纯电动汽车车身减阻与电池散热耦合优化研究

【摘要】：在环境与能源危机的大背景下,发展以纯电动汽车为典型的新能源汽车已成为汽车行业发展的必由之路。然而,续驶里程不足成为纯电动汽车发展技术瓶颈性问题之一。降低车身气动阻力和提高电池能量转换效率是提高纯电动汽车续驶里程的有效措施,而现有纯电动汽车车身为节约开发成本,并未充分利用其结构简单且电池包布置灵活的优势,针对纯电动汽车造型的研究也不多见,基本沿用了传统燃油汽车造型,具有较大气动阻力系数;另一方面,在电池包散热研究中,尚未系统考虑汽车车身整体造型结构、电池包结构特征以及布置位置等对电池包空气侧流场散热特性的影响,且综合考虑气动减阻和提高电池包散热性能的汽车内外流场优化研究也基本空白。本文以某款纯电动车型为研究对象,通过改进不同布置工况下的电池包结构,以保证电池组在最佳的温度区间内工作,提升电池放电效率,并基于纯电动汽车传动部件相对燃油汽车更少,结构相对简单的特点,对目标车型进行减阻分析,减小电池能量消耗,最后将电池温度控制与车身减阻进行耦合,得到了车身阻力特性与电池包散热性能综合最优的车型,而电池包的保温不能引入冷却空气,与包内流场无关,因此无需对保温电池包进行优化。具体研究内容如下:1.有限体积法的网格质量及热物理模型对车身外流场及电池组温度场的仿真结果有重要影响,因此,首先要确定本文的仿真方法。通过与模型风洞实验结果对比,探讨了纵横比、歪斜率、最小内角等网格质量评价指标对汽车车身外流场计算精度的影响,最终选定综合评价指标对网格进行评估,提升了网格质量与外流场计算精度;利用Bernardi电池生热理论及DO辐射模型,建立了单体电池生热模型,通过与前人实验结果对比,验证了电池生热模型的精度,建立了本文仿真方案。2.为保障电池包处于最佳工作温度范围,对电池包不同布置工况下的电池组散热与保温性能进行研究。与实车道路实验进行了对比,验证了仿真结果的准确性后,分别对前舱布置、底盘平铺与备胎槽放置三种布置工况下的电池包温度场进行了对比分析,提出了对各工况下的电池包散热改进方案与保温措施。3.运用特征移植法对某款纯电动汽车车身进行气动减阻。综合考虑电池包碰撞安全、电池组温度场状况及车身造型改进空间,确定电池包布置在底盘与乘员舱之间更加合适,通过使用特征移植减阻法,去除车身附件、添加后轮罩、车头扁平化等方式,使得阻力系数最高可下降23.2%。4.以场协同理论为依据,对车型进行了双目标耦合优化。选取车头长度、尾部离去角、后风窗倾角、进气格栅尺寸、电池包入风口尺寸、散热风扇间距等9个设计因子,使用最优拉丁超立方法得到的样本点,建立了高精度响应面代理模型,采用多岛遗传算法得到理论最优车型,运用场协同原理分析了其电池包内温度梯度与热流矢量的夹角状态,揭示了电池组表面低温和高温区域分布的原因。最终将理论最优车型还原为实车车型,并对其进行数值计算,所得最优实车车型阻力系数比初始车型下降了21.97%,电池组最高温度下降了2.44℃,降幅为5.5%。 【关键词】：纯电动汽车 电池包 最佳工作温度 车身减阻 场协同原理
【学位授予单位】：湖南工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：U469.72
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-12
• 第一章 绪论12-20
• 1.1 研究背景及意义12-14
• 1.2 国内外研究现状14-18
• 1.2.1 电池温度控制研究现状14-15
• 1.2.2 车身造型与减阻研究现状15-18
• 1.3 本文研究内容18-19
• 1.4 课题来源19-20
• 第二章 外流场与温度场耦合计算基础20-35
• 2.1 网格评价指标对汽车外流场计算精度的影响20-25
• 2.1.1 网格质量评价指标的种类20-22
• 2.1.2 车身外流场计算结果分析22-25
• 2.2 热辐射基本理论25-29
• 2.2.1 太阳辐射模型25-26
• 2.2.2 地面辐射26-27
• 2.2.3 辐射传热模型27-29
• 2.3 锂离子电池热效应模型29-34
• 2.3.1 锂离子电池简介29-31
• 2.3.2 Bernardi电池生热模型31-32
• 2.3.3 锂离子电池生热模型建立32-34
• 2.4 本章小结34-35
• 第三章 不同布置工况电池温度场改进及试验35-51
• 3.1 原车型电池包内温度场分析35-37
• 3.1.1 模型建立与网格划分36
• 3.1.2 电池温度场分析36-37
• 3.2 实车道路试验37-40
• 3.2.1 试验器材37-38
• 3.2.2 试验步骤38-39
• 3.2.3 实验结果分析39-40
• 3.3 不同布置工况电池包结构改进40-50
• 3.3.1 备胎槽放置工况40-43
• 3.3.2 前舱布置工况43-47
• 3.3.3 底盘平铺工况47-50
• 3.4 本章小结50-51
• 第四章 基于纯电动车结构特点的特征移植法车身减阻分析51-63
• 4.1 电池包布置工况外流场对比51-54
• 4.2 纯电动汽车低阻特征提取及移植54-59
• 4.2.1 前端结构55-56
• 4.2.2 尾部造型56-57
• 4.2.3 车身附件57-59
• 4.3 特征移植法减阻分析59-62
• 4.3.1 车头特征减阻59-60
• 4.3.2 尾部特征减阻60-61
• 4.3.3 车身附件减阻61-62
• 4.4 本章小结62-63
• 第五章 基于场协同原理的纯电动汽车双目标耦合优化63-79
• 5.1 场协同理论简介63-66
• 5.1.1 对流换热物理机制63-65
• 5.1.2 对流换热的场协同65-66
• 5.2 车身外流场与电池组温度场耦合优化66-76
• 5.2.1 双场耦合优化设计因子选取66-68
• 5.2.2 DOE试验设计68-73
• 5.2.3 优化结果场协同分析73-76
• 5.3 优化车型还原与计算76-78
• 5.4 本章小结78-79
• 结语79-82
• 全文总结79-80
• 创新点80
• 展望80-82
• 参考文献82-87
• 攻读学位期间主要的研究成果87-88
• 致谢88

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