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    全功率燃料電池汽車散熱系統設計、建模與分析

    發布日期: 2020-11-26
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    汽車的大量使用加劇了環境污染及qiu球變暖等問題,促使人們尋找安全高效的可再生能源。燃料電池作為一種效率高、無污染、可靠性高的能源轉換裝置,受到了汽車行業的普遍重視。其中,質子交換膜燃料電池具有啟動速度快、發電效率高等優點,適合作為汽車的動力源。為了保證燃料電池汽車的正常工作,對整車進行有效熱管理十分必要。研究結果表明,質子交換膜燃料電池工作溫度較低,對溫度均勻性要求較高,且絕大部分熱量(95%)需要冷卻液帶走,同時,散熱器中冷卻液與環境的溫差小,為整車的熱管理帶來了挑戰。

    目前,國內外學者已對燃料電池汽車熱管理進行了初步的研究。HASEGAWA等從提高效率和可靠性以及簡化燃料電池系統的角度,詳細介紹了豐田Mirai的燃料電池熱管理系統。郭愛等建立了車用燃料電池熱管理模型,研究了電堆電流、冷卻液流速、散熱片表面風速、旁路閥開度對電堆及散熱器入口與出口溫度差的影響。丁琰基于AMESim軟件平臺研究了整車熱管理系統的設計方法和策略,考慮了不同環境溫度狀態下,尤其是工況下熱管理系統的優化設計。

    本文以某全功率燃料電池汽車為研究對象,進行了整車熱管理系統的設計匹配及散熱性能研究。首先基于各核心部件的散熱條件,設計了整車熱管理系統,利用仿真軟件GT-COOL建立了整車熱管理仿真平臺,研究了各熱源(電堆、DC/DC,空壓機、電機)的工作溫度、溫差分布和冷卻液流量要求,驗證了其在工況下的散熱能力.

    1 研究目標

    本文的研究對象為某全功率燃料電池汽車的熱管理系統,表1列出了整車部分參數。

    全功率燃料電池汽車熱管理對象主要包括燃料電池電堆、車內其它主要熱源(驅動電機、空壓機、DC/ DC)。質子交換膜燃料電池是一種低溫燃料電池,高效運行時的溫度范圍為60~85 ℃。主要通過氧化還原反應將化學能轉化為電能。其能量流動如圖1所示。

    表1 燃料電池汽車整車參數

    圖1 電堆能量流動

    工況下,各主要零部件的產熱功率見表 2。

    表2 各主要零部件散熱參數

    注:產熱功率=輸出功率/效率-輸出功率

     2.1 系統結構設計

     考慮到汽車前艙布置及尺寸要求,全功率燃料電池汽車整車熱管理系統分為兩個回路,模型的建立應基于熱源發熱特性和溫度要求,合理設計熱管理方式和系統結構,并將其有機地組合起來,終搭建起整車熱管理系統模型。

     本研究擬采用的燃料電池電堆的大發熱功率為105 kW,采用液冷的方式進行冷卻。冷卻回路由燃料電池電堆、水泵、散熱器、風扇、節溫器和管路組成。汽車啟動時,電堆溫度未達到適宜的溫度區間(60~85 ℃),小循環開啟,即冷卻液不經過散熱器,使電堆溫度快速達到合適的工作溫度。當電堆溫度升至理想工作溫度后,電堆不斷產生熱量,溫度繼續升高。這時控制節溫器,大循環開啟,冷卻液流過散熱器散熱,降低冷卻液溫度。

     另一回路的工作原理與燃料電池冷卻系統相同,都設置了大小循環來實現溫度調節,主要區別在于該回路存在3個熱源,分別是DC/DC、電機和空壓機。根據3個部件的溫度控制要求,在水泵后依次布置電機、DC/DC和空壓機,部件溫度和流經這3個部件的冷卻液溫度也依次提高。圖2為整車熱管理系統結構。

     

    圖2 整車熱管理系統結構

    2.2 零部件匹配設計

    2.2.1 散熱器

    目前采用較多的車用散熱器形式為管帶式散熱器。本文基于散熱量,結合相關理論和經驗公式,得到了相應的結構參數。表3為兩種散熱器的詳細參數。

    表3 散熱器主要參數表

     散熱器存在兩種流體流動,即液側和空氣側,當散熱器表面與兩種流體之間的熱交換率達到平衡時,可以得出散熱器表面的溫度:

    式中:h為傳熱系數;A為傳熱面積;ΔT為流體與壁面溫度的差;Vρ為散熱器材料的密度;下標M代表散熱器的液側,為冷卻劑與散熱器壁之間的傳熱;S代表散熱器的空氣側,為散熱器壁與周圍空氣之間的傳熱。

    此外在建模過程中,還作出了如下假設:

    (1)散熱器內的冷卻液沿水管一維流動,忽略水管的空間結構以及重力對流動的影響。

    (2)穿過散熱器的氣流是一維均勻的,不考慮格柵對氣流的影響。

    (3)冷卻液和空氣是不可壓縮的流體。

    2.2.2 水泵

    本文擬采用的水泵形式為離心式。該水泵產生的熱量較小,因此,它對冷卻液溫度的影響可以忽略不計。

    水泵的特性曲線由下列方程組描述:

     

    壓力升高率以及流速可以通過下列方程進行計算:

    式中:V0為泵的大容積流量;b為壓升指數;Vr為泵的參考容積流量;Δp為壓力增量。

    水泵性能曲線如圖3所示。

     

    圖3 水泵性能曲線

    2.2.3風扇

    風機的原理與泵的原理相似。該模型可表示為:

    式中:V0為風機的大體積流量;b為壓力上升指數;Pr為壓力升高率。

    根據計算數據選擇了合適的風機,風機的性能曲線如圖4所示。

    圖4 風機性能曲線

    3 仿真模擬

    3.1 模型驗證

    為了驗證所建立的燃料電池汽車熱管理系統仿真模型的準確性,首先利用30 kW電堆冷卻系統的相關參數進行仿真模擬,并與不同工況下的試驗數據進行比較。表4為30 kW燃料電池堆在不同條件下的參數。

    表4 某30 kW電堆在不同工況下的參數

    需要說明的是所建立的仿真模型未考慮以下兩個方面帶來的影響:一是電堆本身的輻射熱,二是尾氣帶走的熱量。仿真與試驗[16]的結果對比如圖5所示,相對誤差在5.5%以內,表明所建立的仿真模型具有較高的可信度。

    圖5 結果對比

    3.2 工況下仿真結果分析

    為驗證熱管理系統的散熱能力,對全功率燃料電池汽車在工況下的熱管理進行了仿真,表5為仿真工況的相關參數。

    表5 工況參數

    圖6為電堆回路仿真結果,由圖可知,電堆進出口溫差約為7.6 ℃,符合溫度均勻性要求。出口溫度為84.4 ℃,冷卻液流量為238.6 L/min,滿足冷卻要求但均接近極限值。因此,在工況條件下,電堆不宜長時間工作。

     

    圖6 電堆仿真結果

    對于另一個冷卻回路,在工況條件下,冷卻液與環境的溫差較小,散熱條件十分惡劣,3個核心部件的溫度和冷卻液流量必須控制在允許的范圍內,以確保安全運行。圖7為DC/DC、驅動電機和空壓機在該工況下的冷卻劑流量和溫度仿真結果。

    4 結論

    本文對某全功率燃料電池汽車熱管理系統進行了設計,并采用一維仿真軟件GT-COOL建立了整車熱管理系統仿真平臺,對其在工況下的運行進行了模擬計算,驗證了系統的散熱能力。該平臺可以對燃料電池汽車熱管理系統總體性能指標進行全面分析,為燃料電池汽車熱管理系統設計與分析提供依據。

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