第5章 电动汽车循环冷却技术

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1、电动汽车技术与原理 第 1 页,第5章 电动汽车循环冷却技术,5. 1电动汽车循环冷却系统的要求 5. 2电动汽车循环冷却系统设计步骤 5. 3电池散热系统 5. 4电机和控制器散热 5. 5电机和控制器散热量计算 5. 6 采用液冷的电机控制器和电机动态温升,电动汽车技术与原理 第 2 页,散热循环实例,电动汽车技术与原理 第 3 页,考虑热源特点，采取相应的冷却方式来满足使用要求。 必须设计一套有效的通风冷却系统，并且综合考虑冷却散热部件的体积、重量、尺寸等问题，使之能够满足车辆的总体使用要求。 循环冷却系统的设计要根据选用的不同部件的散热特点采取相应的冷却措施，还应对各热源部件进行实时监

2、控，形成智能化和自动化控制循环冷却系统。 智能的控制可以最大程度地降低电动汽车的电能消耗，同时还能延长散热设备的使用寿命。,5. 1 电动汽车循环冷却系统的要求,返回,电动汽车技术与原理 第 4 页,（1）确定主要热源产生及各种工况下需散热的功率需求。 （2）考虑电动汽车环境条件和温度，及对散热系统影响。 （3）确定主要热源散热方式，按照要求选取冷却形式。 （4）进行散热器的设计计算与布置。 （5）确定传感器性能参数，选择或设计加工出性能好、体积小、易于安装的传感器。 （6）将传感器与电动机制成整体，研究合理安装位置。 （7）对于电池，考虑通风状况及通风方向，防止有害物质入侵乘员空间。 （8）

3、必要时需要对所选用的散热部件进行试验。,5. 2 电动汽车循环冷却系统设计步骤,返回,电动汽车技术与原理 第 5 页,5. 3. 1 铅酸电池 5. 3. 2 锂离子电池 5. 3. 3 钠硫电池和燃料电池 5. 3. 4 其它储能装置,5. 3 电池散热系统,电动汽车技术与原理 第 6 页,铅酸电池集中在低速电动汽车，功率密度较低，续驶里程要求不高，一般不需要强制散热，采取自然通风散热即可满足要求。 充电过程，产生氢气，易燃易爆，保证电池安装牢固可靠外，还必须考虑电池通风系统，避免氢气聚集引起事故。 电解液硫酸属于强腐蚀性液体，电池安装设计时，应考虑电解液泄漏收集和排放装置，避免电解液对车体

4、的腐蚀,5. 3. 1 铅酸电池,电动汽车技术与原理 第 7 页,锂离子电池种类繁多，受温度影响较大，过高温度容易使电池电解液分解，引起电池早衰。 电池温度差别较大，会引起电池充放电不均衡，应用中需要强制通风散热。 散热量相对较低，安装和使用过程中，一般将电池做成电池组或电池包。 大量锂电池一起工作容易产生热量堆积，影响电池性能，散热主要是为了避免热量堆积。,5. 3. 2 锂离子电池,电动汽车技术与原理 第 8 页,锂电池组设计,5. 3. 2 锂离子电池,电动汽车技术与原理 第 9 页,电池组风扇散热设计,5. 3. 2 锂离子电池,风扇位于底部,吹风,电动汽车技术与原理 第 10 页,电

5、池组风扇散热设计,5. 3. 2 锂离子电池,风扇位于顶部,吸风,电动汽车技术与原理 第 11 页,电池组风扇散热设计,5. 3. 2 锂离子电池,风扇位于电池组侧部,横流风,电动汽车技术与原理 第 12 页,电池的冷却环境规划,5. 3. 2 锂离子电池,（1）安装位置与电机和电机控制器距离不能过远。 （2）安装空间要有良好的通风环境。 （3）安装位置应尽可能的高。 （4）便于检修和拆卸。,电动汽车技术与原理 第 13 页,电池箱液体冷却,5. 3. 2 锂离子电池,油液,电动汽车技术与原理 第 14 页,电池箱液体加热,5. 3. 2 锂离子电池,电动汽车技术与原理 第 15 页,钠硫电池

6、高温才能放电，需要特殊设备，确保处于（300350）。 需要制作恒温箱，散热要求非常苛刻，而且该机构均由电池厂家提供设备。 电动汽车燃料电池主要有PEMFC、AFC 和PAFC，温度需求也不尽相同。工作温度一般在（60 100），须设有专门的冷却装置。 燃料电池的冷却介质为无离子水。 排热方式：电池组本体外部冷却法，冷却剂通过电池组内部管道进行循环，电极气体通过外部冷却器进行循环，电解液通过外部冷却器循环等方法。,5. 3. 3 钠硫电池和燃料电池,电动汽车技术与原理 第 16 页,5. 3. 4 其它储能装置,除了前面所介绍的各种电池外，还有空气电池、超级电容器、飞轮储能器和太阳能电池等。

7、这些电池一般不需要冷却，保证安装时的牢固可靠和良好的通风环境即可。,返回,电动汽车技术与原理 第 17 页,5. 4 电机和控制器散热,5. 4. 1 电机和控制器的冷却方式 5. 4. 2 电机和控制器的冷却要求,电动汽车技术与原理 第 18 页,5. 4. 1 电机和控制器的冷却方式,1. 电机冷却 冷却方式较多，常见的为风冷和液冷。 风冷方式小型电机、交流电机、开关磁阻电机、异步电机等 液冷方式永磁电机（直流永磁无刷电机和交流永磁无刷电机） 如果安装位置空余，通风情况良好，重量要求不苛刻，采用风冷电机。 为了节约空间，缩小电机体积，降低重量，提高功率，采用液冷。,电动汽车技术与原理 第

8、19 页,5. 4. 1 电机和控制器的冷却方式,2. 主电机控制器冷却 冷却方式有风冷和液冷。 风冷控制器体积要较液冷控制器体积要大，风冷控制器一般需要装备多个散热风扇，强制通风。 取决于电动机冷却方式。一般两者采用相同的冷却方式,电动汽车技术与原理 第 20 页,5. 4. 1 电机和控制器的冷却方式,3. 其他控制装置 除主电机控制器，还有小功率DC/DC或DC/AC逆变器。压缩泵、转向泵、制动泵、冷却泵 控制装置一般允许最高温度（6070） ，最佳工作温度（4050） 。 这些装置都有自身附带散热设备，对其温度进行控制，选择合适安装位置，预留散热空间。,电动汽车技术与原理 第 21 页

9、,电机和控制器的冷却方式略有不同 一般电机最高允许温度为（7080），最佳工作温度为60以下；控制系统一般允许最高温度为（6070），最佳工作环境温度（4050）以下。 风冷电机及控制器 从本身设计上改善，增加散热面积，增加必要通风设备 安装在开放位置或者通风良好环境,5. 4. 2 电机和控制器的冷却需求,电动汽车技术与原理 第 22 页,液冷的电机和控制器 需要对电机和控制器进行合理的设计和安装，采用匹配的散热系统，方能满足使用要求。 电动机的热源来自电机内部，首先借传导作用传送到电机的外表面，然后借辐射和对流作用将热量从电机外表面散发到周围冷却介质中去。 电机的冷却介质一般选用水、防冻液

10、或油等。,5. 4. 2 电机和控制器的冷却需求,电动汽车技术与原理 第 23 页,电机和控制器的安装位置,5. 4. 2 电机和控制器的冷却需求,水平,倾斜,电动汽车技术与原理 第 24 页,电机和控制器冷却液的流向 电动汽车采用一套液冷设备，对于电机和控制器而言，要想获得最佳的冷却效果，冷却液的流向十分重要。 冷却液的流向一般是从散热水箱下部出来后，经水泵后先冷却电机控制器，从电机控制器流出的冷却液进入电机的低位进水口，然后回流到散热水箱的上回流口。 这样一个循环下来，保证了控制器的冷却需求，使电机控制器得到整个系统最低温度的冷却液。,5. 4. 2 电机和控制器的冷却需求,某电动汽车循环

11、水路布置图,返回,温控 电扇,电动汽车技术与原理 第 26 页,5.5 电机和控制器散热量计算,5.5.1 电机控制器的发热量损耗计算 5.5.2电机发热损耗计算 5.5.3 电机和驱动器一体化液冷系统设计,电动汽车技术与原理 第 27 页,功率模块损耗,5.5.1 电机控制器的发热量损耗计算,冷却系统的耗散功率应与功率模块损耗相平衡 电机控制器冷却系统耗散功率可用功率模块损耗等效,开关损耗,通态损耗,电动汽车技术与原理 第 28 页,5. 5. 2 电机发热损耗计算,电机的发热损耗,机械损耗常数,电机冷却系统耗散功率可用电机发热损耗来等效,电机铁损,机械损耗,附加损耗,电动汽车技术与原理 第

12、 29 页,5.5.3 电机和驱动器一体化液冷系统设计,为了降低成本，节约空间，电动汽车电机和电机控制器一般采用一体化冷却结构， 连接方式可以使用并联也可使用串联方式 。 由于电机和控制器能耗基本一致，一般采用串联的方式。 无论是串联还是并联，则系统发热量为电机的发热损耗和电机控制器的散热损耗。 电机和电机驱动器一体化系统的发热损耗,返回,电动汽车技术与原理 第 30 页,5.6采用液冷的电机控制器和电机动态温升,5. 6. 1 采用液冷的电机和控制器的冷却结构 5. 6. 2 热阻等效电路分析 5. 6. 3 电机及其驱动器液冷系统参数设计,电动汽车技术与原理 第 31 页,1. 控制器的液

13、冷方式控制器的液冷方式主要是在控制器的底部加装循环散热板，与主要的控制器功率元件接触散热。,5. 6. 1 采用液冷的电机和控制器的冷却结构,电动汽车技术与原理 第 32 页,2. 电机的液冷结构 电机的液冷结构主要由电机冷却套和电机冷却内套。 电机冷却系统水道可采用轴向和圆周方向两种布置形式。,5. 6. 1 采用液冷的电机和控制器的冷却结构,电动汽车技术与原理 第 33 页,5.6.2 热阻等效电路分析,采用热阻等效电路的形式分析电机和电机控制器冷却系统热阻 冷却系统耗散功率等效为电流源 热阻产生的温差等效为电压 热阻等效为电阻,电动汽车技术与原理 第 34 页,热量传导过程,5.6.2

14、热阻等效电路分析,热源,传热体,传热体,冷却体,产热量,吸收热量,输出热量,输入热量,电动汽车技术与原理 第 35 页,稳态热传导,5.6.2 热阻等效电路分析,热源,传热体,传热体,冷却体,产热量,输出热量,输入热量,电动汽车技术与原理 第 36 页,热量传导稳态稳升,热平衡原理,稳态温升,5.6.2 热阻等效电路分析,热流量,吸热量,传热量,定义热阻,电动汽车技术与原理 第 37 页,多层平壁的稳态热传导,5.6.2 热阻等效电路分析,电动汽车技术与原理 第 38 页,热量传导动态温升,微分方程,动态温升,温度变化,5.6.2 热阻等效电路分析,电动汽车技术与原理 第 39 页,发热体温升

15、时间关系曲线,电动汽车技术与原理 第 40 页,5. 6. 2 热阻等效电路分析,1. 电机控制器热阻等效电路,电动汽车技术与原理 第 41 页,5. 6. 2 热阻等效电路分析,传导热阻,温度变化,等效热阻,电动汽车技术与原理 第 42 页,5. 6. 2 热阻等效电路分析,2. 电机热阻等效电路,电动汽车技术与原理 第 43 页,5. 6. 2 热阻等效电路分析,温度变化,等效热阻,电动汽车技术与原理 第 44 页,1. 流体状态分析 电机和电机控制器一体化液冷系统管道形状复杂，存在弯曲和截面变化，流体在管道中流动状态不仅与流体速度有关，而且与管道尺寸、流体黏着系数有关，通常用雷诺数来表示

16、流体的状态。当雷诺数4000时，流体在管道中以紊流为主。紊流状态下的流体同时沿管道轴向和径向流动，管道中各点动状态十分不规则，流速时刻在变化，使得流体流动阻力急剧增加，附着在管壁的边界层大大减薄。,5. 6. 3 电机及其驱动器液冷系统参数设计,流速 密度 直径 粘着系数,电动汽车技术与原理 第 45 页,2. 流量计算 冷却介质分配与系统各部分损耗（发热量）相对应，使系统各部分温升较为均匀，避免局部过热影响寿命。 冷却水在单位时间内流量可由下式计算：在电机和电机控制器一体化冷却系统设计中，注意保持冷却介质流量的分配与系统中各部分损耗的分配相对应，对冷却结构进行详细的流量计算，并在试验中加以修正。,5. 6. 3 电机及其驱动器液冷系统参数设计,