电动汽车动力总成能量流试验研究

为了获得电动汽车动力总成内部能量转化、传递和损耗,即能量流的分布规律,搭建了模块化的电动汽车动力总成能量流试验平台。该试验台主要由动力总成模块、液流换热模块、充电模块、台架控制模块和数据采集模块等模块组成,可实现对电动汽车动力总成的控制和运行参数的监测,通过对测得运行参数的数据处理即可获得能量流分布。以某电动汽车动力总成为测试对象,对其在不同扭矩工况下的能量流进行了测试,得到了电池、电控、电动机(三电)各自的输入和输出功率、损耗、效率等重要性能指标随工况变化的规律,为电动汽车动力总成的设计与优化提供了指导。

车载热管理技术测试系统研制

根据典型热管理系统的车载测试需求进行了传感器选型,选用CompactRIO测试系统作为传感器信号采集平台,设计了Mylab上位机程序框架,在Mylab框架上完成车载测试系统的软件系统编写。测试系统软件用于车载热管理技术相关的数据测试及分析,可以对测试模块和CompactRIO各测试通道的快速配置,实现对车辆行车电脑(ECU)数据和GPS信号的读取,并通过了系统功能的实验验证。

锂电池特性试验及布置方式对热状态的影响

为研究圆柱形电池布置方式对其热状态的影响,选取某型号18650磷酸铁锂电池为研究对象,开展单体电池的基础特性测试试验,测量不同温度和荷电状态(SOC)下电池的内阻、电动势温度变化系数以及放电过程中的温升,根据实验结果建立电池生热模型,将其作为热源,开展单体电池热状态仿真并进行试验验证。在此基础上,建立风冷电池模组流动传热数值仿真模型,计算并比较不同电池布置方式下的电池组热状态。结果发现:叉排形式的布置方案比顺排形式总体冷却效果更好,但温度均匀性较差;尤其当总排数越多时,温度均匀性越差;温度均匀性仅与电池组内部结构有关,与冷却风入口速度没有必然联系。

老化对不同能量密度锂电池产热的影响

针对锂电池老化后产热特性变化的问题,以2款不同能量密度的商用21700圆柱形锂电池为研究对象,开展了加速老化试验,并在老化试验的不同阶段,测量了其在23℃环境温度、1C放电倍率下的放电容量和表面温升。此外,通过老化前后电池电化学阻抗谱的测试和数据拟合获得了电池内阻的变化。结果表明:相同循环条件下,所选的2款电池中能量密度较大的电池老化速率更快,且不同健康状态下放电时的最大表面温升和平均温升速率均上升,而能量密度较小的电池老化后的最大表面温升始终低于新电池;在老化中期,放电初始阶段的温升速率也低于新电池。内阻变化是引起产热变化的主要原因,老化后电池的各项内阻显著增大,但2款电池在各项内阻增幅和增幅最大的内阻项上存在明显差异。

在热能与动力工程测试课程中开展缸盖测温实验教学

针对高校缺乏系统的专业实验教学、在校研究生实验设计困难、实验方法不合理等现象,在热能与动力工程测试技术课程中增设实验教学模块,旨在提高学生动手实践能力,培养学生科研实验素养。以发动机缸盖火力面温度测试实验为例,从系统搭建、设备标定、测点布置、台架实验到误差分析、数据处理开展系统性实验教学。实践结果表明,发动机缸盖测温实验教学较好地帮助了学生对温度测试过程的理解和掌握,并且提升了学生的实验技能和实践能力,为后续研究生阶段的科研工作打下坚实的实验基础。

车用驱动电机冷却系统仿真研究

针对车用驱动电机在提高功率密度过程中的冷却问题,以某型号水冷永磁同步电机为研究对象,建立三维流固耦合传热数值仿真模型,采用有限体积法对电机温度场和水道流场进行求解,并用试验数据对计算结果进行验证。在此基础上,计算不同冷却介质入口温度和流量、介质类型、冷却流道截面形状和圈数下电机内部的流动传热情况,以电机温度场、流道压降等参数作为评价指标对不同条件下的冷却性能进行评价分析。研究结果表明:随着冷却介质入口温度的降低或入口流量的增大,电机各部件的温度显著下降,但增大流量会使泵功指数增加;分别以冷却油、乙二醇水溶液、水作为冷却介质时,相同流量下的散热功率依次增大,而压降则依次降低;机壳上的螺旋形流道圈数越多,散热功率和压降均越大;保持流道截面积不变,改变截面形状对电机温度影响较小,但对压降有较大影响,其影响与换热面积相关。

高能量密度锂离子电池老化半经验模型

电池循环老化过程中容量会不断衰退,内阻也会逐渐增长,从而影响电池的使用寿命与性能表现。为建立电池容量衰退与内阻增长半经验模型,缩短探究电池老化特性所需的实验时间,采用具有高能量密度的21700锂离子电池,在0℃、23℃和40℃条件下结合1 C和2 C两种放电倍率组成了六种工况,对电池进行循环老化实验,分析温度等因素对电池容量衰退与内阻增长特性的影响规律。在结合Arrhenius方程建立电池容量衰退半经验模型时,额外引入了两个关于循环次数的幂函数和常数项,拓展了容量衰退半经验模型的适用性,使其能够适用于不同温度下表现出的不同容量衰减趋势。采用双指数函数累乘的公式形式建立了电池内阻增长的半经验模型,能够有效地预测内阻在不同工况下的增长规律。并利用交叉验证的方法证明了容量衰退与内阻增长半经验模型的准确性,能够用于预测电池在其他温度条件下的老化规律。最后利用建立的电池老化半经验模型,预测了该电池在15℃、30℃和45℃的容量与内阻变化情况,有助于更全面地了解电池的老化特性,并避免了大量重复实验,有利于提高研究效率。

基于半导体制冷-相变材料的电池热管理

相变材料用于锂离子电池冷却时,可能会受环境温度的影响;半导体制冷片用于电池冷却时,通常要对发热端进行液冷,结构较复杂。为解决上述问题并实现优势互补,提出一种半导体制冷片结合相变材料的锂离子电池热管理思路。建立三维传热模型,进行仿真计算。在散热工况下,环境温度分别为25℃、35℃和45℃时,5 C恒流放电的方形(70 mm×27 mm×90 mm)磷酸铁锂锂离子电池的最高温度始终都在60℃以下;在加热工况下,环境温度为-10℃、-20℃时,使本身不产热的电池的最低温度达到0℃,分别需加热223 s、479 s。该热管理结构既可满足电池在不同环境温度下的散热需求,也可实现低温下较好的加热效果。

基于模型预测的纯电动汽车动力总成热管理策略

对某款纯电动汽车的动力总成热管理系统进行研究,基于AMEsim软件搭建分布式冷却系统,包括驱动电机、电机控制器冷却系统和动力电池冷却系统,对模型中的参数进行了匹配,基于实际台架对模型进行了验证,证明了搭建模型的准确性。基于热管理系统的状态空间模型,在Simulink软件中设计模型预测控制器,以热源的发热功率作为扰动量,冷却水泵流量和风扇转速作为操作变量对冷却系统的控制策略进行了优化,通过和AMEsim软件的联合仿真,结果表明相比PID控制和开关阈值控制,采用模型预测控制的热管理系统响应性能更好,对于温度的变化会提前作出反应,同时也减少了冷却系统的能量消耗。

基于AMEsim混合动力总成热管理系统仿真研究

针对混合动力总成热管理系统多热源、多温区和变温度的特点,基于AMEsim平台对混合动力总成热管理系统在4个US06工况不同功率分配下进行仿真分析,结果发现发动机出口水温最高接近100℃,电机的出口水温最高不到50℃,均偏离了最佳工作温度,经分析,发现系统架构过于独立,水泵和风扇控制策略为ON/OFF控制策略。在此基础上,对热管理系统架构进行了优化,增加了预热模块,并将水泵和风扇控制策略改为简单有效的PID控制,优化后发动机出口温度基本在85℃～95℃之间,电机出口温度基本在55℃～70℃之间,结果表明:优化后的热管理系统满足了动力部件工作在最佳温度范围的要求。

不同温度控制模式下的锂电池性能对比研究

锂离子电池热管理系统在实际工作时对电池的温度测量与控制均是在电池表面,而在实验研究中尤其是电池性能测试时对电池的温度测量与控制均是在电池所处环境温度。本文分别通过液冷装置控制电池表面温度以及通过恒温箱控制电池环境温度,并在两套装置中进行了电池性能测试。实验表明,两种温度控制方案下的电池性能在不同温度下表现出较大差异,在10~50℃的区间内,恒温箱中相比液冷装置中电池容量分别提高了7.2%、5.0%、2.2%、1.9%、0.9%;电池性能在不同放电倍率下随温度的变化规律也并不总是保持一致。

磷酸铁锂电池老化后的产热规律研究

锂离子电池的热安全性是制约电动汽车发展的重要因素之一,探究其产热特性是锂离子电池热管理的基础。而在现有的研究中,多忽略了电池老化对产热的影响,故以某圆柱形Li Fe PO4电池为研究对象,建立电化学-热-老化耦合模型,探究不同充电倍率以及环境温度对电池老化后产热特性的影响规律。结果显示,保持放电倍率恒定,以不同的充电倍率循环后,充电倍率越小,电池老化越严重,老化后的放电产热功率越高;环境温度越高,电池老化速率越快,放电产热功率越高,4000次循环后,313 K条件下的电池放电平均产热功率比283 K高约8.5%。

双层相变材料结构的圆柱形锂离子电池相变冷却模块仿真分析

针对锂离子电池在不同环境温度下的散热问题,设计了一种新型的双层相变材料(PCM)结构的电池冷却模块。首先研究了双层结构用于电池热管理的可行性。然后研究了内外层相变材料的热力学性能和布置方式对电池散热的影响。通过仿真分析结果表明,内层使用导热性能好潜热低的相变材料,外层使用导热性能差潜热高的相变材料具有最好的效果,在环境温度达到35℃和40℃时,相比于同尺寸使用单一相变材料的散热模型的最高温度,分别降低了4.34℃、16.67℃,结果表明:双层相变材料结构可用于电池散热,并在一定程度上提高相变材料冷却模块的环境适应性。