱5.3.2鋰離子電池第5章電動汽車循環(huán)冷卻技術第14頁鈉硫電池高溫才能放電，需要特殊設備，確保處于（300～350）℃。需要制作恒溫箱，散熱要求非?？量?，而且該機構均由電池廠家提供設備。電動汽車燃料電池主要有PEMFC、AFC和PAFC，溫度需求也不盡相同。工作溫度一般在（60～100）℃，須設有專門的冷卻裝置。燃料電池的冷卻介質為無離子水。排熱方式：電池組本體外部冷卻法，冷卻劑通過電池組內部管道進行循環(huán)，電極氣體通過外部冷卻器進行循環(huán)，電解液通過外部冷卻器循環(huán)等方法。5.3.3

鈉硫電池和燃料電池第5章電動汽車循環(huán)冷卻技術第15頁5.3.4其它儲能裝置除了前面所介紹的各種電池外，還有空氣電池、超級電容器、飛輪儲能器和太陽能電池等。這些電池一般不需要冷卻，保證安裝時的牢固可靠和良好的通風環(huán)境即可。返回第5章電動汽車循環(huán)冷卻技術第16頁5.4電機和控制器散熱5.4.1電機和控制器的冷卻方式5.4.2電機和控制器的冷卻要求第5章電動汽車循環(huán)冷卻技術第17頁5.4.1

電機和控制器的冷卻方式1.電機冷卻冷卻方式較多，常見的為風冷和液冷。風冷方式小型電機、交流電機、開關磁阻電機、異步電機等液冷方式永磁電機（直流永磁無刷電機和交流永磁無刷電機）如果安裝位置空余，通風情況良好，重量要求不苛刻，采用風冷電機。為了節(jié)約空間，縮小電機體積，降低重量，提高功率，采用液冷。第5章電動汽車循環(huán)冷卻技術第18頁5.4.1

電機和控制器的冷卻方式2.主電機控制器冷卻冷卻方式有風冷和液冷。風冷控制器體積要較液冷控制器體積要大，風冷控制器一般需要裝備多個散熱風扇，強制通風。取決于電動機冷卻方式。一般兩者采用相同的冷卻方式第5章電動汽車循環(huán)冷卻技術第19頁5.4.1

電機和控制器的冷卻方式3.其他控制裝置除主電機控制器，還有小功率DC/DC或DC/AC逆變器。

壓縮泵、轉向泵、制動泵、冷卻泵控制裝置一般允許最高溫度（60～70）℃，最佳工作溫度（40～50）℃。這些裝置都有自身附帶散熱設備，對其溫度進行控制，選擇合適安裝位置，預留散熱空間。第5章電動汽車循環(huán)冷卻技術第20頁電機和控制器的冷卻方式略有不同一般電機最高允許溫度為（70～80）℃，最佳工作溫度為60℃以下；控制系統(tǒng)一般允許最高溫度為（60～70）℃，最佳工作環(huán)境溫度（40～50）℃以下。風冷電機及控制器從本身設計上改善，增加散熱面積，增加必要通風設備安裝在開放位置或者通風良好環(huán)境5.4.2

電機和控制器的冷卻需求第5章電動汽車循環(huán)冷卻技術第21頁液冷的電機和控制器需要對電機和控制器進行合理的設計和安裝，采用匹配的散熱系統(tǒng)，方能滿足使用要求。電動機的熱源來自電機內部，首先借傳導作用傳送到電機的外表面，然后借輻射和對流作用將熱量從電機外表面散發(fā)到周圍冷卻介質中去。電機的冷卻介質一般選用水、防凍液或油等。5.4.2

電機和控制器的冷卻需求第5章電動汽車循環(huán)冷卻技術第22頁電機和控制器的安裝位置5.4.2

電機和控制器的冷卻需求水平傾斜第5章電動汽車循環(huán)冷卻技術第23頁電機和控制器冷卻液的流向電動汽車采用一套液冷設備，對于電機和控制器而言，要想獲得最佳的冷卻效果，冷卻液的流向十分重要。冷卻液的流向一般是從散熱水箱下部出來后，經(jīng)水泵后先冷卻電機控制器，從電機控制器流出的冷卻液進入電機的低位進水口，然后回流到散熱水箱的上回流口。這樣一個循環(huán)下來，保證了控制器的冷卻需求，使電機控制器得到整個系統(tǒng)最低溫度的冷卻液。5.4.2

電機和控制器的冷卻需求第5章電動汽車循環(huán)冷卻技術第24頁某電動汽車循環(huán)水路布置圖返回溫控電扇第5章電動汽車循環(huán)冷卻技術第25頁5.5電機和控制器散熱量計算5.5.1電機控制器的發(fā)熱量損耗計算5.5.2電機發(fā)熱損耗計算5.5.3電機和驅動器一體化液冷系統(tǒng)設計第5章電動汽車循環(huán)冷卻技術第26頁功率模塊損耗5.5.1電機控制器的發(fā)熱量損耗計算冷卻系統(tǒng)的耗散功率應與功率模塊損耗相平衡電機控制器冷卻系統(tǒng)耗散功率可用功率模塊損耗等效開關損耗通態(tài)損耗第5章電動汽車循環(huán)冷卻技術第27頁5.5.2

電機發(fā)熱損耗計算電機的發(fā)熱損耗機械損耗常數(shù)

電機冷卻系統(tǒng)耗散功率可用電機發(fā)熱損耗來等效

電機鐵損

機械損耗附加損耗第5章電動汽車循環(huán)冷卻技術第28頁5.5.3

電機和驅動器一體化液冷系統(tǒng)設計為了降低成本，節(jié)約空間，電動汽車電機和電機控制器一般采用一體化冷卻結構，連接方式可以使用并聯(lián)也可使用串聯(lián)方式。由于電機和控制器能耗基本一致，一般采用串聯(lián)的方式。無論是串聯(lián)還是并聯(lián)，則系統(tǒng)發(fā)熱量為電機的發(fā)熱損耗和電機控制器的散熱損耗。電機和電機驅動器一體化系統(tǒng)的發(fā)熱損耗返回第5章電動汽車循環(huán)冷卻技術第29頁5.6采用液冷的電機控制器和電機動態(tài)溫升5.6.1采用液冷的電機和控制器的冷卻結構5.6.2熱阻等效電路分析5.6.3電機及其驅動器液冷系統(tǒng)參數(shù)設計第5章電動汽車循環(huán)冷卻技術第30頁1.控制器的液冷方式

控制器的液冷方式主要是在控制器的底部加裝循環(huán)散熱板，與主要的控制器功率元件接觸散熱。5.6.1采用液冷的電機和控制器的冷卻結構第5章電動汽車循環(huán)冷卻技術第31頁2.電機的液冷結構電機的液冷結構主要由電機冷卻套和電機冷卻內套。電機冷卻系統(tǒng)水道可采用軸向和圓周方向兩種布置形式。5.6.1采用液冷的電機和控制器的冷卻結構第5章電動汽車循環(huán)冷卻技術第32頁5.6.2熱阻等效電路分析采用熱阻等效電路的形式分析電機和電機控制器冷卻系統(tǒng)熱阻冷卻系統(tǒng)耗散功率等效為電流源熱阻產生的溫差等效為電壓熱阻等效為電阻第5章電動汽車循環(huán)冷卻技術第33頁熱量傳導過程5.6.2熱阻等效電路分析熱源傳熱體傳熱體冷卻體產熱量吸收熱量輸出熱量輸入熱量第5章電動汽車循環(huán)冷卻技術第34頁穩(wěn)態(tài)熱傳導5.6.2熱阻等效電路分析熱源傳熱體傳熱體冷卻體產熱量輸出熱量輸入熱量第5章電動汽車循環(huán)冷卻技術第35頁熱量傳導穩(wěn)態(tài)穩(wěn)升熱平衡原理穩(wěn)態(tài)溫升5.6.2熱阻等效電路分析熱流量吸熱量傳熱量定義熱阻第5章電動汽車循環(huán)冷卻技術第36頁多層平壁的穩(wěn)態(tài)熱傳導

5.6.2熱阻等效電路分析δ/mt2θ/℃θ2θ3θ4Pθ1第5章電動汽車循環(huán)冷卻技術第37頁熱量傳導動態(tài)溫升微分方程動態(tài)溫升溫度變化5.6.2熱阻等效電路分析第5章電動汽車循環(huán)冷卻技術第38頁發(fā)熱體溫升—時間關系曲線第5章電動汽車循環(huán)冷卻技術第39頁5.6.2熱阻等效電路分析1.電機控制器熱阻等效電路第5章電動汽車循環(huán)冷卻技術第40頁5.6.2熱阻等效電路分析

傳導熱阻

溫度變化等效熱阻第5章電動汽車循環(huán)冷卻技術第41頁5.6.2熱阻等效電路分析2.電機熱阻等效電路第5章電動汽車循環(huán)冷卻技術第42頁5.6.2熱阻等效電路分析

溫度變化等效熱阻第5章電動汽車循環(huán)冷卻技術第43頁1.流體狀態(tài)分析電機和電機控制器一體化液冷系統(tǒng)管道形狀復雜，存在彎曲和截面變化，流體在管道中流動狀態(tài)不僅與流體速度有關，而且與管道尺寸、流體黏著系數(shù)有關，通常用雷諾數(shù)來表示流體的狀態(tài)。當雷諾數(shù)＞4000時，流體在管道中以紊流為主。紊流狀態(tài)下的流體同時沿管道軸向和徑向流動，管道中各點動狀態(tài)十分不規(guī)則，流速時刻在變化，使得流體流動阻力急劇增加，附著在管壁的邊界層大大減薄。5.6.3

電機及其驅動器液冷系統(tǒng)參數(shù)設計流速密度直徑粘著系數(shù)第5章電動汽車循環(huán)冷卻技術第44頁2.流量計算冷卻介質分配與系統(tǒng)各部分損耗（發(fā)熱量）相對應，使系統(tǒng)各部分溫升較為均勻，避免局部過熱影響壽命。冷卻水在單位時間內流量可由下式計算：在電機和電機控制器一體化冷卻系統(tǒng)設計中，注意保持冷卻介質流量的分配與系統(tǒng)中各部分損耗的分配相對應，對冷卻結構進行詳細的流量計算，并在試驗中加以修正。5.6.3

電機及其驅動器液冷系統(tǒng)參數(shù)設計8-10K第5章電動汽車循環(huán)冷卻技術第45頁3.流阻計算管道形狀變化，如截面突然擴大、縮小、彎曲等，使流體產生渦流、