《新能源汽车热管理系统设计》课件 第二章 热管理系统理论基础

热管理系统设计汽车河南科技大学车辆与交通工程学院NewEnergyVehicles新能源热管理系统理论基础第二章核心内容：流体传热：含流体描述、分类、伯努利方程及三种传热方式热流控制：风冷、液冷、热管等技术特性与适用场景系统原理：四大模块、制冷/制热循环及热力计算学习目标：掌握基础理论，为热管理系统设计奠基2.1流体流动特性-描述方法两种核心方法：欧拉法：欧拉方法该方法是广泛应用的方法。它着眼于流场中所有空间点上流动参数随时间的变化，即研究表征流场内流体流动特性的各种物理量的矢量场与标量场拉格朗日法：拉格朗日方法该方法着眼于流场中每个流体质点流动参数随时间的变化，综合所有流体质点的运动便可得到整个流体的运动规律关键区分：欧拉法聚焦“场”，拉格朗日法聚焦“质点2.1流体流动特性-分类与伯努利方程流动分类：按时间：定常流动（参数不随t变）、非定常流动按维度：一维（1个坐标）、二维、三维2.1流体流动特性-伯努利方程伯努利方程（理想流体定常流动）：在重力作用下的不可压缩理想流体定常一维绝能流的能量方程（沿流线动能+位势能+压强势能守恒）对于单位质量流体，伯努利方程写成：上式表明不可压缩理想流体在重力场中作定常流动时，沿流线单位质量流体的速度水头、

位置水头与压强水头之和等于常数，总水头线为平行于基准线的水平线。2.1流体流动特性-管内流动的能量损失沿程能量损失（沿程损失）产生场景：缓变流全程（如直管段）成因：流体黏性力计算（达西-魏斯巴赫公式）：局部能量损失（局部损失）产生场景：急变流局部（如变径管、阀门、接头）成因：流体微团碰撞、旋涡计算：

总能量损失工程特点：多数场景依赖实验数据，复杂流态难理论计算2.1传热基本理论-热量传递与热输运热传导分子/原子热运动（固体靠自由电子+声子）热对流流体与固体壁面温差驱动热辐射

电磁波传递（无需介质）

2.2热流控制技术-空气冷却原理：空气对流带走热量（自然/强迫）特性：优势：结构简单、成本低、维护方便劣势：散热弱、受室温影响大适用场景：低热负荷（小型电机、辅助电机）

类型驱动方式核心优势主要劣势适用场景空气自然对流冷却温差自然形成气流无能耗、结构简单、成本低散热效率低（热流密度10-100W/m²）、受环境温度影响大低热负荷场景（小型辅助电机、低功率电控）强迫对流风冷风扇/风机驱动散热效率高于自然对流，响应较快需消耗电能、产生噪声、需额外布置风扇中低热负荷场景（部分小型车驱动电机、电池辅冷）2.2热流控制技术-液体冷却核心优势：比热容高，换热效率比空气高5-10倍类型：间接冷却：液冷板（安全，主流）直接冷却：效率高，需防漏适用场景：高功率电机、动力电池

液冷板流道结构：常规：直流道、S形流道（扰动强）、Z形流道（灵活）先进：微通道（高热流密度）、仿生流道（均匀性好）2.2热流控制技术-热管冷却工作原理：管内工质“蒸发吸热→冷凝放热”，毛细力驱动回流核心特性：高导热（比铜高100-1000倍）、无外部动力、等温性好2.2热流控制技术-热管冷却常见类型：环路热管：长距离传热、逆重力脉动热管：无吸液芯、小空间适用适用场景：动力电池均温、电机局部高热流2.2热流控制技术–其他方式PCM冷却：利用相变潜热控温→均温好，需强化导热喷淋冷却：直接喷射冷却液→响应快，需防喷嘴堵塞适用场景：PCM用于电池保温，喷淋用于高热流应急冷却2.3系统基本原理系统类型核心设备/技术工作原理关键作用散热系统散热器、风扇散热器通过传导+对流转移热量至介质，风扇以强制对流加速热量散发快速排出部件多余热量，防止过热冷却系统冷却液循环系统、空调系统冷却液循环吸收部件热量，空调系统调节空气温湿度，共同维持车内适宜温度精准控制核心部件（电池、电机）温度余热回收系统板式换热器、多通道电磁阀回收电机等部件余热，通过换热器或电磁阀控制，为电池包加热，替代额外耗电加热提升能量利用率，延长续驶里程温度控制系统温度传感器、控制单元传感器实时监测温度，控制单元调节散热器、风扇等设备，维持温度稳定避免过冷/过热导致部件性能衰减2.3热力循环-制冷循环核心部件：压缩机→冷凝器→膨胀阀→蒸发器流程：压缩：低压气→高压气（耗能）冷凝：高压气→高压液（放热）膨胀：高压液→低压气液（降温）蒸发：低压气液→低压气（吸热制冷）制冷剂常用类型：R134a：传统主流，对臭氧层破坏小R1234yf：新型，全球变暖潜势（GWP）更低选择原则：环保、制冷效率高、安全2.3热力循环-制热循环核心技术：四通换向阀切换（蒸发器/冷凝器功能互换）流程：压缩机：低压气→高压气舱内换热器（冷凝器）：高压气→高压液（放热制热）膨胀阀：高压液→低压气液舱外换热器（蒸发器）：低压气液→低压气（吸环境热）辅助：PTC加热器（极寒工况补充2.3热力计算(1)等熵压缩图中1-2是等熵压缩的过程。工质流经压缩机时，消耗外力功而使气体升压升温，如果忽略对外散热，不计摩擦功，可以近似看作绝热压缩，其理论压缩功W等于制冷剂进出压缩机时的焓差，即(2)等压冷凝图中2-3-4是在冷凝器里等压冷凝放热的过程。制冷剂由过热状态2在冷凝器里先冷却到干饱和蒸气状态3，然后再凝结为饱和液体4。每1kg制冷剂在冷凝器中放出的热量称为单位冷凝热量，符号为q。g等于冷凝器进出口处制冷剂的焓差，即如果在冷凝器出口制冷剂的干度x=0:在蒸发器出口制冷剂的干度x=1.0.那么这种循环就是基本理论循环，其lgp-h图如图2-23所示。循环流程是1→2-3→4→5→1。2.3热力计算(3)绝热节流图中4-5是制冷剂流经膨胀阀时的节流过程。绝热节流前后焓值相等，所以可得应当指出，节流后的状态5属于湿蒸气状态(4)等压蒸发图中5-1是制冷剂在蒸发器内定压汽化吸热的过程。每1kg制冷剂在蒸发器中的吸热量，称为单位制冷量q0。q0值可以用蒸发器前后制冷剂的焓差表示，即如果在冷凝器出口制冷剂的干度x=0:在蒸发器出口制冷剂的干度x=1.0.那么这种循环就是基本理论循环，其lgp-h图如图2-23所示。循环流程是1→2-3→4→5→1。制冷剂在冷凝器内的放热量等于蒸发器内的吸热量与压缩机绝热压缩功之和2.3热力计算-实例简化第二章技术对比热流控制技术优势劣势适用场景空气冷却结构简单、成本低散热弱、受环境影响大小型/辅助电机液体冷却效率高、控温准结构复杂、需密封高功率电机、电池热管冷却高导热、等温性好成本高、有换热极限电池均温、局部高热流PCM冷却均温性好、无能耗导热低、成本高电池保温喷淋冷却响应快、冷却强需防漏、喷嘴易堵高热流应急冷却第二章习题简答题：解释导热、对流换热及辐射换热三种基本传热方式在新能源汽车热管理系统中的典型应用场景并各举一个部件案例说明。描述热力循环中压缩过程、