第7章 新能源汽車(chē)的循環(huán)冷卻系統(tǒng)

新能源汽車(chē)技術(shù)第7章新能源汽車(chē)的循環(huán)冷卻系統(tǒng)Jul,2014新能源汽車(chē)技術(shù)，F(xiàn)acultyofNewEnergyVehicles，Jul,2014第7章新能源汽車(chē)的循環(huán)冷卻系統(tǒng)新能源汽車(chē)的冷卻散熱技術(shù)是車(chē)輛輔助系統(tǒng)的核心技術(shù)之一。新能源汽車(chē)主要的熱源有能量?jī)?chǔ)存系統(tǒng)（如電池）、控制器、電動(dòng)機(jī)等。2新能源汽車(chē)技術(shù)，F(xiàn)acultyofNewEnergyVehicles，Jul,2014第7章新能源汽車(chē)的循環(huán)冷卻系統(tǒng)7.1新能源汽車(chē)中的熱源和發(fā)熱機(jī)理新能源汽車(chē)的熱源主要集中在三類(lèi)部件中：一是能量?jī)?chǔ)存系統(tǒng)中，比如蓄電池、燃料電池等；二是電機(jī)控制器；三是電機(jī)。3新能源汽車(chē)技術(shù)，F(xiàn)acultyofNewEnergyVehicles，Jul,2014第7章新能源汽車(chē)的循環(huán)冷卻系統(tǒng)7.1新能源汽車(chē)中的熱源和發(fā)熱機(jī)理7.1.1蓄電池的發(fā)熱機(jī)理鎳氫電池的正極采用氫氧化鎳為活性物質(zhì)的鎳電極負(fù)極采用由儲(chǔ)氫合金儲(chǔ)氫而形成的金屬氫化物電極電解質(zhì)是水溶性氫氧化鉀和氫氧化鋰的混合物4新能源汽車(chē)技術(shù)，F(xiàn)acultyofNewEnergyVehicles，Jul,2014第7章新能源汽車(chē)的循環(huán)冷卻系統(tǒng)7.1新能源汽車(chē)中的熱源和發(fā)熱機(jī)理在充放電過(guò)程中，氫鎳電池電化學(xué)反應(yīng)表示如下：過(guò)充電時(shí)的電化學(xué)反應(yīng)如下:正極：負(fù)極：總反應(yīng)：再化合：5新能源汽車(chē)技術(shù)，F(xiàn)acultyofNewEnergyVehicles，Jul,2014第7章新能源汽車(chē)的循環(huán)冷卻系統(tǒng)7.1新能源汽車(chē)中的熱源和發(fā)熱機(jī)理鎳氫電池的生熱因素主要有四項(xiàng)：電池化學(xué)反應(yīng)生熱電池極化生熱過(guò)充電副反應(yīng)生熱內(nèi)阻焦耳熱6新能源汽車(chē)技術(shù)，F(xiàn)acultyofNewEnergyVehicles，Jul,2014第7章新能源汽車(chē)的循環(huán)冷卻系統(tǒng)7.1新能源汽車(chē)中的熱源和發(fā)熱機(jī)理電池充電過(guò)程中的反應(yīng)生熱可以分為兩個(gè)階段：在沒(méi)有發(fā)生過(guò)充電副反應(yīng)之前為第一階段，發(fā)生過(guò)充電副反應(yīng)之后為第二階段。第一階段的熱量主要來(lái)自：電池化學(xué)反應(yīng)生熱電池極化生熱內(nèi)阻焦耳熱

7新能源汽車(chē)技術(shù)，F(xiàn)acultyofNewEnergyVehicles，Jul,2014第7章新能源汽車(chē)的循環(huán)冷卻系統(tǒng)7.1新能源汽車(chē)中的熱源和發(fā)熱機(jī)理生熱量可用下式計(jì)算：式中，IC為充電電流，單位為A；Rt為蓄電池內(nèi)阻和極化內(nèi)阻之和，單位為Ω；Qcharge為充電生熱量，單位為kJ/h。8新能源汽車(chē)技術(shù)，F(xiàn)acultyofNewEnergyVehicles，Jul,2014第7章新能源汽車(chē)的循環(huán)冷卻系統(tǒng)7.1新能源汽車(chē)中的熱源和發(fā)熱機(jī)理第二階段，生熱量主要來(lái)自：

電池化學(xué)反應(yīng)生熱

電池極化生熱

過(guò)充電副反應(yīng)生熱

內(nèi)阻焦耳熱充電末期和過(guò)充電時(shí)，過(guò)充電副反應(yīng)就開(kāi)始發(fā)生，其生熱量如下：電池放電過(guò)程中的生熱量主要來(lái)自電池化學(xué)反應(yīng)生熱、電池極化生熱、內(nèi)阻焦耳熱。9新能源汽車(chē)技術(shù)，F(xiàn)acultyofNewEnergyVehicles，Jul,2014第7章新能源汽車(chē)的循環(huán)冷卻系統(tǒng)7.1新能源汽車(chē)中的熱源和發(fā)熱機(jī)理7.1.2燃料電池的發(fā)熱機(jī)理燃料電池中的熱量來(lái)源主要有以下四個(gè)方面：（1）化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的熱量；（2）歐姆極化產(chǎn)生的焦耳熱量；（3）加濕氣體帶來(lái)的熱量；（4）吸收環(huán)境輻射的熱量。其中化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的熱量占到轉(zhuǎn)化化學(xué)能的60%左右，是熱量的主要來(lái)源。10新能源汽車(chē)技術(shù)，F(xiàn)acultyofNewEnergyVehicles，Jul,2014第7章新能源汽車(chē)的循環(huán)冷卻系統(tǒng)7.1新能源汽車(chē)中的熱源和發(fā)熱機(jī)理燃料電池堆中產(chǎn)生的熱量為：式中，n為燃料電池堆中包括的電池單體的數(shù)量；i為電流密度；A為有效的反應(yīng)面積；VOCV為燃料電池的理論開(kāi)路電壓；VC為電池的實(shí)際工作電壓。

11新能源汽車(chē)技術(shù)，F(xiàn)acultyofNewEnergyVehicles，Jul,2014第7章新能源汽車(chē)的循環(huán)冷卻系統(tǒng)7.1新能源汽車(chē)中的熱源和發(fā)熱機(jī)理7.1.3電機(jī)控制器的發(fā)熱機(jī)理電機(jī)控制器是將蓄電池等能量?jī)?chǔ)存系統(tǒng)的電能轉(zhuǎn)換為驅(qū)動(dòng)電機(jī)的電能，并輸出給電機(jī)的部件。電機(jī)控制器的主要生熱器件是輸出級(jí)的功率絕緣柵型雙極場(chǎng)效應(yīng)管MOSFET器件。這些功率模塊的損耗主要包括晶體管工作時(shí)的導(dǎo)通損耗、關(guān)斷損耗、通態(tài)損耗、截止損耗和驅(qū)動(dòng)損耗，這些功率損耗都會(huì)轉(zhuǎn)換成熱能，使控制器發(fā)熱。最重要的是通態(tài)損耗和關(guān)斷損耗，這兩項(xiàng)損耗是電機(jī)控制器熱量的主要來(lái)源。12新能源汽車(chē)技術(shù)，F(xiàn)acultyofNewEnergyVehicles，Jul,2014第7章新能源汽車(chē)的循環(huán)冷卻系統(tǒng)7.1新能源汽車(chē)中的熱源和發(fā)熱機(jī)理通態(tài)損耗是指IGBT在導(dǎo)通過(guò)程中，由于導(dǎo)通壓降而產(chǎn)生的損耗。電機(jī)控制器的通態(tài)損耗的大小取決于三個(gè)因素：一是IGBT的飽和壓降，這取決于晶體管的特性；二是向電機(jī)輸出的電流的大小，電機(jī)的工作電流越大，通態(tài)損耗就越大；三是取決于占空比系數(shù)，占空比越大，表示電機(jī)控制器向電機(jī)輸出的平均電壓就越高，控制器本身的通態(tài)損耗就越大。13新能源汽車(chē)技術(shù)，F(xiàn)acultyofNewEnergyVehicles，Jul,2014第7章新能源汽車(chē)的循環(huán)冷卻系統(tǒng)7.1新能源汽車(chē)中的熱源和發(fā)熱機(jī)理開(kāi)關(guān)損耗是指晶體管在飽和和截止過(guò)渡過(guò)程中所產(chǎn)生的損耗。當(dāng)PWM頻率超過(guò)5kHz時(shí)，這種損耗會(huì)很?chē)?yán)重。14新能源汽車(chē)技術(shù)，F(xiàn)acultyofNewEnergyVehicles，Jul,2014第7章新能源汽車(chē)的循環(huán)冷卻系統(tǒng)7.1新能源汽車(chē)中的熱源和發(fā)熱機(jī)理7.1.4電機(jī)的發(fā)熱機(jī)理電動(dòng)機(jī)內(nèi)部由鐵芯和繞組線(xiàn)圈組成，電機(jī)通電運(yùn)行都會(huì)有不同的發(fā)熱現(xiàn)象。繞組有電阻，通電會(huì)產(chǎn)生損耗，損耗大小與電阻和電流的平方成正比，這就是我們常說(shuō)的銅損。除直流電機(jī)外，電動(dòng)汽車(chē)電機(jī)控制器輸出的電流多為方波，不是標(biāo)準(zhǔn)的正弦波，會(huì)產(chǎn)生諧波損耗。鐵芯有磁滯渦流效應(yīng)，在交變磁場(chǎng)中也會(huì)產(chǎn)生損耗，其大小與材料、電流、頻率、電壓有關(guān)，這就是鐵損。銅損和鐵損都會(huì)以發(fā)熱的形式表現(xiàn)出來(lái)，從而影響電機(jī)的效率。15新能源汽車(chē)技術(shù)，F(xiàn)acultyofNewEnergyVehicles，Jul,2014第7章新能源汽車(chē)的循環(huán)冷卻系統(tǒng)7.2新能源汽車(chē)散熱系統(tǒng)的主要類(lèi)型1．自然散熱自然散熱就是指不采用特別的散熱措施，讓發(fā)熱部件通過(guò)自身表面與環(huán)境空氣的作用，或通過(guò)相鄰部件的傳導(dǎo)作用，將熱量傳送出去，達(dá)到散熱的目的。16新能源汽車(chē)技術(shù)，F(xiàn)acultyofNewEnergyVehicles，Jul,2014第7章新能源汽車(chē)的循環(huán)冷卻系統(tǒng)7.2新能源汽車(chē)散熱系統(tǒng)的主要類(lèi)型2．風(fēng)冷散熱通過(guò)空氣流過(guò)發(fā)熱部件表面或特別設(shè)計(jì)的風(fēng)道，帶走發(fā)熱部件內(nèi)部所產(chǎn)生的熱量，這種方式稱(chēng)為風(fēng)冷散熱。風(fēng)冷散熱可分為利用汽車(chē)行駛時(shí)與空氣相對(duì)運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的風(fēng)進(jìn)行散熱和強(qiáng)制風(fēng)冷散熱兩種形式。17新能源汽車(chē)技術(shù)，F(xiàn)acultyofNewEnergyVehicles，Jul,2014第7章新能源汽車(chē)的循環(huán)冷卻系統(tǒng)7.2新能源汽車(chē)散熱系統(tǒng)的主要類(lèi)型3．液體循環(huán)散熱讓液體（水、專(zhuān)用油或其他介質(zhì)）通過(guò)發(fā)熱部件內(nèi)部專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的水道，吸收發(fā)熱部件內(nèi)部的熱量，并將熱量帶到外部的散熱器，通過(guò)風(fēng)冷方式給散熱器中的液體降溫，再將降溫后的液體送回發(fā)熱部件內(nèi)部繼續(xù)吸收熱量。也稱(chēng)為液體強(qiáng)制循環(huán)冷卻系統(tǒng)。18新能源汽車(chē)技術(shù)，F(xiàn)acultyofNewEnergyVehicles，Jul,2014第7章新能源汽車(chē)的循環(huán)冷卻系統(tǒng)7.2新能源汽車(chē)散熱系統(tǒng)的主要類(lèi)型4．運(yùn)用相變材料的冷卻系統(tǒng)材料在固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)中發(fā)生轉(zhuǎn)變的過(guò)程稱(chēng)為相變。材料在相變過(guò)程中，會(huì)放熱或者吸熱，利用相變材料的這種特性在發(fā)熱部件工作時(shí)，吸收熱量，不工作時(shí)散發(fā)熱量，來(lái)維持發(fā)熱部件的正常溫度。運(yùn)用這種相變材料可以構(gòu)成冷卻系統(tǒng)。相變材料的分類(lèi)：按照相變過(guò)程的不同，相變材料可分為固—固相變、固—液相變、固—?dú)庀嘧兒鸵骸獨(dú)庀嘧儾牧纤姆N，目前應(yīng)用較多的是固—液相變材料。19新能源汽車(chē)技術(shù)，F(xiàn)acultyofNewEnergyVehicles，Jul,2014第7章新能源汽車(chē)的循環(huán)冷卻系統(tǒng)7.2新能源汽車(chē)散熱系統(tǒng)的主要類(lèi)型按照其化學(xué)組成可分為無(wú)機(jī)相變材料、有機(jī)相變材料和復(fù)合相變材料。無(wú)機(jī)相變材料包括結(jié)晶水合鹽（可逆性不好）、熔融鹽、金屬合金等無(wú)機(jī)物；有機(jī)相變材料包括石蠟、羧酸、酯、多元醇等有機(jī)物；混合相變材料主要是有機(jī)和無(wú)機(jī)共融相變材料的混合物，多種相變材料混合可以獲得合適的相變溫度。20新能源汽車(chē)技術(shù)，F(xiàn)acultyofNewEnergyVehicles，Jul,2014第7章新能源汽車(chē)的循環(huán)冷卻系統(tǒng)7.2新能源汽車(chē)散熱系統(tǒng)的主要類(lèi)型相變冷卻系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：（1）它屬于吸收型被動(dòng)冷卻，與常規(guī)散熱有很大的不同。它不靠溫差散熱，因此不受外界環(huán)境溫度變化的影響，使元件或設(shè)備始終穩(wěn)定在需要的溫度上。在低氣壓或真空條件下需要散熱的設(shè)備采用這種溫控技術(shù)效果更好。（2）與主動(dòng)散熱比較，它不用電，沒(méi)有運(yùn)動(dòng)部件，可在振動(dòng)、沖擊、加速度等惡劣的力學(xué)條件下工作，可靠性很高。21新能源汽車(chē)技術(shù)，F(xiàn)acultyofNewEnergyVehicles，Jul,2014第7章新能源汽車(chē)的循環(huán)冷卻系統(tǒng)7.2新能源汽車(chē)散熱系統(tǒng)的主要類(lèi)型（3）在一定條件下，它可取代水冷和風(fēng)冷進(jìn)行散熱，如對(duì)半導(dǎo)體制冷器件的熱端溫控，不用水冷或風(fēng)冷，節(jié)水節(jié)電，具有較大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。（4）它能周期性工作，長(zhǎng)久使用。（5）它比普通散熱器體積可縮小5-13倍左右，重量可減輕2-9倍左右。22新能源汽車(chē)技術(shù)，F(xiàn)acultyofNewEnergyVehicles，Jul,2014第7章新能源汽車(chē)的循環(huán)冷卻系統(tǒng)7.3電池散熱系統(tǒng)當(dāng)車(chē)輛在高速、低速、加速、減速等交替變換的不同行駛狀況下運(yùn)行時(shí)，電池會(huì)以不同倍率放電，以不同速率產(chǎn)生大量熱量，加上時(shí)間累積以及空間影響會(huì)產(chǎn)生不均勻熱量聚集，從而導(dǎo)致電池組運(yùn)行環(huán)境溫度復(fù)雜多變。如果電動(dòng)汽車(chē)電池組在高溫下得不到及時(shí)通風(fēng)散熱，將會(huì)導(dǎo)致電池組系統(tǒng)溫度過(guò)高或溫度分布不均勻，最終將降低電池充放電循環(huán)效率，影響電池的功率和能量的輸出，嚴(yán)重時(shí)還將導(dǎo)致熱失控，影響電池的安全性與可靠性。

23新能源汽車(chē)技術(shù)，F(xiàn)acultyofNewEnergyVehicles，Jul,2014第7章新能源汽車(chē)的循環(huán)冷卻系統(tǒng)7.3電池散熱系統(tǒng)7.3.1主動(dòng)散熱系統(tǒng)與被動(dòng)散熱系統(tǒng)電池包散熱系統(tǒng)可以分為被動(dòng)散熱系統(tǒng)和主動(dòng)散熱系統(tǒng)兩大類(lèi)。主動(dòng)方式是指對(duì)熱傳導(dǎo)介質(zhì)加熱或制冷后再送入電池包的方式，否則為被動(dòng)方式。采用主動(dòng)方式還是被動(dòng)方式散熱，效率會(huì)有很大差別。

24新能源汽車(chē)技術(shù)，F(xiàn)acultyofNewEnergyVehicles，Jul,2014第7章新能源汽車(chē)的循環(huán)冷卻系統(tǒng)7.3電池散熱系統(tǒng)圖7.1利用外部空氣流通的被動(dòng)散熱方式圖7.2利用內(nèi)部空氣流通的被動(dòng)散熱方式25新能源汽車(chē)技術(shù)，F(xiàn)acultyofNewEnergyVehicles，Jul,2014第7章新能源汽車(chē)的循環(huán)冷卻系統(tǒng)7.3電池散熱系統(tǒng)圖7.3利用空氣流通的主動(dòng)散熱方式圖7.4利用液體循環(huán)的被動(dòng)散熱方式

26新能源汽車(chē)技術(shù)，F(xiàn)acultyofNewEnergyVehicles，Jul,2014第7章新能源汽車(chē)的循環(huán)冷卻系統(tǒng)7.3電池散熱系統(tǒng)7.3.2散熱系統(tǒng)根據(jù)傳熱學(xué)理論，固體與氣體，固體與液體接觸產(chǎn)生傳熱現(xiàn)象。氣體的對(duì)流換熱系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒(méi)有液體的對(duì)流換熱系數(shù)大；液體和固體接觸對(duì)流換熱能力更強(qiáng)。傳熱系數(shù)越大所交換的熱量越多，換熱效果就越明顯，因此要選擇合適的傳熱介質(zhì)。

27新能源汽車(chē)技術(shù)，F(xiàn)acultyofNewEnergyVehicles，Jul,2014第7章新能源汽車(chē)的循環(huán)冷卻系統(tǒng)7.3電池散熱系統(tǒng)表7.1表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的一般范圍

28新能源汽車(chē)技術(shù)，F(xiàn)acultyofNewEnergyVehicles，Jul,2014第7章新能源汽車(chē)的循環(huán)冷卻系統(tǒng)7.3電池散熱系統(tǒng)目前最有效且最常用的電池包散熱還是采用空氣作為散熱介質(zhì)。目前多采用的空冷主要有串行和并行兩種通風(fēng)方式。圖7.5串行通風(fēng)串行情況下一般是使空氣從電池包一側(cè)流往另外一側(cè)，從而達(dá)到帶走熱量的效果。

29新能源汽車(chē)技術(shù)，F(xiàn)acultyofNewEnergyVehicles，Jul,2014第7章新能源汽車(chē)的循環(huán)冷卻系統(tǒng)7.3電池散熱系統(tǒng)圖7.6并行通風(fēng)并行情況下模塊間空氣都是直立上升氣流，這樣能夠更均勻地分配氣流，從而保證電池包中各處散熱一致。

30新能源汽車(chē)技術(shù)，F(xiàn)acultyofNewEnergyVehicles，Jul,2014第7章新能源汽車(chē)的循環(huán)冷卻系統(tǒng)7.3電池散熱系統(tǒng)采用氣體（空氣）作為傳熱介質(zhì)的主要優(yōu)點(diǎn)有：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，質(zhì)量輕，有害氣體產(chǎn)生時(shí)能有效通風(fēng)，成本較低；不足之處在于：與電池壁面之間換熱系數(shù)低，冷卻速度慢，效率低。目前應(yīng)用較多的另一種散熱系統(tǒng)是采用液體作為傳熱介質(zhì)的散熱系統(tǒng)，有以下主要優(yōu)點(diǎn)：與電池壁面之間換熱系數(shù)高，冷卻速度快；不足之處在于：密封性要求高，重量相對(duì)較大，維修和保養(yǎng)復(fù)雜，需要水套、換熱器等部件,結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜。采用相變材料的主要優(yōu)點(diǎn)有：與電池壁面之間換熱系數(shù)高，冷卻加熱速度快，效率高，還能一定程度上控制溫度上下限；不足之處在于其研發(fā)制造成本高。

31新能源汽車(chē)技術(shù)，F(xiàn)acultyofNewEnergyVehicles，Jul,2014第7章新能源汽車(chē)的循環(huán)冷卻系統(tǒng)7.3電池散熱系統(tǒng)除電池組本身需要散熱外，還要遵循以下規(guī)則：（1）電池的安裝位置與電機(jī)、電機(jī)控制器距離應(yīng)合理。（2）電池的安裝空間要有良好的通風(fēng)環(huán)境。（3）電池組的安裝位置應(yīng)盡可能地高。（4）電池組要便于檢修和拆卸。

32新能源汽車(chē)技術(shù)，F(xiàn)acultyofNewEnergyVehicles，Jul,2014第7章新能源汽車(chē)的循環(huán)冷卻系統(tǒng)7.3電池散熱系統(tǒng)7.3.3鉛酸蓄電池散熱鉛酸蓄電池由于成本低、適應(yīng)性好、可逆性好、大電流放電性能良好、可制成密封免維護(hù)結(jié)構(gòu)等優(yōu)點(diǎn)，得到了廣泛地應(yīng)用。在新能源汽車(chē)的應(yīng)用中，主要集中在低速電動(dòng)汽車(chē)上，且功率密度較低，續(xù)航里程要求也不高，一般不需要進(jìn)行強(qiáng)制散熱，采取普通的自然通風(fēng)散熱即可滿(mǎn)足其散熱要求。應(yīng)用在電動(dòng)汽車(chē)上時(shí)，除了保障蓄電池安裝牢固可靠外，還必須考慮蓄電池的通風(fēng)系統(tǒng)，避免氫氣的聚集而引起事故。33新能源汽車(chē)技術(shù)，F(xiàn)acultyofNewEnergyVehicles，Jul,2014第7章新能源汽車(chē)的循環(huán)冷卻系統(tǒng)7.3電池散熱系統(tǒng)7.3.4鋰離子電池散熱鋰離子電池種類(lèi)繁多，適用于新能源汽車(chē)的鋰離子電池，根據(jù)正極材料的不同，具有技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)性的鋰離子電池有四種：鋰鎳鈷鋁（NCA）鋰鎳錳鈷（NMC）鋰錳尖晶石（LMO）磷酸鐵鋰（LFP）34新能源汽車(chē)技術(shù)，F(xiàn)acultyofNewEnergyVehicles，Jul,2014第7章新能源汽車(chē)的循環(huán)冷卻系統(tǒng)7.3電池散熱系統(tǒng)鋰離子電池受溫度的影響較大，過(guò)高的溫度容易使電池電解液分解，引起電池早衰。如果電池溫度差別較大，還會(huì)引起電池充放電不均衡等問(wèn)題，因而在應(yīng)用中均需要強(qiáng)制通風(fēng)散熱。鋰離子電池的使用條件和要求相對(duì)較高，根據(jù)不同的鋰離子電池組，冷卻的方式可以采用自然散熱，也可以強(qiáng)制散熱。35新能源汽車(chē)技術(shù)，F(xiàn)acultyofNewEnergyVehicles，Jul,2014第7章新能源汽車(chē)的循環(huán)冷卻系統(tǒng)7.3電池散熱系統(tǒng)圖7.7幾種電池組散熱設(shè)計(jì)

36新能源汽車(chē)技術(shù)，F(xiàn)acultyofNewEnergyVehicles，Jul,2014第7章新能源汽車(chē)的循環(huán)冷卻系統(tǒng)7.3電池散熱系統(tǒng)由于鋰離子電池受到溫度的影響較大，特別是在低溫環(huán)境，充放電受到嚴(yán)重的影響，為了保證電池的正常使用，電池箱在散熱設(shè)計(jì)上不是采用空氣冷卻，而常采用液體冷卻。

37新能源汽車(chē)技術(shù)，F(xiàn)acultyofNewEnergyVehicles，Jul,2014第7章新能源汽車(chē)的循環(huán)冷卻系統(tǒng)7.3電池散熱系統(tǒng)圖7.8液冷電池箱工作原理示意圖

38新能源汽車(chē)技術(shù)，F(xiàn)acultyofNewEnergyVehicles，Jul,2014第7章新能源汽車(chē)的循環(huán)冷卻系統(tǒng)7.3電池散熱系統(tǒng)7.3.5燃料電池散熱通常，燃料電池的尾氣會(huì)帶走一些熱量，電池外表面空氣的自然對(duì)流也會(huì)帶走一部分熱量。但這兩種方式所能帶走的熱量只是極少的一部分。對(duì)于燃料電池所產(chǎn)生的主要的熱量通常分幾種情況，分別采取不同的處理方式。（1）自然冷卻：對(duì)于功率在200W以下的燃料電池，利用供給陰極的空氣來(lái)散熱，一般不需要進(jìn)行專(zhuān)門(mén)的熱設(shè)計(jì)。（2）風(fēng)冷：對(duì)于功率在250W～2.5kW的燃料電池，也可以采用利用空氣散熱的方式，但是，雙極板上必須要設(shè)計(jì)有專(zhuān)用的風(fēng)冷通道，如圖7.9所示。

39新能源汽車(chē)技術(shù)，F(xiàn)acultyofNewEnergyVehicles，Jul,2014第7章新能源汽車(chē)的循環(huán)冷卻系統(tǒng)7.3電池散熱系統(tǒng)

圖7.9燃料電池雙極板上的

專(zhuān)用冷卻通道

40新能源汽車(chē)技術(shù)，F(xiàn)acultyofNewEnergyVehicles，Jul,2014第7章新能源汽車(chē)的循環(huán)冷卻系統(tǒng)7.3電池散熱系統(tǒng)（3）水冷：對(duì)于功率在2.5kW以上的燃料電池，一般都采用水冷方式散熱。采用水冷方案時(shí)，雙極板上也需要設(shè)置水通道，水通道設(shè)置的尺寸和分布由電池的功率決定。PEMFC的散熱方法一般是通過(guò)設(shè)置在電堆內(nèi)部的雙極板表面的通水槽道內(nèi)的強(qiáng)制循環(huán)水，將燃料電池內(nèi)部產(chǎn)生的熱量帶走。

41新能源汽車(chē)技術(shù)，F(xiàn)acultyofNewEnergyVehicles，Jul,2014第7章新能源汽車(chē)的循環(huán)冷卻系統(tǒng)7.3電池散熱系統(tǒng)冷卻介質(zhì)的選擇需要考慮以下幾方面的因素：首先冷卻介質(zhì)必須具有良好的傳熱特性，熱容量大；其次要具有優(yōu)良的材料相容性，不會(huì)對(duì)燃料電池的密封膠和雙極板造成腐蝕或與之發(fā)生化學(xué)反應(yīng)；第三是要具有良好的介質(zhì)特性，保證在其意外泄露時(shí)，不會(huì)對(duì)電氣設(shè)備和環(huán)境造成破壞。另外，電池內(nèi)部合理的冷卻通道排列方式、合理的冷卻流體流動(dòng)條件和各通道中流量分配的均勻性，也是提高整個(gè)燃料電池冷卻系統(tǒng)效率的有效途徑。

42新能源汽車(chē)技術(shù)，F(xiàn)acultyofNewEnergyVehicles，Jul,2014第7章新能源汽車(chē)的循環(huán)冷卻系統(tǒng)7.3電池散熱系統(tǒng)無(wú)論是風(fēng)冷還是水冷，都應(yīng)該是具有強(qiáng)制循環(huán)功能的系統(tǒng)，只有這樣，才能達(dá)到有效散熱的目的。燃料電池是以燃料的電化學(xué)反應(yīng)發(fā)電的，常見(jiàn)的電動(dòng)汽車(chē)用燃料電池主要有PEMFC、AFC和PAFC三種。43新能源汽車(chē)技術(shù)，F(xiàn)acultyofNewEnergyVehicles，Jul,2014第7章新能源汽車(chē)的循環(huán)冷卻系統(tǒng)7.4電機(jī)與控制器散熱7.4.1電機(jī)與控制器冷卻方式1．電機(jī)冷卻如果驅(qū)動(dòng)電機(jī)得不到有效的冷卻，電機(jī)的內(nèi)部溫度不斷的升高，導(dǎo)致電機(jī)效率下降，如果溫度過(guò)高，就會(huì)造成電機(jī)內(nèi)部線(xiàn)圈燒蝕甚至導(dǎo)致線(xiàn)圈短路而使電機(jī)損壞。另外，多數(shù)電機(jī)內(nèi)部均有磁性材料，如果溫度過(guò)高，就會(huì)導(dǎo)致磁性材料穩(wěn)定性下降，磁性降低，甚至磁性消失，也會(huì)導(dǎo)致電機(jī)損壞。

44新能源汽車(chē)技術(shù)，F(xiàn)acultyofNewEnergyVehicles，Jul,2014第7章新能源汽車(chē)的循環(huán)冷卻系統(tǒng)7.4電機(jī)與控制器散熱電機(jī)常見(jiàn)的冷卻方式有風(fēng)冷和液冷兩種。采用風(fēng)冷方式較為常見(jiàn)，如一些小型直流電動(dòng)機(jī)、交流電動(dòng)機(jī)、開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)、異步電動(dòng)機(jī)等；液冷方式主要用在一些永磁電動(dòng)機(jī)上。從理論上講，幾乎所有的電機(jī)既可以采用風(fēng)冷也可以采用液冷方式，最大的區(qū)別主要體現(xiàn)在電機(jī)的設(shè)計(jì)用途和功率密度上。45新能源汽車(chē)技術(shù)，F(xiàn)acultyofNewEnergyVehicles，Jul,2014第7章新能源汽車(chē)的循環(huán)冷卻系統(tǒng)7.4電機(jī)與控制器散熱如果車(chē)輛安裝空間自由度較大，通風(fēng)情況良好，電機(jī)的重量要求不是很苛刻，可以采用風(fēng)冷電機(jī)。為了節(jié)約車(chē)輛空間，縮小電機(jī)的體積，降低電機(jī)的重量，提高電機(jī)的功率，可以采用液冷方式。46新能源汽車(chē)技術(shù)，F(xiàn)acultyofNewEnergyVehicles，Jul,2014第7章新能源汽車(chē)的循環(huán)冷卻系統(tǒng)7.4電機(jī)與控制器散熱2．控制器冷卻電動(dòng)汽車(chē)系統(tǒng)控制器除了有主電機(jī)控制器外，還有若干小功率的DC/DC或者DC/AC逆變器。在外觀(guān)上，風(fēng)冷的控制器體積要較液冷的控制器體積大，風(fēng)冷控制器一般需要裝備多個(gè)強(qiáng)冷散熱風(fēng)扇，進(jìn)行強(qiáng)制通風(fēng)。車(chē)載電機(jī)控制器的冷卻方式主要取決于電機(jī)的冷卻方式。一般情況下，這兩者均可采用相同的冷卻方式進(jìn)行冷卻。47新能源汽車(chē)技術(shù)，F(xiàn)acultyofNewEnergyVehicles，Jul,2014第7章新能源汽車(chē)的循環(huán)冷卻系統(tǒng)7.4電機(jī)與控制器散熱7.4.2電機(jī)與控制器的冷卻需求風(fēng)冷和液冷方式，要根據(jù)電機(jī)和控制器的冷卻需求而選用。對(duì)于風(fēng)冷電機(jī)及控制器，只能從本身的設(shè)計(jì)上進(jìn)行改善，如增加散熱面積、增加必要的強(qiáng)制通風(fēng)設(shè)備等。在安裝時(shí)，設(shè)備必須安裝在開(kāi)放位置或通風(fēng)良好的環(huán)境下。對(duì)于液冷的電機(jī)和控制器來(lái)說(shuō)，需要對(duì)電機(jī)和控制器進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)和安裝，采用相匹配的散熱系統(tǒng)，方能滿(mǎn)足使用要求。48新能源汽車(chē)技術(shù)，F(xiàn)acultyofNewEnergyVehicles，Jul,2014第7章新能源汽車(chē)的循環(huán)冷卻系統(tǒng)7.4電機(jī)與控制器散熱電機(jī)產(chǎn)生的熱量，首先通過(guò)傳導(dǎo)方式傳送到電機(jī)的外表面，然后借輻射和對(duì)流作用將熱量從電機(jī)外表面散發(fā)到周?chē)鋮s介質(zhì)中去。電機(jī)的冷卻情況決定了電機(jī)的溫升，溫升又直接影響電機(jī)的使用壽命和額定容量。電機(jī)的冷卻介質(zhì)一般選用水、冷凍液或油等。49新能源汽車(chē)技術(shù)，F(xiàn)acultyofNewEnergyVehicles，Jul,2014第7章新能源汽車(chē)的循環(huán)冷卻系統(tǒng)7.4電機(jī)與控制器散熱為了保證冷卻液的通暢流動(dòng)，通常會(huì)將電機(jī)安裝設(shè)計(jì)成有一定的傾角的布置方式，位置較低的水口作為進(jìn)水口，位置較高的水口作為出水口。而控制器內(nèi)部由于設(shè)計(jì)較為特殊，為了避免散熱不均對(duì)內(nèi)部產(chǎn)生影響，一般采用控制器生產(chǎn)廠(chǎng)家要求的安裝方式，經(jīng)常采用水平安裝方式。50新能源汽車(chē)技術(shù)，F(xiàn)acultyofNewEnergyVehicles，Jul,2014第7章新能源汽車(chē)的循環(huán)冷卻系統(tǒng)7.4電機(jī)與控制器散熱圖7.10某大型電動(dòng)客車(chē)電機(jī)及控制器布局圖51新能源汽車(chē)技術(shù)，F(xiàn)acultyofNewEnergyVehicles，Jul,2014第7章新能源汽車(chē)的循環(huán)冷卻系統(tǒng)7.4電機(jī)與控制器散熱圖7.11某電動(dòng)汽車(chē)循環(huán)水路布置圖52新能源汽車(chē)技術(shù)，F(xiàn)acultyofNewEnergyVehicles，Jul,2014第7章新能源汽車(chē)的循環(huán)冷卻系統(tǒng)7.4電機(jī)與控制器散熱冷卻液的流向是從散熱水箱下部出來(lái)后，經(jīng)水泵后先冷卻電機(jī)控制器，從電機(jī)控制器流出的冷卻液進(jìn)入電機(jī)的低位進(jìn)水口，然后回流到散熱水箱的上回流口。這樣一個(gè)循環(huán)下來(lái)，保證了控制器的冷卻需求，使電機(jī)控制器得到整個(gè)系統(tǒng)最低溫度的冷卻液。53新能源汽車(chē)技術(shù)，F(xiàn)acultyofNewEnergyVehicles，Jul,2014第7章新能源汽車(chē)的循環(huán)冷卻系統(tǒng)7.5電機(jī)與控制器散熱量分析應(yīng)用在電動(dòng)汽車(chē)上的電機(jī)和電機(jī)控制器具有：功率密度高輸出電壓變化范圍大過(guò)載能力強(qiáng)運(yùn)行效率高冷卻性能好等特點(diǎn)，特別是從性能和冷卻要求上對(duì)電機(jī)和電機(jī)控制器提出了更高的要求。54新能源汽車(chē)技術(shù)，F(xiàn)acultyofNewEnergyVehicles，Jul,2014第7章新能源汽車(chē)的循環(huán)冷卻系統(tǒng)7.5電機(jī)與