電動(dòng)汽車結(jié)構(gòu)與原理課件：電動(dòng)汽車循環(huán)冷卻技術(shù)

電動(dòng)汽車技術(shù)與原理

第1

頁(yè)電動(dòng)汽車循環(huán)冷卻技術(shù)5.1電動(dòng)汽車循環(huán)冷卻系統(tǒng)的要求5.2電動(dòng)汽車循環(huán)冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)步驟5.3電池散熱系統(tǒng)5.4電機(jī)和控制器散熱5.5電機(jī)和控制器散熱量計(jì)算5.6采用液冷的電機(jī)控制器和電機(jī)動(dòng)態(tài)溫升電動(dòng)汽車技術(shù)與原理

第2

頁(yè)

散熱循環(huán)實(shí)例電動(dòng)汽車技術(shù)與原理

第3

頁(yè)在電動(dòng)車實(shí)際設(shè)計(jì)中，要考慮熱源的特點(diǎn)，采取相應(yīng)的冷卻方式來(lái)滿足其使用要求。必須設(shè)計(jì)一套有效的通風(fēng)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(wèn)題，使之能夠滿足車輛的總體使用要求。電動(dòng)汽車循環(huán)冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)不但需要根據(jù)選用的不同部件的散熱特點(diǎn)采取相應(yīng)的冷卻措施，還應(yīng)對(duì)各熱源部件進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，形成智能化和自動(dòng)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(dòng)汽車的電能消耗，同時(shí)還能延長(zhǎng)散熱設(shè)備的使用壽命。5.1電動(dòng)汽車循環(huán)冷卻系統(tǒng)的要求返回電動(dòng)汽車技術(shù)與原理

第4

頁(yè)（1）確定電動(dòng)汽車主要熱源的產(chǎn)生及各種工況下需散熱的功率需求。（2）考慮電動(dòng)汽車運(yùn)行的環(huán)境條件和溫度，以及由此對(duì)電動(dòng)汽車散熱系統(tǒng)產(chǎn)生的影響。（3）確定車輛內(nèi)主要熱源的散熱方式，并按照要求選取合適的冷卻形式。（4）進(jìn)行散熱器的設(shè)計(jì)計(jì)算與布置。（5）計(jì)算并確定傳感器的性能參數(shù)，選擇或設(shè)計(jì)加工出性能好、體積小、易于安裝的傳感器。（6）將各種傳感器與電動(dòng)機(jī)制成一個(gè)整體，研究合理的安裝位置。（7）對(duì)于電池，因而還要考慮通風(fēng)狀況及通風(fēng)方向，防止有害物質(zhì)入侵乘員空間。（8）必要時(shí)需要對(duì)所選用的散熱部件進(jìn)行試驗(yàn)。5.2

電動(dòng)汽車循環(huán)冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)步驟返回電動(dòng)汽車技術(shù)與原理

第5

頁(yè)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(chǔ)能裝置5.3

電池散熱系統(tǒng)電動(dòng)汽車技術(shù)與原理

第6

頁(yè)鉛酸電池使用主要集中在低速電動(dòng)汽車上，而且功率密度較低，續(xù)駛里程要求也不高，一般不需要進(jìn)行強(qiáng)制散熱，采取普通的自然通風(fēng)散熱即可滿足要求。鉛酸電池在使用過(guò)程中，特別是對(duì)其進(jìn)行充電的過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生氫氣，氫氣屬于易燃易爆氣體，因而在應(yīng)用電動(dòng)汽車上時(shí)，除了保證電池安裝牢固可靠外，還必須考慮電池的通風(fēng)系統(tǒng)，避免氫氣的聚集而引起事故。鉛酸電池的電解液硫酸屬于強(qiáng)腐蝕性液體，在電池安裝設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)考慮電解液泄漏收集和排放裝置，避免電解液對(duì)車體的腐蝕5.3.1鉛酸電池電動(dòng)汽車技術(shù)與原理

第7

頁(yè)鋰離子電池種類繁多，但是這類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。鋰電池的散熱量相對(duì)較低，但是由于在安裝和使用過(guò)程中，一般將電池做成電池組或電池包。大量鋰電池的在一起工作容易產(chǎn)生熱量的堆積，影響電池性能，因而對(duì)鋰電池系統(tǒng)的散熱主要是為了避免熱量堆積。5.3.2鋰離子電池電動(dòng)汽車技術(shù)與原理

第8

頁(yè)鋰電池組設(shè)計(jì)5.3.2鋰離子電池電動(dòng)汽車技術(shù)與原理

第9

頁(yè)電池組風(fēng)扇散熱設(shè)計(jì)5.3.2鋰離子電池風(fēng)扇位于底部電動(dòng)汽車技術(shù)與原理

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頁(yè)電池組風(fēng)扇散熱設(shè)計(jì)5.3.2鋰離子電池風(fēng)扇位于頂部電動(dòng)汽車技術(shù)與原理

第11

頁(yè)電池組風(fēng)扇散熱設(shè)計(jì)5.3.2鋰離子電池風(fēng)扇位于電池組側(cè)部

電動(dòng)汽車技術(shù)與原理

第12

頁(yè)電池的冷卻環(huán)境規(guī)劃5.3.2鋰離子電池（1）電池安裝位置與電機(jī)和電機(jī)控制器距離不能過(guò)遠(yuǎn)。（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)盡可能的高。（4）電池組便于檢修和拆卸。電動(dòng)汽車技術(shù)與原理

第13

頁(yè)電池箱液體冷卻5.3.2鋰離子電池電動(dòng)汽車技術(shù)與原理

第14

頁(yè)電池箱液體加熱5.3.2鋰離子電池電動(dòng)汽車技術(shù)與原理

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頁(yè)鈉硫電池需要在高溫下才能進(jìn)行放電，需要一種特殊設(shè)備，確保鈉硫電池能夠穩(wěn)定處于（300～350）℃條件下。需要制作恒溫箱，散熱要求非?？量?，而且該機(jī)構(gòu)均由電池廠家提供設(shè)備。常見(jiàn)的應(yīng)用于電動(dòng)汽車的燃料電池主要有PEMFC、AFC和PAFC三種，三類燃料電池的溫度需求也不盡相同。燃料電池是以燃料的電化學(xué)反應(yīng)發(fā)電，其工作溫度一般在（60～100）℃，須設(shè)有專門的冷卻裝置。燃料電池的冷卻介質(zhì)為無(wú)離子水。排熱方式有：電池組本體外部冷卻法，冷卻劑通過(guò)電池組內(nèi)部管道進(jìn)行循環(huán)，電極氣體通過(guò)外部冷卻器進(jìn)行循環(huán)，電解液通過(guò)外部冷卻器循環(huán)等方法。5.3.3

鈉硫電池和燃料電池電動(dòng)汽車技術(shù)與原理

第16

頁(yè)5.3.4其它儲(chǔ)能裝置除了前面所介紹的各種電池外，還有空氣電池、超級(jí)電容器、飛輪儲(chǔ)能器和太陽(yáng)能電池等。這些電池一般不需要冷卻，保證安裝時(shí)的牢固可靠和良好的通風(fēng)環(huán)境即可。返回電動(dòng)汽車技術(shù)與原理

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頁(yè)5.4電機(jī)和控制器散熱5.4.1電機(jī)和控制器的冷卻方式5.4.2電機(jī)和控制器的冷卻要求電動(dòng)汽車技術(shù)與原理

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頁(yè)5.4.1

電機(jī)和控制器的冷卻方式1.電機(jī)冷卻電動(dòng)機(jī)的冷卻方式較多，常見(jiàn)的即為風(fēng)冷和液冷的方式。采用風(fēng)冷的方式的電機(jī)在目前還是較為常見(jiàn)，一些小型電機(jī)、交流電機(jī)、開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)、異步電機(jī)等；而采用液冷的電機(jī)主要用在一些永磁電機(jī)（如直流永磁無(wú)刷電機(jī)和交流永磁無(wú)刷電機(jī)）上。如果車輛安裝位置空余，車輛通風(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，一般采用液冷的較多。電動(dòng)汽車技術(shù)與原理

第19

頁(yè)5.4.1

電機(jī)和控制器的冷卻方式2.主電機(jī)控制器冷卻主電機(jī)控制器與電機(jī)的冷卻方式一樣，也有風(fēng)冷和液冷的區(qū)別。在外觀上，風(fēng)冷的控制器體積要較液冷的控制器體積要大，風(fēng)冷控制器一般需要裝備多個(gè)強(qiáng)制散熱風(fēng)扇，進(jìn)行強(qiáng)制通風(fēng)。但車載電機(jī)控制器的冷卻方式主要取決于電動(dòng)機(jī)的冷卻方式。一般說(shuō)來(lái)，沒(méi)有特殊情況，這兩者均采用相同的冷卻方式進(jìn)行冷卻。電動(dòng)汽車技術(shù)與原理

第20

頁(yè)5.4.1

電機(jī)和控制器的冷卻方式3.其他控制裝置系統(tǒng)控制器除了有主電機(jī)控制器（簡(jiǎn)稱控制器）外，還有幾個(gè)小功率的DC/DC或者DC/AC逆變器?？刂蒲b置一般允許最高溫度為（60～70）℃，而最佳工作環(huán)境溫度在（40～50）℃。周圍環(huán)境的溫度較高時(shí)，很容易達(dá)到其允許溫度。因此，這些裝置都有自身附帶的散熱設(shè)備，對(duì)其溫度進(jìn)行控制，需要選擇合適的安裝位置，并預(yù)留必要散熱空間。電動(dòng)汽車技術(shù)與原理

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頁(yè)電機(jī)和控制器的冷卻方式略有不同，一般電機(jī)的最高允許溫度為（70～80）℃，最佳工作溫度為60℃以下；而控制系統(tǒng)一般允許最高溫度為（60～70）℃，而最佳工作環(huán)境溫度在（40～50）℃以下。對(duì)于風(fēng)冷電機(jī)及控制器來(lái)說(shuō)，只能從本身的設(shè)計(jì)上進(jìn)行改善，例如增加散熱面積，增加必要的強(qiáng)制通風(fēng)設(shè)備等，設(shè)備必須安裝在開(kāi)放位置或者通風(fēng)良好的環(huán)境下。而對(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，采用匹配的散熱系統(tǒng)，方能滿足使用要求。電動(dòng)機(jī)的熱源來(lái)自電機(jī)內(nèi)部，首先借傳導(dǎo)作用傳送到電機(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)到周圍冷卻介質(zhì)中去。電機(jī)的冷卻介質(zhì)一般選用水、防凍液或油等。5.4.2

電機(jī)和控制器的冷卻需求電動(dòng)汽車技術(shù)與原理

第22

頁(yè)電機(jī)和控制器的安裝位置5.4.2

電機(jī)和控制器的冷卻需求電動(dòng)汽車技術(shù)與原理

第23

頁(yè)電機(jī)和控制器冷卻液的流向由于電動(dòng)汽車采用一套液冷設(shè)備，因此，對(duì)于電機(jī)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(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。5.4.2

電機(jī)和控制器的冷卻需求某電動(dòng)汽車循環(huán)水路布置圖返回電動(dòng)汽車技術(shù)與原理

第25

頁(yè)5.5電機(jī)和控制器散熱量計(jì)算5.5.1電機(jī)控制器的發(fā)熱量損耗計(jì)算5.5.2電機(jī)發(fā)熱損耗計(jì)算5.5.3電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器一體化液冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)電動(dòng)汽車技術(shù)與原理

第26

頁(yè)功率模塊損耗5.5.1電機(jī)控制器的發(fā)熱量損耗計(jì)算冷卻系統(tǒng)的耗散功率應(yīng)與功率模塊損耗相平衡，因而電機(jī)控制器冷卻系統(tǒng)耗散功率可用功率模塊損耗來(lái)等效。電動(dòng)汽車技術(shù)與原理

第27

頁(yè)5.5.2

電機(jī)發(fā)熱損耗計(jì)算電機(jī)的發(fā)熱損耗機(jī)械損耗常數(shù)電機(jī)冷卻系統(tǒng)耗散功率可用電機(jī)發(fā)熱損耗來(lái)等效。

電動(dòng)汽車技術(shù)與原理

第28

頁(yè)5.5.3

電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器一體化液冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)為了降低成本，節(jié)約空間，電動(dòng)汽車電機(jī)和電機(jī)控制器一般采用一體化冷卻結(jié)構(gòu)，電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器連接方式可以使用并聯(lián)也可使用串聯(lián)方式。由于電機(jī)和控制器能耗基本一致，一般采用串聯(lián)的方式。無(wú)論是串聯(lián)還是并聯(lián)，則系統(tǒng)發(fā)熱量為電機(jī)的發(fā)熱損耗和電機(jī)控制器的散熱損耗。電機(jī)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)器一體化系統(tǒng)的發(fā)熱損耗返回電動(dòng)汽車技術(shù)與原理

第29

頁(yè)5.6采用液冷的電機(jī)控制器和電機(jī)動(dòng)態(tài)溫升5.6.1采用液冷的電機(jī)和控制器的冷卻結(jié)構(gòu)5.6.2熱阻等效電路分析5.6.3電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)器液冷系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)電動(dòng)汽車技術(shù)與原理

第30

頁(yè)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(jī)和控制器的冷卻結(jié)構(gòu)電動(dòng)汽車技術(shù)與原理

第31

頁(yè)2.電機(jī)的液冷結(jié)構(gòu)電機(jī)的液冷結(jié)構(gòu)主要由電機(jī)冷卻套和電機(jī)冷卻內(nèi)套。電機(jī)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(jī)和控制器的冷卻結(jié)構(gòu)電動(dòng)汽車技術(shù)與原理

第32

頁(yè)5.6.2熱阻等效電路分析1.電機(jī)控制器熱阻等效電路電動(dòng)汽車技術(shù)與原理

第33

頁(yè)5.6.2熱阻等效電路分析

傳導(dǎo)熱阻

穩(wěn)態(tài)溫度等效熱阻電動(dòng)汽車技術(shù)與原理

第34

頁(yè)5.6.2熱阻等效電路分析2.電機(jī)熱阻等效電路電動(dòng)汽車技術(shù)與原理

第35

頁(yè)5.6.2熱阻等效電路分析

穩(wěn)態(tài)溫度等效熱阻電動(dòng)汽車技術(shù)與原理

第36

頁(yè)1.流體狀態(tài)分析電機(jī)和電機(jī)控制器一體化液冷系統(tǒng)管道形狀復(fù)雜，存在著多次彎曲和截面的變化，流體在管道中的流動(dòng)狀態(tài)不僅與流體的速度有關(guān)，而且與管道的幾何尺寸、流體的黏著系數(shù)有關(guān)，通常用雷諾數(shù)來(lái)表示流體的狀態(tài)。實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)雷諾數(shù)＞4000時(shí)，流體在管道中以紊流為主。紊流狀態(tài)下的流體同時(shí)沿管道軸向和徑向流動(dòng)，管道中各點(diǎn)動(dòng)狀態(tài)十分不規(guī)則，流速時(shí)刻在變化，使得流體流動(dòng)阻力急劇增加，附著在管壁的邊界層大大減薄。5.6.3

電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)器液冷系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)電動(dòng)汽車技術(shù)與原理

第37

頁(yè)2.流量計(jì)算冷卻介質(zhì)的分配與系統(tǒng)各部分的損耗（發(fā)熱量）相對(duì)應(yīng)，從而使系統(tǒng)各部分的溫升較為均勻，避免因局部過(guò)熱而影響系統(tǒng)的壽命。冷卻水在單位時(shí)間內(nèi)流量可由下式計(jì)算：在電機(jī)和電機(jī)控制器一體化冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，注意保持冷卻介質(zhì)流量的分配與系統(tǒng)中各部分損耗的分配相對(duì)應(yīng)，對(duì)冷卻結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)的流量計(jì)算，并在試驗(yàn)中加以修正。5.6.3

電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)器液冷系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)電動(dòng)汽車技術(shù)與原理

第38

頁(yè)3.流阻計(jì)算復(fù)雜的管道形狀變化，如截面突然擴(kuò)大、縮小、彎曲等，使流體產(chǎn)生渦流、加速或旋轉(zhuǎn)等，都將產(chǎn)生一定的能量損失，這種能量損失可通過(guò)流阻來(lái)表示。當(dāng)流體通過(guò)管道時(shí)，流阻可表示為5.6.3

電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)器液冷系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)電動(dòng)汽車技術(shù)與原理

第39

頁(yè)4.水泵功率計(jì)算為維持水流不斷地以單位時(shí)間流量通過(guò)一系列的串、并聯(lián)的水路，并帶走水流動(dòng)過(guò)程中從電機(jī)和電機(jī)控制器吸收的能量，必須不斷地為系統(tǒng)補(bǔ)充能量。對(duì)于液冷系統(tǒng)，系通過(guò)水泵將機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)樗鞯哪芰?，維持水系統(tǒng)的循環(huán)流動(dòng)。水泵功率液冷系統(tǒng)中流體的損耗如下式：5.6.3

電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)器液冷系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)電動(dòng)汽車技術(shù)與原理

第40

頁(yè)5.選擇合適的散熱循環(huán)系統(tǒng)通過(guò)計(jì)算，可以分別得出控制器和電機(jī)的散熱量，以及