燃料電池汽車(chē)熱管理系統(tǒng)的研究*

常國(guó)峰，曾輝杰，許思傳

(1.同濟(jì)大學(xué)新能源汽車(chē)工程中心，上海 201804； 2.同濟(jì)大學(xué)汽車(chē)學(xué)院，上海 201804)

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2015165

燃料電池汽車(chē)熱管理系統(tǒng)的研究*

常國(guó)峰1,2，曾輝杰1,2，許思傳1,2

(1.同濟(jì)大學(xué)新能源汽車(chē)工程中心，上海 201804； 2.同濟(jì)大學(xué)汽車(chē)學(xué)院，上海 201804)

基于某燃料電池乘用車(chē)的熱管理系統(tǒng)模型，計(jì)算了該乘用車(chē)在勻速、加速、爬坡和不同環(huán)境溫度下的整車(chē)熱管理系統(tǒng)的工作特性?？梢钥闯觯喝剂想姵毓ぷ鳒囟鹊?、熱負(fù)荷大，熱管理系統(tǒng)無(wú)法在全工況滿(mǎn)足燃料電池系統(tǒng)散熱的需求。在現(xiàn)有的熱管理技術(shù)條件下，可通過(guò)提高燃料電池的工作溫度、增加迎風(fēng)空氣流量等方法來(lái)增加整車(chē)熱管理系統(tǒng)的散熱量。

燃料電池汽車(chē)；熱管理；仿真；試驗(yàn)

前言

為了使燃料電池汽車(chē)正常運(yùn)行和保持乘坐的舒適性，對(duì)整車(chē)進(jìn)行有效熱管理十分必要。特別是燃料電池工作溫度較低，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)境的溫差比傳統(tǒng)汽車(chē)小，為其熱管理帶來(lái)嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。

目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者已對(duì)燃料電池汽車(chē)熱管理方面進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[1]中建立質(zhì)子交換膜燃料電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)模型，以確定熱管理系統(tǒng)的基本熱物理行為，并對(duì)系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行研究，如燃料電池輸出功率、冷卻液流量、空氣流量和環(huán)境溫度等。文獻(xiàn)[2]中建立詳細(xì)的質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)模型，用來(lái)評(píng)價(jià)其熱管理系統(tǒng)的控制策略。文獻(xiàn)[3]中以Ballard公司的質(zhì)子交換膜燃料電池為基礎(chǔ)建立水熱模型，以研究其性能。文獻(xiàn)[4]中提出冷卻回路建模方法和溫度模糊控制策略，使質(zhì)子交換膜燃料電池工作在理想的溫度范圍。國(guó)內(nèi)外還有很多學(xué)者建立熱管理子系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)模型，對(duì)燃料電池溫度控制算法進(jìn)行研究，設(shè)計(jì)了基于預(yù)測(cè)的智能PID算法等工作[5-12]。

1 燃料電池汽車(chē)熱管理的難點(diǎn)

表1為燃料電池汽車(chē)的部分整車(chē)參數(shù)和指標(biāo)。

表1 燃料電池汽車(chē)整車(chē)參數(shù)和指標(biāo)

燃料電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)主要包括燃料電池?zé)峁芾?主要為燃料電池本體)和動(dòng)力系統(tǒng)平臺(tái)熱管理(驅(qū)動(dòng)電機(jī)、動(dòng)力控制單元PCU、DC/DC)兩部分。各主要零部件散熱負(fù)荷如表2所示。最大散熱量與所需散熱器尺寸如表3所示。

表2 燃料電池汽車(chē)散熱負(fù)荷

表3 最大散熱量與所需散熱器尺寸

從表3中可以看出，設(shè)計(jì)完全符合燃料電池汽車(chē)熱管理需求的散熱器，需要14.61+4.28=18.89m2的散熱面積，這已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了乘用車(chē)的空間布置能力。假設(shè)當(dāng)散熱量為72kW，空氣出口為65℃，散熱器尺寸為750mm×600mm×26mm時(shí)，所需空氣體積流量和對(duì)應(yīng)車(chē)速如表4所示。從表4中可看出，若要將燃料電池汽車(chē)產(chǎn)生的熱量全部由空氣帶走，需要車(chē)速為690km/h時(shí)提供的空氣量才滿(mǎn)足要求，已遠(yuǎn)高于現(xiàn)有汽車(chē)的設(shè)計(jì)時(shí)速。

由表2～表4可見(jiàn)，燃料電池汽車(chē)散熱量遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)汽車(chē)。這給燃料電池汽車(chē)的熱管理系統(tǒng)帶來(lái)巨大挑戰(zhàn)。按現(xiàn)有的整車(chē)布置空間優(yōu)化熱管理系統(tǒng)的空間布置，但仍無(wú)法在全工況范圍內(nèi)滿(mǎn)足燃料電池系統(tǒng)散熱的需求，特別是在環(huán)境溫度高或是系統(tǒng)高負(fù)荷工作時(shí)。

表4 不同環(huán)境溫度所需空氣流量和車(chē)速

本文中所做的工作就是在現(xiàn)有的技術(shù)條件下，對(duì)燃料電池汽車(chē)熱管理系統(tǒng)進(jìn)行校核，目的是為了在制定整車(chē)控制策略時(shí)，對(duì)燃料電池汽車(chē)在不同工況下，可明確知道熱管理系統(tǒng)的散熱負(fù)荷?，F(xiàn)有熱管理系統(tǒng)原理圖如圖1所示。

2 仿真計(jì)算和試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

2.1 計(jì)算方法

采用對(duì)數(shù)平均溫差法來(lái)計(jì)算散熱器的散熱負(fù)荷，利用努謝爾特?cái)?shù)Nu計(jì)算表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)：努謝爾特?cái)?shù)Nu通過(guò)雷諾數(shù)Re求解；然后計(jì)算散熱器空氣側(cè)和液側(cè)的對(duì)流換熱系數(shù)h和散熱器的傳熱系數(shù)k；計(jì)算對(duì)數(shù)平均溫差；查取修正系數(shù)，最后得到散熱器所能提供的散熱量[13]。

2.2 試驗(yàn)方法

為檢驗(yàn)計(jì)算模型的準(zhǔn)確性，對(duì)散熱器進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)(圖2)，對(duì)比計(jì)算散熱量和實(shí)際散熱量。

如圖2所示，散熱器位于風(fēng)洞進(jìn)風(fēng)口，采用膠合板、硅膠等進(jìn)行密封，在散熱器前段1m放置環(huán)境溫度傳感器，將所采集的空氣送入溫度傳感器，所測(cè)得的溫度即為散熱器空氣入口側(cè)的溫度。冷卻液進(jìn)出口均有溫度傳感器測(cè)量冷卻液進(jìn)出口溫度，并通過(guò)控制器使每個(gè)工況點(diǎn)冷卻液的進(jìn)出口溫度維持恒定。

冷卻液和空氣的流量、溫度均按照燃料電池汽車(chē)用工況進(jìn)行設(shè)定。空氣入口溫度26℃，流速分別取4，5，6，7，8m/s；冷卻液入口溫度56.5℃，流量分別為56，112，168L/min。

2.3 仿真與試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證

用風(fēng)洞試驗(yàn)所得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行散熱量的計(jì)算，得到此工況下的實(shí)際散熱量；同時(shí)使用邊界條件帶入本文中采用的熱管理系統(tǒng)計(jì)算模型中進(jìn)行計(jì)算，得到理論散熱量。理論與實(shí)際散熱量的對(duì)比結(jié)果如表5所示。

表5 理論散熱量與實(shí)際散熱量的對(duì)比

由表可見(jiàn)，散熱器理論散熱量與實(shí)際散熱量誤差的絕對(duì)值在10%以?xún)?nèi)，熱管理系統(tǒng)的計(jì)算模型可靠，可以用于燃料電池汽車(chē)熱管理系統(tǒng)的仿真計(jì)算。誤差產(chǎn)生的原因主要是由于風(fēng)洞產(chǎn)生的空氣流動(dòng)在散熱器表面的不均勻性引起的，流動(dòng)的不均勻性會(huì)對(duì)空氣側(cè)熱阻產(chǎn)生誤差，從而產(chǎn)生試驗(yàn)值與計(jì)算值的差異。減小誤差的方法，可以通過(guò)整車(chē)風(fēng)洞試驗(yàn)加以改進(jìn)，但試驗(yàn)成本較高。

3 燃料電池?zé)峁芾矸抡嬗?jì)算

計(jì)算判別原則：通過(guò)燃料電池在不同工況下所需的散熱量與該工況下熱管理系統(tǒng)可提供的最大散熱量對(duì)比，判斷燃料電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)能否滿(mǎn)足燃料電池汽車(chē)在此工況下的散熱需求。檢驗(yàn)工況為：勻速工況(60，120，150km/h)，加速工況(0-100km/h)，爬坡工況(10，20，30，40km/h，20%坡度)。環(huán)境溫度：-10，5，25，38，45℃。

3.1 勻速工況

在不同環(huán)境溫度和車(chē)速時(shí)，對(duì)燃料電池需求散熱量和熱管理系統(tǒng)所能提供的散熱量進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如表6～表8所示。

表6 勻速60km/h工況熱管理系統(tǒng)特性

注：√表示符合要求，×表示不符合要求，下同。

表8 勻速150km/h工況熱管理系統(tǒng)特性

從表6～表8中可以看出：

(1) 當(dāng)車(chē)速加快時(shí)，由于散熱器空氣側(cè)空氣流動(dòng)速度的增加，使散熱器的散熱能力增大，但與此同時(shí)，其克服滾動(dòng)阻力和空氣阻力所需的燃料電池輸出功率增加，增加了燃料電池系統(tǒng)的散熱需求；

(2) 當(dāng)環(huán)境溫度升高時(shí)，由于散熱器中冷卻液與環(huán)境溫差減小，使散熱器散熱量減少；

(3) 燃料電池汽車(chē)以60km/h勻速行駛時(shí)，燃料電池能在設(shè)計(jì)所要求的所有外界環(huán)境溫度下正常運(yùn)行(不考慮燃料電池冷啟動(dòng)，下同)；在車(chē)速為120和150km/h勻速行駛時(shí)，只能在部分環(huán)境溫度下正常運(yùn)行；

(4) 當(dāng)燃料電池所產(chǎn)生的熱量無(wú)法散出時(shí)，為使燃料電池不因工作溫度過(guò)高而損壞，應(yīng)從整車(chē)控制策略上限制燃料電池的輸出功率，從而降低燃料電池的散熱量，達(dá)到降低燃料電池溫度的目的。

表9所示的是整車(chē)廠(chǎng)比較關(guān)心的工況點(diǎn)。由表可見(jiàn)：只有環(huán)境溫度在7℃時(shí)熱管理系統(tǒng)可以滿(mǎn)足要求；而在環(huán)境最高溫度45℃時(shí)，整車(chē)的車(chē)速不能超過(guò)70km/h(勻速)。

表9 不同環(huán)境溫度整車(chē)可達(dá)到的最高車(chē)速

3.2 加速工況

分別校核在不同環(huán)境溫度下汽車(chē)在0-100km/h加速時(shí)，燃料電池汽車(chē)熱管理系統(tǒng)所能提供的散熱量，結(jié)果如表10所示。

表10 0-100km/h加速工況熱管理系統(tǒng)特性

0-100km/h加速時(shí)，所需燃料電池最小輸出功率為20.5kW(即100km/h勻速行駛時(shí)所需功率)，要求在相同工況下散熱器最大散熱量在20.5kW以上，計(jì)算可知:在環(huán)境溫度30.5℃以下時(shí)，熱管理系統(tǒng)可以滿(mǎn)足整車(chē)加速需求；而在環(huán)境溫度30.5℃以上時(shí)，熱管理系統(tǒng)無(wú)法滿(mǎn)足加速要求。

3.3 爬坡工況

分別校核在不同環(huán)境溫度下燃料電池汽車(chē)分別在10，20，30和40km/h及坡度20%工況時(shí)，燃料電池所需散熱量和熱管理系統(tǒng)所能提供的散熱量，結(jié)果如表11所示。

燃料電池汽車(chē)在爬坡過(guò)程中，須克服滾動(dòng)阻力、空氣阻力和坡度阻力，在坡度不變的情況下，隨車(chē)速的增加，所需的功率也越大，使得燃料電池所需的散熱量也隨之增加。

表11 20%爬坡工況熱管理系統(tǒng)特性

在車(chē)速為10km/h以下時(shí)，燃料電池汽車(chē)能在環(huán)境溫度45℃時(shí)爬上20%的坡；在車(chē)速為20km/h，30km/h時(shí)，只在部分環(huán)境溫度下可以滿(mǎn)足20%的爬坡需求；而在車(chē)速為40km/h以上時(shí)，不能在-10～45℃范圍內(nèi)爬上20%的坡。

4 動(dòng)力系統(tǒng)平臺(tái)熱管理仿真計(jì)算

通過(guò)計(jì)算動(dòng)力系統(tǒng)平臺(tái)熱管理系統(tǒng)在不同工況下所需的散熱量以及在該工況下散熱器可提供的最大散熱量進(jìn)行對(duì)比，以檢驗(yàn)熱管理系統(tǒng)能否滿(mǎn)足散熱需求。檢驗(yàn)工況同燃料電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)，結(jié)果如表12～表14所示。

表12 勻速60km/h工況熱管理系統(tǒng)特性

表13 勻速120km/h工況熱管理系統(tǒng)特性

表14 勻速150km/h工況熱管理系統(tǒng)特性

4.1 勻速工況

燃料電池汽車(chē)以60km/h勻速行駛時(shí)，動(dòng)力系統(tǒng)平臺(tái)能在設(shè)計(jì)所要求的所有外界環(huán)境溫度下正常運(yùn)行；在車(chē)速為120和150km/h勻速行駛時(shí)，只在部分環(huán)境溫度下可以正常運(yùn)行。

4.2 爬坡工況

爬坡工況(20%)校核計(jì)算結(jié)果如表15所示。

表15 20%爬坡工況熱管理系統(tǒng)特性

在車(chē)速為10，20，30和40km/h時(shí)，均只在部分環(huán)境溫度下可以滿(mǎn)足20%的爬坡需求。從表中可以看出，由于爬坡工況車(chē)速較低，燃料電池功率需求大，熱負(fù)荷大，所以只在部分工況下熱管理系統(tǒng)才滿(mǎn)足整車(chē)需求。

通過(guò)與燃料電池?zé)峁芾碛?jì)算對(duì)比可知，在相同整車(chē)工況下，動(dòng)力系統(tǒng)平臺(tái)熱管理可提供最大散熱量和動(dòng)力系統(tǒng)需求散熱量的差值相比燃料電池?zé)峁芾硪　Ｒ虼?，在?jì)算過(guò)程中，首先考慮燃料電池的散熱需求，燃料電池的散熱需求如能滿(mǎn)足，即可滿(mǎn)足動(dòng)力系統(tǒng)平臺(tái)的散熱需求。

5 結(jié)論

(1) 現(xiàn)階段由于乘用車(chē)空間的限制，燃料電池汽車(chē)熱管理系統(tǒng)無(wú)法在全工況范圍內(nèi)達(dá)到燃料電池汽車(chē)的要求。

(2) 燃料電池汽車(chē)的多個(gè)散熱部件中，包括燃料電池、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制器、PCU、DC/DC等，燃料電池的熱管理是整個(gè)熱管理系統(tǒng)的難點(diǎn)和重點(diǎn)。

(3) 當(dāng)燃料電池溫度升高，熱管理系統(tǒng)無(wú)法提供更大散熱量時(shí)，動(dòng)力系統(tǒng)平臺(tái)的控制策略中應(yīng)考慮限制燃料電池輸出功率等措施，以提高燃料電池的使用壽命及整車(chē)的安全性和耐久性。

(4) 提高燃料電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的散熱能力，還須從提高燃料電池工作溫度、改進(jìn)燃料電池材料溫度特性等方面入手。在現(xiàn)有熱管理技術(shù)條件下，將燃料電池工作溫度提高到95℃時(shí)，熱管理系統(tǒng)的散熱功率會(huì)提升50%以上，可以滿(mǎn)足整車(chē)需求。所以，提升燃料電池工作溫度是從根本上解決燃料電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)技術(shù)瓶頸的途徑。

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A Study on the Thermal Management System of Fuel Cell Vehicle

Chang Guofeng1,2, Zeng Huijie1,2& Xu Sichuan1,2

1.CleanEnergyAutomotiveEngineeringCenter,TongjiUniversity,Shanghai201804; 2.SchoolofAutomotiveStudies,TongjiUniversity,Shanghai201804

Based on the thermal management system model for a fuel cell car, the working characteristics of its thermal management system in different working conditions (constant speed cruising, accelerating and slope climbing) and different ambient temperatures are calculated. It can be seen from the results that due to the low operating temperature and heavy thermal load of fuel cell, the thermal management system cannot meet the heat dissipation requirements of fuel cell system in all operating conditions. Under existing thermal management technical condition, the heat dissipated in vehicle thermal management system can be increased by raising the operating temperature of fuel cell and head-on air flow.

fuel cell vehicle; thermal management; simulation; test

*國(guó)家863計(jì)劃(2011AA11A265)資助。

原稿收到日期為2013年12月25日，修改稿收到日期為2014年3月8日。