全功率燃料电池汽车散热系统设计、建模与分析-尊龙凯时·中国官方网站

汽车的大量使用加剧了环境污染及qiu球变暖等问题，促使人们寻找安全高效的可再生能源。燃料电池作为一种效率高、无污染、可靠性高的能源转换装置，受到了汽车行业的普遍重视。其中，质子交换膜燃料电池具有启动速度快、发电效率高等优点，适合作为汽车的动力源。为了保证燃料电池汽车的正常工作，对整车进行有效热管理十分必要。研究结果表明，质子交换膜燃料电池工作温度较低，对温度均匀性要求较高，且绝大部分热量（95%）需要冷却液带走，同时，散热器中冷却液与环境的温差小，为整车的热管理带来了挑战。

目前，国内外学者已对燃料电池汽车热管理进行了初步的研究。hasegawa等从提高效率和可靠性以及简化燃料电池系统的角度，详细介绍了丰田mirai的燃料电池热管理系统。郭爱等建立了车用燃料电池热管理模型，研究了电堆电流、冷却液流速、散热片表面风速、旁路阀开度对电堆及散热器入口与出口温度差的影响。丁琰基于amesim软件平台研究了整车热管理系统的设计方法和策略，考虑了不同环境温度状态下，尤其是工况下热管理系统的优化设计。

本文以某全功率燃料电池汽车为研究对象，进行了整车热管理系统的设计匹配及散热性能研究。首先基于各核心部件的散热条件，设计了整车热管理系统，利用仿真软件gt-cool建立了整车热管理仿真平台，研究了各热源（电堆、dc/dc，空压机、电机）的工作温度、温差分布和冷却液流量要求，验证了其在工况下的散热能力.

1 研究目标

本文的研究对象为某全功率燃料电池汽车的热管理系统，表1列出了整车部分参数。

全功率燃料电池汽车热管理对象主要包括燃料电池电堆、车内其它主要热源（驱动电机、空压机、dc/ dc）。质子交换膜燃料电池是一种低温燃料电池，高效运行时的温度范围为60～85 ℃。主要通过氧化还原反应将化学能转化为电能。其能量流动如图1所示。

表1 燃料电池汽车整车参数

图1 电堆能量流动

工况下，各主要零部件的产热功率见表 2。

表2 各主要零部件散热参数

注：产热功率=输出功率/效率-输出功率

 2.1 系统结构设计

 考虑到汽车前舱布置及尺寸要求，全功率燃料电池汽车整车热管理系统分为两个回路，模型的建立应基于热源发热特性和温度要求，合理设计热管理方式和系统结构，并将其有机地组合起来，终搭建起整车热管理系统模型。

 本研究拟采用的燃料电池电堆的大发热功率为105 kw，采用液冷的方式进行冷却。冷却回路由燃料电池电堆、水泵、散热器、风扇、节温器和管路组成。汽车启动时，电堆温度未达到适宜的温度区间（60～85 ℃），小循环开启，即冷却液不经过散热器，使电堆温度快速达到合适的工作温度。当电堆温度升至理想工作温度后，电堆不断产生热量，温度继续升高。这时控制节温器，大循环开启，冷却液流过散热器散热，降低冷却液温度。

 另一回路的工作原理与燃料电池冷却系统相同，都设置了大小循环来实现温度调节，主要区别在于该回路存在3个热源，分别是dc/dc、电机和空压机。根据3个部件的温度控制要求，在水泵后依次布置电机、dc/dc和空压机，部件温度和流经这3个部件的冷却液温度也依次提高。图2为整车热管理系统结构。

图2 整车热管理系统结构

2.2 零部件匹配设计

2.2.1 散热器

目前采用较多的车用散热器形式为管带式散热器。本文基于散热量，结合相关理论和经验公式，得到了相应的结构参数。表3为两种散热器的详细参数。

表3 散热器主要参数表

 散热器存在两种流体流动，即液侧和空气侧，当散热器表面与两种流体之间的热交换率达到平衡时，可以得出散热器表面的温度：

式中：h为传热系数；a为传热面积；δt为流体与壁面温度的差；vρ为散热器材料的密度；下标m代表散热器的液侧，为冷却剂与散热器壁之间的传热；s代表散热器的空气侧，为散热器壁与周围空气之间的传热。

此外在建模过程中，还作出了如下假设：

（1）散热器内的冷却液沿水管一维流动，忽略水管的空间结构以及重力对流动的影响。

（2）穿过散热器的气流是一维均匀的，不考虑格栅对气流的影响。

（3）冷却液和空气是不可压缩的流体。

2.2.2 水泵

本文拟采用的水泵形式为离心式。该水泵产生的热量较小，因此，它对冷却液温度的影响可以忽略不计。

水泵的特性曲线由下列方程组描述：

压力升高率以及流速可以通过下列方程进行计算：

式中：v0为泵的大容积流量；b为压升指数；vr为泵的参考容积流量；δp为压力增量。

水泵性能曲线如图3所示。

图3 水泵性能曲线

2.2.3风扇

风机的原理与泵的原理相似。该模型可表示为：

式中：v0为风机的大体积流量；b为压力上升指数；pr为压力升高率。

根据计算数据选择了合适的风机，风机的性能曲线如图4所示。

图4 风机性能曲线

3 仿真模拟

3.1 模型验证

为了验证所建立的燃料电池汽车热管理系统仿真模型的准确性，首先利用30 kw电堆冷却系统的相关参数进行仿真模拟，并与不同工况下的试验数据进行比较。表4为30 kw燃料电池堆在不同条件下的参数。

表4 某30 kw电堆在不同工况下的参数

需要说明的是所建立的仿真模型未考虑以下两个方面带来的影响：一是电堆本身的辐射热，二是尾气带走的热量。仿真与试验[16]的结果对比如图5所示，相对误差在5.5%以内，表明所建立的仿真模型具有较高的可信度。

图5 结果对比

3.2 工况下仿真结果分析

为验证热管理系统的散热能力，对全功率燃料电池汽车在工况下的热管理进行了仿真，表5为仿真工况的相关参数。

表5 工况参数

图6为电堆回路仿真结果，由图可知，电堆进出口温差约为7.6 ℃，符合温度均匀性要求。出口温度为84.4 ℃，冷却液流量为238.6 l/min，满足冷却要求但均接近极限值。因此，在工况条件下，电堆不宜长时间工作。

图6 电堆仿真结果

对于另一个冷却回路，在工况条件下，冷却液与环境的温差较小，散热条件十分恶劣，3个核心部件的温度和冷却液流量必须控制在允许的范围内，以确保安全运行。图7为dc/dc、驱动电机和空压机在该工况下的冷却剂流量和温度仿真结果。

4 结论

本文对某全功率燃料电池汽车热管理系统进行了设计，并采用一维仿真软件gt-cool建立了整车热管理系统仿真平台，对其在工况下的运行进行了模拟计算，验证了系统的散热能力。该平台可以对燃料电池汽车热管理系统总体性能指标进行全面分析，为燃料电池汽车热管理系统设计与分析提供依据。