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电动汽车冷却系统热流场的协同分析与液冷关键问题研究

作　者: 徐晓明
导　师: 赵又群
学　校: 南京航空航天大学
专　业: 车辆工程
关键词: 电动汽车场协同原理出风口模式水冷板流径速度均匀性进液流量
分类号: U469.72
类　型: 博士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

车用动力电池散热是电动汽车的关键技术和热点问题。本文针对场协同原理，提出若干新概念，在内涵上对场协同原理做了更细化的定义；通过仿真计算，结合场协同分析方法，提出一种新的电动汽车冷却系统散热性能判别方法，该方法可以快速、准确地指导电动汽车冷却系统散热性能分析与冷却方式选择；另外还对液冷系统散热性能影响因素、电池模块测温试验等问题开展深入细致的研究。（1）针对场协同原理，提出原场与作用场、正协同与负协同、单向协同与双向协同等概念，对场协同原理做了进一步的阐述：当作用场与原场为正协同时，将进一步增强原场一开始时的运动趋势，反之，则减弱。运用场协同分析方法，对风冷散热条件下半封闭腔室内热流场特性进行分析，判断不同出风口模式散热性能优劣，并通过仿真分析进行验证。（2）通过仿真计算，结合场协同分析方法，快速、准确地指导电动汽车动力舱出风口模式的选择，并通过不同环境温度和充放电倍率时热流场分析进行验证；同时，还研究电池组不同位置对电动汽车动力舱自然进风散热性能的影响。引入速度均匀性概念，定量地判断不同水冷板流径的散热性能优劣，并运用仿真计算和试验分析相结合的方法进行验证。（3）对影响液冷系统散热性能的其他关键因素进行分析，包括：环境与冷却液温差、进液流量。通过研究不同环境与冷却液温差对液冷系统散热性能的影响，确定能够较好地平衡电池模块最高温升和内部最大温差的环境与冷却液温差；通过研究不同结构与运行工况下（包括：水冷板不同流径、电池模块中部不同间隙、不同环境温度和不同充放电倍率），进液流量对液冷系统散热性能的影响，确定能够较好地满足液冷系统散热的进液流量。（4）结合无液冷系统散热和有液冷系统散热的电池模块温度场分布，对模拟电动汽车实际行驶时的测温点布置进行研究，从而更有效地监测电池模块的温度场分布均匀性情况。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-17
注释表  17-18
第一章绪论  18-27
  1.1 论文选题的目的和意义  18-19
  1.2 电动汽车冷却方式研究现状  19-24
    1.2.1 自然进风散热  20-21
    1.2.2 强制风冷散热  21-22
    1.2.3 液冷散热  22-23
    1.2.4 相变冷却散热  23
    1.2.5 不同冷却方式比较  23-24
  1.3 场协同原理研究现状  24-25
  1.4 本文主要研究内容  25-27
第二章场协同分析方法与风冷散热条件下半封闭腔室内热流场的协同分析  27-47
  2.1 场协同分析方法与应用  27-31
    2.1.1 场协同原理介绍  27-28
    2.1.2 场协同分析方法  28-29
    2.1.3 力学领域-升力与重力的场协同分析  29
    2.1.4 交通领域-车流与堵塞的场协同分析  29
    2.1.5 热流场领域-风冷散热条件下半封闭腔室内热流场的协同分析  29-31
  2.2 CFD 基础理论  31-37
    2.2.1 流动与传热控制方程  31-32
    2.2.2 湍流模型及其应用对策  32-35
    2.2.3 数值计算方法  35-37
  2.3 风冷散热条件下半封闭腔室内热流场的协同分析  37-45
    2.3.1 不同出风口模式散热性能分析  37-42
    2.3.2 不同上出风口模式散热性能分析  42-43
    2.3.3 热源不同几何尺寸散热性能分析  43-45
  2.4 本章小结  45-47
第三章基于自然进风散热的电动汽车动力舱热流场协同分析  47-79
  3.1 55Ah 锂离子电池单体充放电发热功率测定  47-51
    3.1.1 锂离子电池的工作原理和充放电热分析  47-48
    3.1.2 55Ah 锂离子电池单体性能和热物性参数  48-50
    3.1.3 55Ah 锂离子电池单体充放电发热功率测定试验  50-51
  3.2 不同出风口模式的电动汽车动力舱自然进风散热分析  51-62
    3.2.1 电动汽车模型和风洞模型  51-52
    3.2.2 电动汽车动力舱自然进风散热的热流场协同分析  52
    3.2.3 阻力系数和升力系数  52-53
    3.2.4 上出风口模式  53-56
    3.2.5 下出风口模式  56-58
    3.2.6 两边出风口模式  58-60
    3.2.7 不同出风口模式自然进风散热性能比较  60-62
  3.3 不同上出风口模式自然进风散热分析  62-64
    3.3.1 双口上出风模式  62-63
    3.3.2 不同上出风口模式自然进风散热性能比较  63-64
  3.4 不同环境温度下电动汽车动力舱自然进风散热性能分析  64-70
    3.4.1 20℃环境温度  64-66
    3.4.2 40℃环境温度  66-68
    3.4.3 不同环境温度下各出风口模式自然进风散热性能比较  68-70
  3.5 不同充放电倍率时电动汽车动力舱自然进风散热性能分析  70-75
    3.5.1 0.8C 充放电倍率  70-72
    3.5.2 1.2C 充放电倍率  72-74
    3.5.3 不同充放电倍率时各出风口模式自然进风散热性能比较  74-75
  3.6 电池组不同位置自然进风散热性能分析  75-77
  3.7 本章小结  77-79
第四章基于不同水冷板流径的电动汽车液冷系统热流场协同分析  79-90
  4.1 电动汽车液冷系统试验平台  79-84
    4.1.1 液冷系统总成  79-80
    4.1.2 锂离子电池标准模块和不同水冷板流径  80-81
    4.1.3 其他组成部件介绍  81-82
    4.1.4 主要试验设备  82-83
    4.1.5 充放电循环  83-84
  4.2 场协同分析方法指导不同水冷板流径散热性能分析  84-88
    4.2.1 不同水冷板流径热流场的协同分析  84-85
    4.2.2 不同水冷板流径散热仿真计算  85-86
    4.2.3 不同水冷板流径散热试验验证  86-88
  4.3 水冷板流径进一步优化分析  88-89
    4.3.1 场协同分析方法指导水冷板流径进一步优化  88-89
    4.3.2 水冷板流径进一步优化仿真计算  89
  4.4 本章小结  89-90
第五章测温点的布置及环境与冷却液温差对散热性能的影响  90-108
  5.1 有无液冷系统散热对电池模块温度场的影响  90-95
    5.1.1 无液冷系统散热  90-92
    5.1.2 有液冷系统散热  92-95
    5.1.3 有无液冷系统散热的比较  95
  5.2 电池模块测温点的布置  95-97
    5.2.1 无液冷系统散热  95-96
    5.2.2 有液冷系统散热  96-97
    5.2.3 模拟实车行驶  97
  5.3 环境与冷却液温差对电动汽车液冷系统散热性能的影响  97-107
    5.3.1 环境与冷却液温差为 0℃（环境温度为 24℃）  97-99
    5.3.2 环境与冷却液温差为 3℃（环境温度为 27℃）  99-100
    5.3.3 环境与冷却液温差为 6℃（环境温度为 30℃）  100-101
    5.3.4 环境与冷却液温差为 11℃（环境温度为 35℃）  101-103
    5.3.5 环境与冷却液温差为 16℃（环境温度为 40℃）  103-104
    5.3.6 环境与冷却液温差为 21℃（环境温度为 45℃）  104-105
    5.3.7 不同环境与冷却液温差的散热性能比较  105-107
  5.4 本章小结  107-108
第六章不同进液流量对电动汽车液冷系统散热性能的影响  108-136
  6.1 27℃环境温度下进液流量对单进单出流径液冷散热的影响  108-112
  6.2 不同环境温度下进液流量对双进双出流径液冷散热的影响  112-122
    6.2.1 27℃环境温度  112-115
    6.2.2 35℃环境温度  115-118
    6.2.3 45℃环境温度  118-121
    6.2.4 不同环境温度下散热性能比较  121-122
  6.3 不同充放电倍率时进液流量对双进双出流径液冷散热的影响  122-129
    6.3.1 0.8C 充放电倍率  122-125
    6.3.2 1.2C 充放电倍率  125-128
    6.3.3 不同充放电倍率时散热性能比较  128-129
  6.4 进液流量对电池模块中部间隙增加 4mm 液冷散热的影响  129-132
  6.5 不同进液流量下液冷系统散热性能分析  132-134
    6.5.1 不同结构与运行工况散热性能比较  132-133
    6.5.2 不同水冷板流径和电池模块中部间隙散热性能比较  133-134
  6.6 液冷系统散热性能并不完全随进液流量增加而改善原因分析  134-135
  6.7 本章小结  135-136
第七章总结与展望  136-139
  7.1 本文的主要研究成果和创新点  136-137
  7.2 展望  137-139
参考文献  139-150
致谢  150-151
在学期间的研究成果及发表的学术论文  151-152

电动汽车冷却系统热流场的协同分析与液冷关键问题研究

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