第7章 新能源汽车的循环冷却系统

第7章 新能源汽车的循环冷却系统
7.1 新能源汽车中的热源和发热机理 7.1.1 蓄电池的发热机理 镍氢电池的正极采用氢氧化镍为活性物质的镍电极
负极采用由储氢合金储氢而形成的金属氢化物电极
电解质是水溶性氢氧化钾和氢氧化锂的混合物
新能源汽车技术，Faculty of New Energy Vehicles，Jul,2014
Page 6
第7章 新能源汽车的循环冷却系统
7.1 新能源汽车中的热源和发热机理 电池充电过程中的反应生热可以分为两个阶段：在没有发生 过充电副反应之前为第一阶段，发生过充电副反应之后为第 二阶段。 第一阶段的热量主要来自： 电池化学反应生热
电池极化生热
内阻焦耳热
新能源汽车技术，Faculty of New Energy Vehicles，Jul,2014
Page 4
第7章 新能源汽车的循环冷却系统
7.1 新能源汽车中的热源和发热机理 在充放电过程中，氢镍电池电化学反应表示如下：
M Ni(HO)2 MH x NiOOH Q
过充电时的电化学反应如下: 1 2HO 2e- O2 H2O 正极： 2 2H2O 2e- H2 2HO 负极： 1 总反应： H2 O H2 O2 2 1 再化合： H2 O2 H2O 2
第7章 新能源汽车的循环冷却系统
7.1 新能源汽车中的热源和发热机理 通态损耗是指IGBT在导通过程中，由于导通压降而产生的损 耗。
电机控制器的通态损耗的大小取决于三个因素：
一是IGBT的饱和压降，这取决于晶体管的特性； 二是向电机输出的电流的大小，电机的工作电流越大，通态 损耗就越大； 三是取决于占空比系数，占空比越大，表示电机控制器向电 机输出的平均电压就越高，控制器本身的通态损耗就越大。
Page 17
第7章 新能源汽车的循环冷却系统
7.2 新能源汽车散热系统的主要类型 3．液体循环散热 让液体（水、专用油或其他介质）通过发热部件内部专门设 计的水道，吸收发热部件内部的热量，并将热量带到外部的 散热器，通过风冷方式给散热器中的液体降温，再将降温后 的液体送回发热部件内部继续吸收热量。 也称为液体强制循环冷却系统。
Page 2
第7章 新能源汽车的循环冷却系统
7.1 新能源汽车中的热源和发热机理 新能源汽车的热源主要集中在三类部件中： 一是能量储存系统中，比如蓄电池、燃料电池等；
二是电机控制器；
三是电机。
新能源汽车技术，Faculty of New Energy Vehicles，Jul,2014
Page 3
铁芯有磁滞涡流效应，在交变磁场中也会产生损耗，其大小 与材料、电流、频率、电压有关，这就是铁损。 铜损和铁损都会以发热的形式表现出来，从而影响电机的效 率。
新能源汽车技术，Faculty of New Energy Vehicles，Jul,201Βιβλιοθήκη Baidu Page 15
第7章 新能源汽车的循环冷却系统
无机相变材料包括结晶水合盐（可逆性不好）、熔融盐、金 属合金等无机物；
有机相变材料包括石蜡、羧酸、酯、多元醇等有机物；
混合相变材料主要是有机和无机共融相变材料的混合物，多 种相变材料混合可以获得合适的相变温度。
新能源汽车技术，Faculty of New Energy Vehicles，Jul,2014
相变材料的分类：按照相变过程的不同，相变材料可分为 固—固相变、固—液相变、固—气相变和液—气相变材料四 种，目前应用较多的是固—液相变材料。
新能源汽车技术，Faculty of New Energy Vehicles，Jul,2014
Page 19
第7章 新能源汽车的循环冷却系统
7.2 新能源汽车散热系统的主要类型 按照其化学组成可分为无机相变材料、有机相变材料和复合 相变材料。
7.2 新能源汽车散热系统的主要类型 1．自然散热 自然散热就是指不采用特别的散热措施，让发热部件通过自 身表面与环境空气的作用，或通过相邻部件的传导作用，将 热量传送出去，达到散热的目的。
新能源汽车技术，Faculty of New Energy Vehicles，Jul,2014
Page 16
第7章 新能源汽车的循环冷却系统
新能源汽车技术，Faculty of New Energy Vehicles，Jul,2014
Page 5
第7章 新能源汽车的循环冷却系统
7.1 新能源汽车中的热源和发热机理 镍氢电池的生热因素主要有四项： 电池化学反应生热
电池极化生热
过充电副反应生热 内阻焦耳热
新能源汽车技术，Faculty of New Energy Vehicles，Jul,2014
新能源汽车技术，Faculty of New Energy Vehicles，Jul,2014
Page 21
第7章 新能源汽车的循环冷却系统
7.2 新能源汽车散热系统的主要类型 （3）在一定条件下，它可取代水冷和风冷进行散热，如对半 导体制冷器件的热端温控，不用水冷或风冷，节水节电，具 有较大的经济价值。 （4）它能周期性工作，长久使用。 （5）它比普通散热器体积可缩小5-13倍左右，重量可减轻29倍左右。
Page 14
第7章 新能源汽车的循环冷却系统
7.1 新能源汽车中的热源和发热机理 7.1.4 电机的发热机理 电动机内部由铁芯和绕组线圈组成，电机通电运行都会有不 同的发热现象。 绕组有电阻，通电会产生损耗，损耗大小与电阻和电流的平 方成正比，这就是我们常说的铜损。
除直流电机外，电动汽车电机控制器输出的电流多为方波， 不是标准的正弦波，会产生谐波损耗。
新能源汽车技术，Faculty of New Energy Vehicles，Jul,2014
Page 22
第7章 新能源汽车的循环冷却系统
7.3 电池散热系统 当车辆在高速、低速、加速、减速等交替变换的不同行驶状 况下运行时，电池会以不同倍率放电，以不同速率产生大量 热量，加上时间累积以及空间影响会产生不均匀热量聚集， 从而导致电池组运行环境温度复杂多变。 如果电动汽车电池组在高温下得不到及时通风散热，将会导 致电池组系统温度过高或温度分布不均匀，最终将降低电池 充放电循环效率，影响电池的功率和能量的输出，严重时还 将导致热失控，影响电池的安全性与可靠性。
Page 7
第7章 新能源汽车的循环冷却系统
7.1 新能源汽车中的热源和发热机理 生热量可用下式计算：
2 Qcharge 0.547Ic 3.6Ic Rt
式中，IC为充电电流，单位为A； Rt为蓄电池内阻和极化内阻 之和，单位为Ω； Qcharge为充电生热量，单位为kJ/h。
新能源汽车技术，Faculty of New Energy Vehicles，Jul,2014
新能源汽车技术，Faculty of New Energy Vehicles，Jul,2014
Page 11
第7章 新能源汽车的循环冷却系统
7.1 新能源汽车中的热源和发热机理 7.1.3 电机控制器的发热机理 电机控制器是将蓄电池等能量储存系统的电能转换为驱动电 机的电能，并输出给电机的部件。 电机控制器的主要生热器件是输出级的功率绝缘栅型双极场 效应管MOSFET器件。
这些功率模块的损耗主要包括晶体管工作时的导通损耗、关 断损耗、通态损耗、截止损耗和驱动损耗，这些功率损耗都 会转换成热能，使控制器发热。
最重要的是通态损耗和关断损耗，这两项损耗是电机控制器 热量的主要来源。
新能源汽车技术，Faculty of New Energy Vehicles，Jul,2014 Page 12
新能源汽车技术，Faculty of New Energy Vehicles，Jul,2014
Page 23
第7章 新能源汽车的循环冷却系统
7.3 电池散热系统 7.3.1 主动散热系统与被动散热系统 电池包散热系统可以分为被动散热系统和主动散热系统两大 类。 主动方式是指对热传导介质加热或制冷后再送入电池包的方 式，否则为被动方式。采用主动方式还是被动方式散热，效 率会有很大差别。
7.2 新能源汽车散热系统的主要类型 2．风冷散热 通过空气流过发热部件表面或特别设计的风道，带走发热部 件内部所产生的热量，这种方式称为风冷散热。 风冷散热可分为利用汽车行驶时与空气相对运动所产生的风 进行散热和强制风冷散热两种形式。
新能源汽车技术，Faculty of New Energy Vehicles，Jul,2014
新能源汽车技术，Faculty of New Energy Vehicles，Jul,2014
Page 18
第7章 新能源汽车的循环冷却系统
7.2 新能源汽车散热系统的主要类型 4．运用相变材料的冷却系统 材料在固态、液态、气态中发生转变的过程称为相变。
材料在相变过程中，会放热或者吸热，利用相变材料的这种 特性在发热部件工作时，吸收热量，不工作时散发热量，来 维持发热部件的正常温度。运用这种相变材料可以构成冷却 系统。
新能源汽车技术，Faculty of New Energy Vehicles，Jul,2014
Page 24
第7章 新能源汽车的循环冷却系统
7.3 电池散热系统
图7.1 利用外部空气流通的被动散热方式
图7.2 利用内部空气流通的被动散热方式
新能源汽车技术，Faculty of New Energy Vehicles，Jul,2014 Page 25
新能源汽车技术，Faculty of New Energy Vehicles，Jul,2014
Page 10
第7章 新能源汽车的循环冷却系统
7.1 新能源汽车中的热源和发热机理 燃料电池堆中产生的热量为：
Qwaste niA(Vocv Vc )
式中，n为燃料电池堆中包括的电池单体的数量；i为电流密 度；A为有效的反应面积；VOCV为燃料电池的理论开路电压；VC 为电池的实际工作电压。
新能源汽车技术，Faculty of New Energy Vehicles，Jul,2014
Page 13
第7章 新能源汽车的循环冷却系统
7.1 新能源汽车中的热源和发热机理 开关损耗是指晶体管在饱和和截止过渡过程中所产生的损耗。 当PWM频率超过5kHz时，这种损耗会很严重。
新能源汽车技术，Faculty of New Energy Vehicles，Jul,2014
Page 8
第7章 新能源汽车的循环冷却系统
7.1 新能源汽车中的热源和发热机理 第二阶段，生热量主要来自： 电池化学反应生热
电池极化生热
过充电副反应生热 内阻焦耳热 充电末期和过充电时，过充电副反应就开始发生，其生热量 如下：
2 Qcharge 5.334Ic 3.6Ic Rt
电池放电过程中的生热量主要来自电池化学反应生热、电池 极化生热、内阻焦耳热。
Page 20
第7章 新能源汽车的循环冷却系统
7.2 新能源汽车散热系统的主要类型 相变冷却系统具有以下特点： （1）它属于吸收型被动冷却，与常规散热有很大的不同。它 不靠温差散热，因此不受外界环境温度变化的影响，使元件 或设备始终稳定在需要的温度上。 在低气压或真空条件下需要散热的设备采用这种温控技术效 果更好。 （2）与主动散热比较，它不用电，没有运动部件，可在振动、 冲击、加速度等恶劣的力学条件下工作，可靠性很高。
新能源汽车技术，Faculty of New Energy Vehicles，Jul,2014 Page 9
第7章 新能源汽车的循环冷却系统
7.1 新能源汽车中的热源和发热机理 7.1.2 燃料电池的发热机理 燃料电池中的热量来源主要有以下四个方面：
（1）化学反应产生的热量；
（2）欧姆极化产生的焦耳热量； （3）加湿气体带来的热量； （4）吸收环境辐射的热量。 其中化学反应产生的热量占到转化化学能的60%左右，是热量 的主要来源。
Jul,2014
新能源汽车技术
第7章 新能源汽车的循环冷却系统
第7章 新能源汽车的循环冷却系统
新能源汽车的冷却散热技术是车辆辅助系统的核心技术之一。 新能源汽车主要的热源有能量储存系统（如电池）、控制器、 电动机等。
新能源汽车技术，Faculty of New Energy Vehicles，Jul,2014