新能源汽车综合热管理

本书注重理论与实践相结合，并关注了未来可应用于新能源汽车热管理的前沿技术。

 

动力电池、燃料电池和电动空调为新能源汽车电动化的关键部件，热管理对新能源汽车动力电池、燃料电池、电动空调及整车性能具有决定性影响，是新能源汽车研究与开发的核心技术。本书共7章，分为三个部分：第1章至第3章为第一部分，系统介绍了动力电池的产热特性、热管理系统建模及散热系统设计；第4章和第5章为第二部分，主要围绕燃料电池水热管理和冷启动进行分析和论述；第6章和第7章为第三部分，重点探讨电动空调及整车热管理系统的建模和控制策略。本书可供新能源汽车领域的科研人员和研究生参考使用，也可供从事新能源航空和新能源电力研究的相关专业人员参考。

张扬军，*长江学者特聘教授，清华大学通用航空技术研究中心主任、汽车安全与节能国家重点实验室副主任（常务），International Journal of Fluid Machinery and System（国际流体机械与系统杂志）主编。研究方向为发动机热流体工程，主要从事发动机涡轮增压、涡轮发电与涡轮电推进技术及其在汽车和通航领域应用的研究。获国家科技进步二等奖2项、国防科技进步一等奖等省部级奖8项，曾获首届中国优秀博士后奖（全国10人）、全国优秀博士后等荣誉称号。

第1章动力电池产热模型与热特性1

1.1锂离子电池产热原理及模型1

1.1.1锂离子电池产热原理1

1.1.2锂离子电池产热模型2

1.2基于内阻的锂离子电池热特性模型3

1.2.1锂离子电池热特性模型3

1.2.2基于电池内阻的产热模型4

1.3圆柱电池热分析建模及热特性6

1.3.1圆柱电池热分析模型6

1.3.2圆柱电池热特性分析17

1.4软包电池热分析建模及热特性20

1.4.1软包电池热分析模型20

1.4.2软包电池热特性分析30

1.5方形电池热分析建模及热特性32

1.5.1方形电池热分析模型32

1.5.2方形电池热特性分析36

本章参考文献38

第2章动力电池热管理系统设计42

2.1锂离子电池热管理系统概述42

2.2锂离子电池风冷系统热分析及设计45

2.2.1风冷电池组热特性分析建模45

2.2.2流道结构对单排电池热特性的影响48

2.2.3流道结构对多排电池热特性的影响58

2.3锂离子电池水冷系统热分析及设计66

2.3.1锂离子电池水冷系统及强化换热66

2.3.2微通道波纹水冷板流动换热特性67

2.3.3基于微通道波纹水冷板的电池热特性73

本章参考文献83

第3章动力电池平板热管强化传热87

3.1基于热管的锂离子电池热管理87

3.2电池热管理的平板热管建模及设计89

3.2.1基于平板热管的电池传热过程89

3.2.2电池组热电耦合产热建模91

3.2.3平板热管多热源多尺度参数化建模93

3.2.4平板热管多热源参数化模型验证103

3.2.5动力电池平板热管设计105

3.3基于平板热管的电池热特性113

3.3.1稳态放电工况电池组热特性113

3.3.2动态工况电池组热特性120

本章参考文献121

第4章燃料电池水热管理124

4.1燃料电池水热传输特性124

4.1.1质子交换膜燃料电池基础124

4.1.2质子交换膜燃料电池热力学基础126

4.1.3质子交换膜燃料电池水热传输过程127

4.2燃料电池水热管理建模129

4.2.1水蒸气输运与管理129

4.2.2液态水输运与管理135

4.2.3燃料电池热管理143

4.2.4燃料电池三维两相流动与传热模型146

4.2.5燃料电池系统仿真建模152

4.3燃料电池双极板设计158

4.3.1双极板气体流道设计158

4.3.2双极板/冷却板散热设计161

4.4燃料电池余热利用164

本章参考文献168

第5章燃料电池冷启动170

5.1燃料电池冷启动特点170

5.1.1层分离171

5.1.2材料损坏171

5.1.3冷启动过程随机性172

5.1.4冷启动过程的三个阶段174

5.2燃料电池冷启动建模175

5.2.1过冷水结冰概率模型176

5.2.2低温下质子交换膜饱和含水量178

5.2.3低温启动过程中质量和能量输运179

5.3燃料电池冷启动性能181

5.3.1不同初始条件冷启动性能183

5.3.2不同运行参数冷启动性能187

5.3.3不同结构参数冷启动性能188

5.4燃料电池冷启动失败模式192

5.4.1两种冷启动失败模式比较192

5.4.2冷启动失败模式分类图194

本章参考文献195

第6章电动空调系统及其控制策略198

6.1电动空调系统及其建模198

6.1.1电动空调系统组成198

6.1.2电动空调系统建模201

6.2电动空调系统PID控制策略207

6.2.1自适应模糊PID控制策略207

6.2.2自适应模糊PID控制应用217

6.3电动空调系统模型预测控制策略226

6.3.1智能模型预测控制策略227

6.3.2智能模糊MPC控制应用241

本章参考文献244

第7章电动汽车整车综合热管理247

7.1电动汽车热管理系统建模247

7.1.1电动汽车低温热管理系统建模247

7.1.2电动汽车协同热管理系统建模251

7.2动力电池热管理系统控制262

7.2.1电池热管理系统控制策略262

7.2.2车速预测及对控制的影响264

7.2.3自适应电池温度参考值控制器271

7.2.4对照组控制策略273

7.2.5电池热管理控制策略对比分析274

7.3电池与乘员舱协同热管理系统控制278

7.3.1电池与乘员舱协同热管理控制策略278

7.3.2电池最佳工作温度控制策略280

7.3.3对照组系统控制策略283

7.3.4协同热管理系统控制策略对比分析285

本章参考文献293 

发展新能源汽车是汽车行业实现碳达峰、碳中和的主要途径，世界各国纷纷出台各项支持政策，大力推动新能源汽车产业发展。发展新能源汽车也是我国从汽车大国走向汽车强国的必由之路，是应对气候变化、推动绿色发展的战略举措。常见的新能源汽车可分为混合动力汽车、纯电动汽车和燃料电池汽车。新能源汽车与传统汽车的关键区别在于动力系统（由动力电池或燃料电池等新能源动力系统替代了传统的内燃机动力系统）、空调系统（由电动空调系统替代了传统的发动机驱动空调系统）。动力电池为纯电动汽车提供能量，是纯电动汽车的核心系统。动力电池为具有复杂产热与传热过程的电化学动力源，温度是影响动力电池的关键因素之一。电池充放电过程的电化学反应都是在特定的温度范围内才能发生，温度对动力电池的电化学系统运行、充放电效率、功率、容量、可靠性、安全性和寿命等性能有着重要影响。动力电池热管理主要是在电池热特性研究的基础上，通过设计合理的电池组热管理系统结构和发展先进的热管理控制策略，使电池工作在合适的温度范围内，并有效控制电池组各单体之间的温差，以提高动力电池的性能。随着新能源汽车发展对动力电池寿命、充放电性能和环境适应性等要求的逐渐提高，动力电池热管理的重要性日益突显。质子交换膜燃料电池为燃料电池汽车提供动力来源，是燃料电池汽车的核心系统。质子交换膜燃料电池是一种以氢气和氧气为原料，将化学能转化成电能的装置，其电化学反应将生成热和水，燃料化学能通过燃料电池堆转化的电能和热能约各占50%。质子交换膜燃料电池内部热平衡与水平衡紧密联系、互相影响，对燃料电池的性能、寿命和运行安全起着关键作用。质子交换膜燃料电池热管理又称水热管理，主要是对电池内部气、液流动传质与传热进行控制，保持电池的热平衡和水平衡。温度升高有利于提高电化学反应速率和质子在电解质膜内的传递速率，电池性能变好。水含量强烈影响膜的导电性能，高温将使质子交换膜脱水，不满足膜的湿润条件，其电导率下降，电池性能变差。当电池温度过高或超温运行时，质子交换膜会出现微孔，导致氢气泄漏，危及运行安全。由于燃料电池堆和运行环境间温差较小，热传递需随电流密度变化而迅速变化，热管理成为一个极具挑战性的难题。新能源汽车电动空调系统采用电动压缩机取代了传统发动机皮带驱动的空调压缩机，工作所需能量均来自动力电池或燃料电池，电动空调系统的能效水平直接影响新能源汽车整车经济性和续驶里程。新能源汽车电动空调与传统汽车空调的制冷工作原理基本相同，传统汽车空调可利用发动机余热进行采暖，而新能源汽车电动空调有制热需求，通常采用PTC（正温度系数）加热器直接加热空气或先加热冷却液再间接加热空气的电加热方式。通过优化控制策略保障乘员的热舒适性并降低电动空调系统能耗，为新能源汽车电动空调系统研究的重要内容。本书正是围绕上述三个方面的研究工作逐章展开的。研究工作得到了国家自然科学基金（中国汽车产业创新发展联合基金重点支持项目）“车用动力电池系统热特性、热传输及热管理机制研究”（U1864212）以及国家973计划、国家重点研发计划等相关项目的支持。感谢团队博士生李伟、杨瑞、刘钊铭、王悦齐，以及硕士生王晨阳、何天祺、尧磊等同学，本书凝聚了他们学位论文的研究成果。感谢团队的科研助理杨艺馨，她对书中的细节、措辞等进行了认真审核，为本书的顺利出版做出了贡献。鉴于新能源汽车热管理所涉及系统的内在复杂性，本书仅仅是从一个角度诠释了我们的研究进展。由于我们的研究水平有限，书中难免会有错误和不妥之处，恳请读者批评指正。作者2021年8月