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纯电动汽车热泵空调与电池交互热管理系统研究

关注热度:286   来源:新能源学术论文  作者:欧阳东
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【摘要】:动力电池热管理技术的提高将有利于电动汽车的发展。车室内的冷热需求和电池组的冷热需求既存在相互矛盾又存在相互协调的关系。本文对电池组的产热量和车用空调的制冷量、制热量进行整体考虑和交互利用,研究纯电动汽车磷酸铁锂动力电池组的生热和传热特性,通过计算和实验测试相结合的方法获取磷酸铁锂动力电池组分别在恒倍率放电和变工况放电条件下的产热特性,通过实车测试获取纯电动汽车在制冷工况和制热工况下的车内动态热负荷特性曲线。在此基础上,对纯电动汽车在不同车速和环境温度下的车内制冷、制热需求和电池组散热需求、余热利用潜力和加热需求特性进行交叉匹配分析,得到了纯电动汽车热泵空调制冷、制热量和电池组产热量的交互利用特性,并根据二者的可交互利用特性对纯电动汽车热泵空调和动力电池组交互热管理系统进行了设计。最后,通过Fluent软件对电池组分别在自然空气强制对流散热和利用热泵空调循环介质散热/加热的条件下的温度场进行了对比分析。 通过研究磷酸铁锂动力电池组在恒倍率放电和变工况放电条件下的产热行为,可以对电池组在循环工况下的产热量进行预测。研究发现E6纯电动汽车电池组在120km/h的行驶车速和40℃的高温环境下的峰值产热功率为3100W,峰值散热功率为2500W。 通过实车测试获得了E6纯电动汽车在制冷和热工况下的车内动态负荷特性曲线。测试结果表明:在制冷工况下,通过车窗传入车内的热负荷约为2092W,是形成车内热负荷的主要组成部分,占比达到44.2%;在制热工况下,通过车体外围结构的瞬间散热能力比较均匀,太阳辐射对车内热负荷的影响较小。 在此基础上,对E6纯电动汽车在不同车速和环境温度下的车内制冷、制热需求和电池组散热需求、余热利用潜力和加热需求特性进行交叉匹配分析,得到了纯电动汽车热泵空调制冷、制热量和电池组产热量的交互利用特性。其中,车内的冷热需求分为三种:制冷,既不需要制冷也不需要制热,制热。磷酸铁锂电池组的冷热需求分为三种:散热,即无散热需求也无加热需求和需要加热。特别的是,在环境温度为28℃时,电池组的峰值散热功率为1066W,在40℃的高温环境下的峰值散热功率为2500W,车内制冷需求为4800W,热泵空调的压缩机匹配制冷量为7300W;在制热工况时,电池组可利用峰值加热功率为2500W,车内制热需求设计为5000W,热泵空调的压缩机匹配制热量为7500W;电池组在16℃的环境温度和120km/h的行驶车速下,理想余热利用功率约为2020W,但经过分析发现,电池组的余热利用时间较短,且在行驶车速低于82km/h时,没有多余热量可供利用。因此,磷酸铁锂电池组的余热利用潜力较小。 根据二者的可交互利用特性对纯电动汽车热泵空调和动力电池组交互热管理系统进行了设计。最后,通过Fluent软件对电池组分别在自然空气强制对流散热和利用热泵空调循环介质散热/加热的条件下的温度场进行了对比分析。模拟结果显示,在热泵空调系统循环介质的热管理下,电池组的温度场能够保持在较佳的温度范围内,且电池组的温度均匀性更好。
【关键词】:纯电动汽车 磷酸铁锂电池组 交互热管理 热泵空调
【学位授予单位】:华南理工大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2013
【分类号】:U469.72
【目录】:
  • 摘要5-7
  • Abstract7-9
  • 目录9-11
  • 第一章 绪论11-20
  • 1.1 课题研究背景及意义11-12
  • 1.2 国内外研究现状12-18
  • 1.2.1 电动汽车热泵空调系统的应用研究12-15
  • 1.2.2 电池热管理技术的发展现状15-18
  • 1.3 本课题的研究工作18-20
  • 1.3.1 本课题的主要研究内容18-19
  • 1.3.2 本课题的研究特色19-20
  • 第二章 纯电动汽车磷酸铁锂电池产热特性研究20-32
  • 2.1 锂离子电池生热及传热特性研究20-24
  • 2.1.1 锂离子电池生热机理简介20-21
  • 2.1.2 锂离子电池产热速率模型研究21-22
  • 2.1.3 锂离子电池传热特性22-24
  • 2.2 磷酸铁锂电池的温度和内阻特性研究24-27
  • 2.2.1 磷酸铁锂电池的温度特性分析24-25
  • 2.2.2 磷酸铁锂电池的内阻特性分析25-27
  • 2.3 磷酸铁锂电池组产热特性研究27-31
  • 2.3.1 磷酸铁锂动力电池组恒倍率放电产热特性研究27-28
  • 2.3.2 磷酸铁锂动力电池组变工况放电产热特性研究28-31
  • 2.4 本章小结31-32
  • 第三章 纯电动汽车车内动态冷热负荷试验研究32-43
  • 3.1 汽车空调负荷的特点32-33
  • 3.2 纯电动汽车空调负荷实验研究33-36
  • 3.2.1 实验背景33
  • 3.2.2 实验内容及方法33-36
  • 3.3 实验结果与分析36-42
  • 3.3.1 制冷工况测试结果及分析36-39
  • 3.3.2 制热工况测试结果及分析39-42
  • 3.4 本章小结42-43
  • 第四章 纯电动汽车热泵空调与电池交互热管理系统设计43-56
  • 4.1 纯电动汽车热泵空调和电池交互热管理技术原理43
  • 4.2 纯电动汽车热泵空调和电池交互热管理参数匹配设计43-49
  • 4.2.1 磷酸铁锂电池在不同环境温度和车速下的散热需求特性43-45
  • 4.2.2 磷酸铁锂电池在不同环境温度和车速下的余热利用可行性分析45-48
  • 4.2.3 磷酸铁锂电池在不同环境温度下的加热需求特性48-49
  • 4.3 纯电动汽车热泵空调和电池交互热管理系统设计49-54
  • 4.3.1 汽车热泵空调系统理论循环49-50
  • 4.3.2 纯电动汽车热泵空调和电池交互热管理系统设计原理图50-54
  • 4.3.3 纯电动汽车热泵空调和电池交互热管理系统关键部件选型计算54
  • 4.4 本章小结54-56
  • 第五章 纯电动汽车热泵空调与电池交互热管理模拟研究56-66
  • 5.1 高温工况仿真分析56-62
  • 5.1.1 强迫风冷56-60
  • 5.1.2 热泵空调循环介质冷却60-62
  • 5.2 低温工况仿真分析62-65
  • 5.3 本章小结65-66
  • 结论与展望66-68
  • 参考文献68-71
  • 攻读硕士学位期间取得的研究成果71-72
  • 致谢72-74
  • 附件74


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关键词: 纯电动汽车

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