电动轿车供暖用辅助加热器设计毕业论文

 2021-11-23 09:11

论文总字数:24888字

摘 要

随着汽车工业技术的飞速革新,消费者对汽车的驾驶舒适性提出了更高的需求。尤其在温度比较低的工况下(例如我国北方的冬季),维持车内的温度对乘员的舒适度和驾驶安全都具有十分重要的意义。可见,辅助加热器对汽车空调采暖功能的实现是不可或缺的。电动汽车由于没有内燃机动力系统,无法像传统燃油汽车那样借助发动机冷却水余热为空气加热,因而必须采取全新的合适方案解决上述问题。

本设计的主要内容是设计一款电动轿车供暖用辅助加热器。首先通过比较目前现有的多个主流的辅助加热方案,选定了PTC辅助加热器的方案进行设计。然后进行了PTC加热器相关设计参数的计算,包括空气吸热量、结构选型、PTC发热片选择、肋片的选择和计算、散热芯体的计算和布置、加热器箱体的布置和设计等一系列设计参数,最终设计得到了满足设计要求的一款电动汽车供暖用辅助加热器。最后,根据设计计算所得出的相关参数,利用AutoCAD软件建立三维模型,并利用Ansys软件对该型辅助加热器进行有限元分析。

关键词:电动轿车;空调采暖;PTC加热器;矩形截面直肋;三维模型;流场分析

Abstract

With the rapid innovation of automobile industry technology, consumers have put forward higher demands on the driving comfort of automobiles. Especially in the condition of low temperature (such as winter in the north of China), it is very important to maintain the temperature in the car for the comfort and driving safety of passengers. It can be seen that the auxiliary heater is indispensable for the realization of the heating function of the automobile air conditioner. Because electric vehicles do not have an internal combustion engine power system, they cannot use the residual heat of engine cooling water to heat air like traditional fuel vehicles, so a new and appropriate solution must be adopted to solve the above problems.

The main content of this design is to design an electric car heating auxiliary heater. First of all, by comparing the current several mainstream auxiliary heating schemes, the scheme of PTC auxiliary heater is selected for design. Then, the relevant design parameters of PTC heater are calculated, including air heat absorption, structure selection, selection of PTC heating plate, selection and calculation of fins, calculation and layout of cooling core, layout and design of heater box. Finally, an auxiliary heater for electric vehicle heating is designed to meet the design purpose. Finally, according to the relevant parameters calculated by the design, a three-dimensional model is established by using AutoCAD, and the finite element analysis of the auxiliary heater is carried out by using Ansys.

Key words: Electric car; Air conditioning and heating; PTC heater; Rectangular section straight rib; 3D model; Flow field analysis.

目 录

第一章 绪论 1

1.1 课题研究背景及研究意义 1

1.2 国内外研究和发展情况 2

1.3 设计预期目标 2

1.4 本章小结 3

第二章 选择设计方案 4

2.1 辅助加热器的功能 4

2.2 主要性能指标 4

2.3 各主要加热方案的优缺点 4

2.3.1 燃油加热方式 4

2.3.2 热泵加热方式 5

2.3.3 电加热方式 5

2.4 确定设计方案 8

2.5 PTC加热器介绍 8

2.5.1 PTC功能原理介绍 8

2.5.2 PTC特性介绍 9

2.5.3 PTC加热器结构 11

2.6 本章小结 11

第三章 PTC加热器相关参数计算 12

3.1 设计需满足的条件 12

3.1.1 环境温度条件 12

3.1.2 辅助加热器基本参数 12

3.2 计算空气吸热量 12

3.3 结构选型 14

3.4 PTC发热片选择 15

3.4.1 耐压等级 15

3.4.2 发热温度 15

3.4.3 发热片尺寸 15

3.5 肋片的计算 15

3.5.1 肋片的选择和计算 15

3.5.2 肋片的换热量计算 17

3.6 散热芯体总长度 19

3.6.1 每个发热单元的散热量 19

3.6.2 计算总长度 20

3.7 本章小结 20

第四章 PTC加热器设计与布置 21

4.1 加热器芯体结构布置及长度修正 21

4.1.1 芯体结构布置 21

4.1.2 芯体长度修正 21

4.2 PTC加热器换热量校核 21

4.2.1 计算总换热量 21

4.2.2 计算空气加热量 22

4.3 加热器结构设计 22

4.3.1 加热器芯体设计 22

4.3.2 加热器箱体设计 24

4.4 本章小结 25

第五章 三维建模及流场分析 26

5.1 建立三维模型 26

5.1.1 建模软件的选择 26

5.1.2 建模内容及过程 26

5.2 模型仿真分析 28

5.2.1 分析软件的选择 28

5.2.2 分析内容及过程 28

5.2.3 模型各项模拟及分析结果 31

第六章 结论与展望 33

6.1 结论总结 33

6.2 未来展望 34

参考文献 36

致 谢 38

绪论

课题研究背景及研究意义

作为第二次工业革命的代表性产物之一,汽车的问世极大的推动了人们的生产生活和交通运输领域的变革和发展。其后的一百多年里,内燃机汽车几经更迭换代,不断向着更好的满足人们的生产生活需要的方向设计和发展,并成为了各个领域不可或缺的交通工具。

进入21世纪,化石燃料能源危机以及环境污染困境给全世界人民提出了新的挑战,发展新能源汽车成为世界各国的一致选择。2020年1月,从公安部的数据来看,全国新能源汽车保有量达381万辆,占汽车总量的1.46%,较2018年底增加120万辆,增长46.05%。其中,纯电动汽车保有量310万辆,占新能源汽车总量的80%以上。

显而易见的是,我国新能源汽车行业正在蓬勃发展,并将不断扩充所占份额。新能源汽车依其动力来源分为混合动力汽车、纯电动汽车、燃料电池电动汽车以及其他新能源汽车等几种类型,其中混合动力汽车与纯电动汽车应用最为广泛。

随着汽车工业技术水平的不断发展,乘坐舒适性成为各大汽车生产企业一致追求的目标。尤其是在汽车行驶过程中,确保驾驶室内的温度舒适度是非常重要的。例如在我国北方冬季,车外温度达零下几十摄氏度,此时必然要打开车载空调以调节驾驶室温度以保证驾驶舒适。传统燃油汽车广泛采用水暖制热,即利用发动机冷却水余热作为热源,其空调进水管温度可达95℃。但是因为纯电动汽车没有发动机,就没有发动机冷却液的高温余热,所以空调系统不能按照传统的制热方式来工作[1]

目前纯电动汽车的动力来源主要为锂电池等蓄电池,且目前其相关技术的发展已经相对成熟可靠。然而它有一个突出的缺点,就是其续航能力直接依赖于蓄电池储能能力和质量。为提升纯电动汽车的续航能力,各汽车厂商不断进行开发和研究[2]。一方面,人们研制新型蓄电池,以提高蓄电池的储能能力;另一方面,人们希望尽可能的降低纯电动汽车辅助设备的耗电量,使得电能尽可能多的为汽车提供动力,以增加其续航能力。

由此可见,设计一款供热效果好、耗电量较低、综合效率高的加热系统,在驾驶与乘坐舒适性和辅助设备低耗电量的矛盾之间需求一个平衡合理的设计方案,是纯电动汽车空调设计主要追求的方向。本次毕业设计的设计目标就是为纯电动轿车设计一款供暖用辅助加热器,为轿车空调提供辅助加热,以满足供热热负荷的需求要求。辅助加热器对纯电动轿车空调高效工作有很大帮助,从而满足车内人员的驾驶和乘坐舒适性所需,同时也为安全驾驶提供保障。

国内外研究和发展情况

在电动汽车市场蓬勃发展之际,其辅助加热器的研究也随之开始了。当前国内外电动汽车广泛应用的采暖方式有:PTC 热电阻、PTC 驱动电机、热电空调 局部加热、热泵空调、潜能器加热等[3]

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