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全功率燃料电池汽车散热系统设计、建模与分析

发布日期: 2020-11-26
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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。

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