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全功率燃料電池汽車(chē)散熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)、建模與分析

來(lái)源:上海政飛電子科技有限公司   2020年11月26日 09:26  

汽車(chē)的大量使用加劇了環(huán)境污染及qiu球變暖等問(wèn)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(wú)污染、可靠性高的能源轉(zhuǎn)換裝置,受到了汽車(chē)行業(yè)的普遍重視。其中,質(zhì)子交換膜燃料電池具有啟動(dòng)速度快、發(fā)電效率高等優(yōu)點(diǎn),適合作為汽車(chē)的動(dòng)力源。為了保證燃料電池汽車(chē)的正常工作,對(duì)整車(chē)進(jìn)行有效熱管理十分必要。研究結(jié)果表明,質(zhì)子交換膜燃料電池工作溫度較低,對(duì)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(shí),散熱器中冷卻液與環(huán)境的溫差小,為整車(chē)的熱管理帶來(lái)了挑戰(zhàn)。

目前,國(guó)內(nèi)外學(xué)者已對(duì)燃料電池汽車(chē)熱管理進(jìn)行了初步的研究。HASEGAWA等從提高效率和可靠性以及簡(jiǎn)化燃料電池系統(tǒng)的角度,詳細(xì)介紹了豐田Mirai的燃料電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)。郭愛(ài)等建立了車(chē)用燃料電池?zé)峁芾砟P?,研究了電堆電流、冷卻液流速、散熱片表面風(fēng)速、旁路閥開(kāi)度對(duì)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(tái)研究了整車(chē)熱管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法和策略,考慮了不同環(huán)境溫度狀態(tài)下,尤其是工況下熱管理系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

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

1 研究目標(biāo)

本文的研究對(duì)象為某全功率燃料電池汽車(chē)的熱管理系統(tǒng),表1列出了整車(chē)部分參數(shù)。

全功率燃料電池汽車(chē)熱管理對(duì)象主要包括燃料電池電堆、車(chē)內(nèi)其它主要熱源(驅(qū)動(dòng)電機(jī)、空壓機(jī)、DC/ DC)。質(zhì)子交換膜燃料電池是一種低溫燃料電池,高效運(yùn)行時(shí)的溫度范圍為60~85 ℃。主要通過(guò)氧化還原反應(yīng)將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能。其能量流動(dòng)如圖1所示。

表1 燃料電池汽車(chē)整車(chē)參數(shù)

圖1 電堆能量流動(dòng)

工況下,各主要零部件的產(chǎn)熱功率見(jiàn)表 2。

表2 各主要零部件散熱參數(shù)

注:產(chǎn)熱功率=輸出功率/效率-輸出功率

 2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

 考慮到汽車(chē)前艙布置及尺寸要求,全功率燃料電池汽車(chē)整車(chē)熱管理系統(tǒng)分為兩個(gè)回路,模型的建立應(yīng)基于熱源發(fā)熱特性和溫度要求,合理設(shè)計(jì)熱管理方式和系統(tǒng)結(jié)構(gòu),并將其有機(jī)地組合起來(lái),終搭建起整車(chē)熱管理系統(tǒng)模型。

 本研究擬采用的燃料電池電堆的大發(fā)熱功率為105 kW,采用液冷的方式進(jìn)行冷卻。冷卻回路由燃料電池電堆、水泵、散熱器、風(fēng)扇、節(jié)溫器和管路組成。汽車(chē)啟動(dòng)時(shí),電堆溫度未達(dá)到適宜的溫度區(qū)間(60~85 ℃),小循環(huán)開(kāi)啟,即冷卻液不經(jīng)過(guò)散熱器,使電堆溫度快速達(dá)到合適的工作溫度。當(dāng)電堆溫度升至理想工作溫度后,電堆不斷產(chǎn)生熱量,溫度繼續(xù)升高。這時(shí)控制節(jié)溫器,大循環(huán)開(kāi)啟,冷卻液流過(guò)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(tǒng)相同,都設(shè)置了大小循環(huán)來(lái)實(shí)現(xiàn)溫度調(diào)節(jié),主要區(qū)別在于該回路存在3個(gè)熱源,分別是DC/DC、電機(jī)和空壓機(jī)。根據(jù)3個(gè)部件的溫度控制要求,在水泵后依次布置電機(jī)、DC/DC和空壓機(jī),部件溫度和流經(jīng)這3個(gè)部件的冷卻液溫度也依次提高。圖2為整車(chē)熱管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

 

圖2 整車(chē)熱管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.2 零部件匹配設(shè)計(jì)

2.2.1 散熱器

目前采用較多的車(chē)用散熱器形式為管帶式散熱器。本文基于散熱量,結(jié)合相關(guān)理論和經(jīng)驗(yàn)公式,得到了相應(yīng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)。表3為兩種散熱器的詳細(xì)參數(shù)。

表3 散熱器主要參數(shù)表

 散熱器存在兩種流體流動(dòng),即液側(cè)和空氣側(cè),當(dāng)散熱器表面與兩種流體之間的熱交換率達(dá)到平衡時(shí),可以得出散熱器表面的溫度:

式中:h為傳熱系數(shù);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(biāo)M代表散熱器的液側(cè),為冷卻劑與散熱器壁之間的傳熱;S代表散熱器的空氣側(cè),為散熱器壁與周?chē)諝庵g的傳熱。

此外在建模過(guò)程中,還作出了如下假設(shè):

(1)散熱器內(nèi)的冷卻液沿水管一維流動(dòng),忽略水管的空間結(jié)構(gòu)以及重力對(duì)流動(dòng)的影響。

(2)穿過(guò)散熱器的氣流是一維均勻的,不考慮格柵對(duì)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(chǎn)生的熱量較小,因此,它對(duì)冷卻液溫度的影響可以忽略不計(jì)。

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(guò)下列方程進(jìn)行計(jì)算:

式中:V0為泵的大容積流量;b為壓升指數(shù);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(fēng)扇

風(fēng)機(jī)的原理與泵的原理相似。該模型可表示為:

式中:V0為風(fēng)機(jī)的大體積流量;b為壓力上升指數(shù);Pr為壓力升高率。

根據(jù)計(jì)算數(shù)據(jù)選擇了合適的風(fēng)機(jī),風(fēng)機(jī)的性能曲線如圖4所示。

圖4 風(fēng)機(jī)性能曲線

3 仿真模擬

3.1 模型驗(yàn)證

為了驗(yàn)證所建立的燃料電池汽車(chē)熱管理系統(tǒng)仿真模型的準(zhǔn)確性,首先利用30 kW電堆冷卻系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行仿真模擬,并與不同工況下的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。表4為30 kW燃料電池堆在不同條件下的參數(shù)。

表4 某30 kW電堆在不同工況下的參數(shù)

需要說(shuō)明的是所建立的仿真模型未考慮以下兩個(gè)方面帶來(lái)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(yàn)[16]的結(jié)果對(duì)比如圖5所示,相對(duì)誤差在5.5%以?xún)?nèi),表明所建立的仿真模型具有較高的可信度。

圖5 結(jié)果對(duì)比

3.2 工況下仿真結(jié)果分析

為驗(yàn)證熱管理系統(tǒng)的散熱能力,對(duì)全功率燃料電池汽車(chē)在工況下的熱管理進(jìn)行了仿真,表5為仿真工況的相關(guān)參數(shù)。

表5 工況參數(shù)

圖6為電堆回路仿真結(jié)果,由圖可知,電堆進(jìn)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(mǎn)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(zhǎng)時(shí)間工作。

 

圖6 電堆仿真結(jié)果

對(duì)于另一個(gè)冷卻回路,在工況條件下,冷卻液與環(huán)境的溫差較小,散熱條件十分惡劣,3個(gè)核心部件的溫度和冷卻液流量必須控制在允許的范圍內(nèi),以確保安全運(yùn)行。圖7為DC/DC、驅(qū)動(dòng)電機(jī)和空壓機(jī)在該工況下的冷卻劑流量和溫度仿真結(jié)果。

4 結(jié)論

本文對(duì)某全功率燃料電池汽車(chē)熱管理系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì),并采用一維仿真軟件GT-COOL建立了整車(chē)熱管理系統(tǒng)仿真平臺(tái),對(duì)其在工況下的運(yùn)行進(jìn)行了模擬計(jì)算,驗(yàn)證了系統(tǒng)的散熱能力。該平臺(tái)可以對(duì)燃料電池汽車(chē)熱管理系統(tǒng)總體性能指標(biāo)進(jìn)行全面分析,為燃料電池汽車(chē)熱管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析提供依據(jù)。

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