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混合动力汽车冷却系统配置模型的系统级流体模拟最佳实践,由行业专家Richard Hoyle介绍,对齐CAE

工程边缘

电动汽车动力电子系统液体冷却系统设计早期分析

在Heesung公园,副教授,机械工程系昌原国立大学,朝鲜

空中客车

T近年来,他希望汽车工业转向更节能、更环保的技术。

虽然通过开发混合动力电动汽车和插电式电动汽车,几项创新已使该行业在降低排放和化石燃料消耗方面取得了更好的成绩,从技术上讲,市场正朝着能够满足零碳氢化合物排放需求且不需要外部电源充电的汽车发展。这一目标目前正在通过使用燃料电池来产生所需的能量,以使我们的社会达到它想要达到的目标,无论是字面上的还是形象上的。

燃料电池的概念并不新鲜;它只是简单地利用氢离子与氧反应产生的化学能产生的电能。这项技术的挑战在于如何在一定范围内实现,以产生足够的能量来安全高效地移动车辆。一个特别值得关注的方面是,由于与工艺有关的效率低下而产生的热量。考虑到功率高达100kw的车辆,电力电子设备的典型转换效率为90%,这需要冷却系统处理高达10千瓦的热量,这样就不会出现任何问题。传统的空气冷却装置已成功地应用于低热耗散电子设备,但面对高能量密度的电子设备时,需要另一种冷却方式。

对于这些设计,液体冷却比空气冷却有优势,因为它具有更高的热容和热导率。因此,为了提高液体系统的冷却性能,人们对各种方法进行了大量的研究。在研究液体冷却时,不仅需要评估直接从电子设备中提取热量的冷板,还需要评估整个系统。由于它是一个封闭系统,其性能还取决于通过管道和配件的压降,泵的性能,以及散热器的流体和热特性。为此,采用三维(3D)和一维(1D)计算流体动力学(CFD)软件相结合的方法,对系统的冷却性能进行了分析。金宝博滚球专家在概念设计的早期阶段,在做出其他设计决策之前,这种方法尤其有效和有用。

在燃料电池电动汽车中,电流通过几个不同的电力电子设备传送,每个都需要冷却。为了分析,每个电力电子设备都有自己的冷板,估计的散热量是基于一辆100千瓦、效率为90%的汽车。组件包括:高压接线盒(HVJ)。电机控制单元(MCU);辅助控制驱动器(ACD);高低压DC/DC转换器(HDC,LDC)还有一个马达。冷却系统包括每个电气部件的冷板,冷却剂泵,散热器,还有管道。各电气部件的散热率和热设计点如表1所示。

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表1-电气部件的最大散热率和热设计点列表

设计冷却系统以满足电力电子设备散热要求的需要最好使用一维CFD工具,如Flomaster,因为它的重点是系统级性能。然而,为了在一维CFD中对系统进行精确建模,软件需要金宝博滚球专家组成系统的不同组件的性能特征。一般损失或传热数据有几种来源,但是由于组件的设计信息是可用的,使用三维CFD意味着如果两者结合起来,可能会有更精确的解决方案。

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图1。电气部件的几何结构。虚线表示模拟热生成的热边界条件。
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图2。冷板(a)的计算压力降和电气元件(b)的计算热阻(相对于6的流速)。12和20升/分钟。
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图3。液体泵和散热器的特性曲线。

为此,对每个电气部件(图1)进行了一系列稳态分析,并进行了传热,以表征压降(图2(a))和最大温度与液体流速的函数关系(图2(b))。然后将压力降转换为一个损失系数,用于Flomaster。对管道采用相同的工艺,虽然假设是绝热的,还有散热器。对于泵,通过测量三种不同转速下的压力上升与体积流量,绘制了性能曲线,如图3所示,散热器压力下降。对于散热器的热特性,将(qitd/ap)与冷却液流量和空气流量的表面图输入Flomaster,如图4所示。

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图4。散热器的冷却性能表面图。

有组件的特征数据,它允许分析不同的潜在配置。在图5中,研究了三个案例。案例1是一个单独的循环,所有组件都是串联的,而在情况2和3中,有平行的冷却液通道,主要区别在于电气部件的顺序。这允许三种不同的泵速,两种不同的进气流量,以及每个物理配置的一个入口空气温度。

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图5。液体冷却回路的Flomaster配置。

研究了最大泵速为4700rpm,最大进气流量为8kg s-1 m-2的结果,图6显示了所有冷板的计算流量和压力降。图7显示了电气部件的最高生成温度和入口液体温度,可以看出,使用案例3配置可以获得最高的冷却性能。温度也可用于理论化可能更为优化的其他配置,例如将散热率更高的MCU和电机放置在冷却系统的下游,以最小化冷板的入口液体温升。

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图6。流量(A)和压降(B)的一维数值模拟结果。
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图7。通过一维和三维数值模拟预测的电气元件的最高温度。

在本研究中,还要注意系统中散热器的散热能力。9,9.5,对于第1种情况,为10千瓦,2,分别为3和3。这一数值非常重要,因为电动汽车燃料电池的功率受到其排除电子设备热量的能力的限制。图8显示了散热器对每种情况的散热效果。如图所示,一个不能处理电子设备所需的散热的冷却系统实际上会成为汽车的瓶颈。

使用1d-3d CFD意味着电动汽车燃料电池的冷却系统可以在设计阶段早期进行评估,以便在需要进行任何物理原型或测试之前做出决定。我们能够消除可能代价高昂的失败设计,集中时间和资源来优化冷却系统的解决方案。

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图8。燃料电池电动汽车由于散热器的散热能力而产生的有限功率。

参考文献:

[1]燃料电池电动汽车动力电子设备液体冷却系统数值评估-海成公园,研发部,现代汽车公司,188beat104,Mabukdong永宁寺446912,韩国

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