純電動(dòng)汽車車身減阻與電池散熱耦合優(yōu)化研究

【摘要】：在環(huán)境與能源危機(jī)的大背景下,發(fā)展以純電動(dòng)汽車為典型的新能源汽車已成為汽車行業(yè)發(fā)展的必由之路。然而,續(xù)駛里程不足成為純電動(dòng)汽車發(fā)展技術(shù)瓶頸性問(wèn)題之一。降低車身氣動(dòng)阻力和提高電池能量轉(zhuǎn)換效率是提高純電動(dòng)汽車?yán)m(xù)駛里程的有效措施,而現(xiàn)有純電動(dòng)汽車車身為節(jié)約開(kāi)發(fā)成本,并未充分利用其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且電池包布置靈活的優(yōu)勢(shì),針對(duì)純電動(dòng)汽車造型的研究也不多見(jiàn),基本沿用了傳統(tǒng)燃油汽車造型,具有較大氣動(dòng)阻力系數(shù);另一方面,在電池包散熱研究中,尚未系統(tǒng)考慮汽車車身整體造型結(jié)構(gòu)、電池包結(jié)構(gòu)特征以及布置位置等對(duì)電池包空氣側(cè)流場(chǎng)散熱特性的影響,且綜合考慮氣動(dòng)減阻和提高電池包散熱性能的汽車內(nèi)外流場(chǎng)優(yōu)化研究也基本空白。本文以某款純電動(dòng)車型為研究對(duì)象,通過(guò)改進(jìn)不同布置工況下的電池包結(jié)構(gòu),以保證電池組在最佳的溫度區(qū)間內(nèi)工作,提升電池放電效率,并基于純電動(dòng)汽車傳動(dòng)部件相對(duì)燃油汽車更少,結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單的特點(diǎn),對(duì)目標(biāo)車型進(jìn)行減阻分析,減小電池能量消耗,最后將電池溫度控制與車身減阻進(jìn)行耦合,得到了車身阻力特性與電池包散熱性能綜合最優(yōu)的車型,而電池包的保溫不能引入冷卻空氣,與包內(nèi)流場(chǎng)無(wú)關(guān),因此無(wú)需對(duì)保溫電池包進(jìn)行優(yōu)化。具體研究?jī)?nèi)容如下:1.有限體積法的網(wǎng)格質(zhì)量及熱物理模型對(duì)車身外流場(chǎng)及電池組溫度場(chǎng)的仿真結(jié)果有重要影響,因此,首先要確定本文的仿真方法。通過(guò)與模型風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比,探討了縱橫比、歪斜率、最小內(nèi)角等網(wǎng)格質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)汽車車身外流場(chǎng)計(jì)算精度的影響,最終選定綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行評(píng)估,提升了網(wǎng)格質(zhì)量與外流場(chǎng)計(jì)算精度;利用Bernardi電池生熱理論及DO輻射模型,建立了單體電池生熱模型,通過(guò)與前人實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比,驗(yàn)證了電池生熱模型的精度,建立了本文仿真方案。2.為保障電池包處于最佳工作溫度范圍,對(duì)電池包不同布置工況下的電池組散熱與保溫性能進(jìn)行研究。與實(shí)車道路實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了對(duì)比,驗(yàn)證了仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性后,分別對(duì)前艙布置、底盤平鋪與備胎槽放置三種布置工況下的電池包溫度場(chǎng)進(jìn)行了對(duì)比分析,提出了對(duì)各工況下的電池包散熱改進(jìn)方案與保溫措施。3.運(yùn)用特征移植法對(duì)某款純電動(dòng)汽車車身進(jìn)行氣動(dòng)減阻。綜合考慮電池包碰撞安全、電池組溫度場(chǎng)狀況及車身造型改進(jìn)空間,確定電池包布置在底盤與乘員艙之間更加合適,通過(guò)使用特征移植減阻法,去除車身附件、添加后輪罩、車頭扁平化等方式,使得阻力系數(shù)最高可下降23.2%。4.以場(chǎng)協(xié)同理論為依據(jù),對(duì)車型進(jìn)行了雙目標(biāo)耦合優(yōu)化。選取車頭長(zhǎng)度、尾部離去角、后風(fēng)窗傾角、進(jìn)氣格柵尺寸、電池包入風(fēng)口尺寸、散熱風(fēng)扇間距等9個(gè)設(shè)計(jì)因子,使用最優(yōu)拉丁超立方法得到的樣本點(diǎn),建立了高精度響應(yīng)面代理模型,采用多島遺傳算法得到理論最優(yōu)車型,運(yùn)用場(chǎng)協(xié)同原理分析了其電池包內(nèi)溫度梯度與熱流矢量的夾角狀態(tài),揭示了電池組表面低溫和高溫區(qū)域分布的原因。最終將理論最優(yōu)車型還原為實(shí)車車型,并對(duì)其進(jìn)行數(shù)值計(jì)算,所得最優(yōu)實(shí)車車型阻力系數(shù)比初始車型下降了21.97%,電池組最高溫度下降了2.44℃,降幅為5.5%。 【關(guān)鍵詞】：純電動(dòng)汽車 電池包 最佳工作溫度 車身減阻 場(chǎng)協(xié)同原理
【學(xué)位授予單位】：湖南工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：U469.72
【目錄】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-12
• 第一章 緒論12-20
• 1.1 研究背景及意義12-14
• 1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀14-18
• 1.2.1 電池溫度控制研究現(xiàn)狀14-15
• 1.2.2 車身造型與減阻研究現(xiàn)狀15-18
• 1.3 本文研究?jī)?nèi)容18-19
• 1.4 課題來(lái)源19-20
• 第二章 外流場(chǎng)與溫度場(chǎng)耦合計(jì)算基礎(chǔ)20-35
• 2.1 網(wǎng)格評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)汽車外流場(chǎng)計(jì)算精度的影響20-25
• 2.1.1 網(wǎng)格質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)的種類20-22
• 2.1.2 車身外流場(chǎng)計(jì)算結(jié)果分析22-25
• 2.2 熱輻射基本理論25-29
• 2.2.1 太陽(yáng)輻射模型25-26
• 2.2.2 地面輻射26-27
• 2.2.3 輻射傳熱模型27-29
• 2.3 鋰離子電池?zé)嵝?yīng)模型29-34
• 2.3.1 鋰離子電池簡(jiǎn)介29-31
• 2.3.2 Bernardi電池生熱模型31-32
• 2.3.3 鋰離子電池生熱模型建立32-34
• 2.4 本章小結(jié)34-35
• 第三章 不同布置工況電池溫度場(chǎng)改進(jìn)及試驗(yàn)35-51
• 3.1 原車型電池包內(nèi)溫度場(chǎng)分析35-37
• 3.1.1 模型建立與網(wǎng)格劃分36
• 3.1.2 電池溫度場(chǎng)分析36-37
• 3.2 實(shí)車道路試驗(yàn)37-40
• 3.2.1 試驗(yàn)器材37-38
• 3.2.2 試驗(yàn)步驟38-39
• 3.2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析39-40
• 3.3 不同布置工況電池包結(jié)構(gòu)改進(jìn)40-50
• 3.3.1 備胎槽放置工況40-43
• 3.3.2 前艙布置工況43-47
• 3.3.3 底盤平鋪工況47-50
• 3.4 本章小結(jié)50-51
• 第四章 基于純電動(dòng)車結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的特征移植法車身減阻分析51-63
• 4.1 電池包布置工況外流場(chǎng)對(duì)比51-54
• 4.2 純電動(dòng)汽車低阻特征提取及移植54-59
• 4.2.1 前端結(jié)構(gòu)55-56
• 4.2.2 尾部造型56-57
• 4.2.3 車身附件57-59
• 4.3 特征移植法減阻分析59-62
• 4.3.1 車頭特征減阻59-60
• 4.3.2 尾部特征減阻60-61
• 4.3.3 車身附件減阻61-62
• 4.4 本章小結(jié)62-63
• 第五章 基于場(chǎng)協(xié)同原理的純電動(dòng)汽車雙目標(biāo)耦合優(yōu)化63-79
• 5.1 場(chǎng)協(xié)同理論簡(jiǎn)介63-66
• 5.1.1 對(duì)流換熱物理機(jī)制63-65
• 5.1.2 對(duì)流換熱的場(chǎng)協(xié)同65-66
• 5.2 車身外流場(chǎng)與電池組溫度場(chǎng)耦合優(yōu)化66-76
• 5.2.1 雙場(chǎng)耦合優(yōu)化設(shè)計(jì)因子選取66-68
• 5.2.2 DOE試驗(yàn)設(shè)計(jì)68-73
• 5.2.3 優(yōu)化結(jié)果場(chǎng)協(xié)同分析73-76
• 5.3 優(yōu)化車型還原與計(jì)算76-78
• 5.4 本章小結(jié)78-79
• 結(jié)語(yǔ)79-82
• 全文總結(jié)79-80
• 創(chuàng)新點(diǎn)80
• 展望80-82
• 參考文獻(xiàn)82-87
• 攻讀學(xué)位期間主要的研究成果87-88
• 致謝88

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