燃料電池轎車動(dòng)力系統(tǒng)熱管理設(shè)計(jì)與仿真驗(yàn)證

樊春艷，任美林

（中國汽車技術(shù)研究中心，北京100070）

我國燃料電池轎車的設(shè)計(jì)目前處于起步階段，在燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)（Fuel Cell Engine，F(xiàn)CE）熱管理方面尚無較強(qiáng)的理論研究基礎(chǔ)，數(shù)據(jù)積累較少。

傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)的散熱，15%是通過發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體散出，40%通過排氣管以尾氣形式排放，只有8%通過散熱器散出。而極限工況下燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)FCE 僅有3%的熱量通過尾氣排放，其余62%的熱量需要通過散熱器散出，而燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)FCE本體一般是對(duì)外絕熱的。由此可見，F(xiàn)CE的散熱量要求遠(yuǎn)大于內(nèi)燃機(jī)，這對(duì)FCV 整車的散熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)提出了很大的挑戰(zhàn)。在傳統(tǒng)汽車的設(shè)計(jì)開發(fā)中，空調(diào)冷凝器和發(fā)動(dòng)機(jī)散熱器沒有太大的散熱沖突，而FCV 則需要解決空調(diào)冷凝器、FCE 散熱器、電機(jī)及動(dòng)力控制模塊（Power Control Unit，PCU）散熱器的散熱沖突問題，使之能夠協(xié)調(diào)工作。

本研究針對(duì)我國國內(nèi)某款自主品牌燃料電池汽車的熱管理系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)與優(yōu)化，力求滿足整車性能優(yōu)化，即滿足燃料電池功率從48 kW 提升至55 kW的需求。

1 目的和要求

1.1 設(shè)計(jì)目標(biāo)

根據(jù)需求，設(shè)計(jì)目標(biāo)及工作內(nèi)容為1）建立包含水冷管理系統(tǒng)在內(nèi)的關(guān)鍵部件性能測試功能，同時(shí)具備動(dòng)力系統(tǒng)聯(lián)合調(diào)試功能的綜合性能試驗(yàn)臺(tái)；2）完成滿足整車運(yùn)行工況的熱管理控制策略設(shè)計(jì)、優(yōu)化、匹配和評(píng)價(jià)技術(shù)研究；3）完成燃料電池汽車用DC/DC、DC/AC 逆變器和電機(jī)等部件的冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研制；4）完成熱環(huán)境條件下熱管理系統(tǒng)在整車條件下的實(shí)驗(yàn)及性能分析。

1.2 設(shè)計(jì)要求

設(shè)計(jì)總體要求為1）系統(tǒng)散熱功率小于63 kW；2）系統(tǒng)冷卻液工作壓力2 bar；3）所有部件冷卻水入口與出口管徑均與給定的管接頭尺寸相同；4）被冷卻部件FCE入口溫度不超過55℃。

FCE的55 kW 功率，大約62%通過散熱器，加上空調(diào)產(chǎn)生的熱量，整個(gè)散熱系統(tǒng)的散熱功率定為63 kW。

FCE 冷卻系統(tǒng)采用主散熱器加輔助散熱器形式：主散熱器安裝于PCU 散熱器之前，和PCU 散熱器共用1 組電子風(fēng)扇；輔助散熱器安裝于左側(cè)，單獨(dú)使用1個(gè)電子風(fēng)扇。散熱器參數(shù)如表1所示。最大工況下散熱器冷卻水入口溫度65℃，出口溫度不高于55℃。

表1 FCE散熱器散熱性能參數(shù)

FCE 主散熱器、空調(diào)一級(jí)冷凝器以及PCU 散熱器共用2個(gè)風(fēng)扇，風(fēng)扇至于散熱器之后，吸風(fēng)軸流式；風(fēng)扇功率為800×2W，安裝尺寸不大于730×480 mm；FCE 副散熱器獨(dú)立使用一個(gè)風(fēng)扇，吸風(fēng)軸流式，功率為300W。風(fēng)扇安裝示意圖如圖1所示。

圖1 燃料電池車FCE 冷卻系統(tǒng)原理圖

空調(diào)帶有2個(gè)冷凝器，稱為一級(jí)冷凝器和二級(jí)冷凝器。二級(jí)冷凝器散熱風(fēng)扇控制方案是由空調(diào)控制器或整車控制器（Vehicle Management System，VMS）根據(jù)制冷劑壓力傳感器信號(hào)來控制二級(jí)冷凝器散熱風(fēng)扇。風(fēng)扇額定電壓為12 V，額定功率為300 W，最高轉(zhuǎn)速為3400 r·min-1。兩擋轉(zhuǎn)速控制，控制信號(hào)為繼電器信號(hào)。

冷卻水泵在FCE 額定功率下流量不小于120 L·min-1，壓頭8 bar。膨脹水箱的材料為316 L不銹鋼，其容積為2.5 L，與動(dòng)力控制單元及電機(jī)冷卻系統(tǒng)冷卻水箱布置在一起（圖2）。上液面處于冷卻系統(tǒng)最高點(diǎn)，底液面與水泵的進(jìn)口直接相通，膨脹水箱蓋采用承壓式壓力蓋。

圖2 水箱示意圖

水管的工作要求為1）所有管子材料選用三元乙丙橡膠EPDM；2）管子工作環(huán)境溫度為80℃；3）管內(nèi)介質(zhì)為去離子水，水溫為-20～130℃；4）工作時(shí)絕對(duì)壓力為3.5 bar；5）管內(nèi)表面不得有缺陷或表面粗糙。

整個(gè)軟管區(qū)段不允許存在氣泡和雜質(zhì)，針織層不允許有缺陷，軟管不允許有缺陷點(diǎn)、光亮點(diǎn)、脫模劑、橡膠微粒、灰膜及晶體析出。具有完好的聯(lián)接，同時(shí)材料不允許發(fā)出刺激性氣體。

2 燃料電池散熱方案設(shè)計(jì)

2.1 散熱方案

根據(jù)上述設(shè)計(jì)要求，結(jié)合原型車的尺寸要求和原有部件基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了初步選定散熱方案（圖3）：PCU 散熱器布置在原車燃料電池散熱器后部靠下位置，上部是一級(jí)冷凝器，帶有獨(dú)立風(fēng)扇，F(xiàn)CE 主、副散熱器和一級(jí)冷凝器安裝于車頭，F(xiàn)CE副散熱器自帶風(fēng)扇，布置于車架縱梁右邊，二級(jí)冷凝器自帶風(fēng)扇，布置于車架縱梁左邊。

FCE 散熱器計(jì)算參數(shù)如表2所示。怠速工況下的理論散熱功率為14 kW，車速60～75 km·h-1工況下的理論散熱功率為20.3 kW。

圖3 燃料電池車散熱方案示意圖

表2 FCE 散熱器散熱功率計(jì)算參數(shù)

冷凝器風(fēng)扇工作點(diǎn)如圖4所示。怠速工況下，冷凝器的流通風(fēng)速為4.85 m·s-1。設(shè)計(jì)環(huán)境溫度取為35℃。理論散熱能力為7.3 kW。此時(shí)空調(diào)的制冷能力為4.9 kW，是原車空調(diào)效果的85%。

PCU 散熱器的計(jì)算參數(shù)如表3所示。各散熱器的散熱能力得到平衡，對(duì)原系統(tǒng)的改動(dòng)也較小，基本可行。

圖4 風(fēng)扇工作點(diǎn)

表3 PCU散熱器計(jì)算參數(shù)

2.2 控制策略

燃料電池汽車的電器控制目前都采用控制器局域網(wǎng)（CAN）技術(shù)，其中熱管理控制策略是整車控制的重要部分。參與熱管理的控制器主要包括整車管理控制、FCE管理控制器、冷卻風(fēng)扇控制器、空調(diào)壓縮機(jī)控制器、空調(diào)控制器、水冷系統(tǒng)控制器等。根據(jù)上述方案以及整車對(duì)熱管理系統(tǒng)的要求，由FCE 控制器根據(jù)燃料電池冷卻水出口處的溫度和空調(diào)開啟信號(hào)來同時(shí)控制2個(gè)FCE 主散熱風(fēng)扇，最高轉(zhuǎn)速為4000 r·min-1。控制框圖如圖5所示。

圖5 FC主散熱風(fēng)扇控制策略示意圖

3 仿真驗(yàn)證

目前設(shè)計(jì)階段，采用CFD 手段對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)艙進(jìn)行散熱性能的分析計(jì)算，主要包括2個(gè)方面：1）通過對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)艙各發(fā)熱部件及散熱部件的散熱量計(jì)算（主要是對(duì)流和輻射），考察在已知燃料電池、PCU和驅(qū)動(dòng)電機(jī)發(fā)熱量的條件下，在環(huán)境溫度40℃時(shí)，F(xiàn)CE 散熱器、PCU 散熱器和空調(diào)冷凝器的熱量能否得到有效的散失。2）根據(jù)計(jì)算得到的風(fēng)場速度矢量圖和溫度分布圖，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)各部件的布置情況給出適當(dāng)?shù)慕ㄗh。

3.1 模型的建立

采用軟件Catia V5R18和Hypermesh7.0，利用IBM6221工作站（3.5GB RAM）建立模型。

建模除考慮了FCE 散熱器、PCU 散熱器和空調(diào)冷凝器等主要部件外，還包含了發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)的絕大多數(shù)部件，僅簡化了一小部分的連接件，另外前進(jìn)風(fēng)隔柵均采用實(shí)體建模，故模型規(guī)模較大，其中單元數(shù)達(dá)到2452932，節(jié)點(diǎn)數(shù)達(dá)到518113，面網(wǎng)格最小尺寸為2 mm，面網(wǎng)格最大尺寸為15 mm，風(fēng)流場數(shù)值模擬尺寸為6 m×3.5 m×2 m。

3.2 數(shù)值模擬結(jié)果

發(fā)動(dòng)機(jī)艙整體CFD 模型圖如圖6所示。邊界條件即進(jìn)流條件：以車速70 km·h-1（19.444 m·s-1）為入口風(fēng)速；出口條件：出口處表壓力（Gauge Presssure）為0 Pa。

發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)由散熱器、冷凝器、PCU和電機(jī)表面產(chǎn)生的熱量值如表4所示。對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)艙散失的熱量與產(chǎn)生的熱量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，具體如表5所示。

表4 燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)艙產(chǎn)生的熱量值

上述統(tǒng)計(jì)得出有746.13 W的熱量無法得到有效的散失，但所占比例很小，發(fā)動(dòng)機(jī)艙產(chǎn)生的熱量基本可以散出。各部件表面最高溫度如表6所示。

表6 系統(tǒng)各部件表面最高溫度

4 結(jié)論

通過理論散熱值計(jì)算對(duì)比，采用主從2個(gè)冷凝器、2個(gè)FCE 散熱器和1個(gè)PCU 散熱器，并在主冷凝器和散熱器后放置2個(gè)風(fēng)扇的方案，可以滿足整車動(dòng)力系統(tǒng)功率提升后的散熱需求。

仿真結(jié)果和證明了方案的可行性，燃料電池?zé)嵯到y(tǒng)全負(fù)荷時(shí)總的發(fā)熱功率為55909 W，總的散熱功率為55 162 W，基本達(dá)到熱平衡。說明燃料電池、PCU和驅(qū)動(dòng)電機(jī)的發(fā)熱量基本上可以有效的散出，主要部件表面溫度均低于設(shè)計(jì)溫度，但前縱梁最高溫度較高，有后續(xù)改進(jìn)空間。

圖6 發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)部模型圖

表5 系統(tǒng)熱平衡統(tǒng)計(jì)

在當(dāng)前燃料電池汽車的研發(fā)條件下，先設(shè)計(jì)出動(dòng)力系統(tǒng)構(gòu)型并達(dá)到性能要求，然后采用理論設(shè)計(jì)計(jì)算與實(shí)驗(yàn)測試驗(yàn)證相結(jié)合的技術(shù)路線對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)熱平衡進(jìn)行優(yōu)化是可行的，但未來的方向是采取正向開發(fā)，由于燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)散熱系統(tǒng)的特殊性，需要直接從需求入手進(jìn)行動(dòng)力系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)直接進(jìn)行熱管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)，這樣能更科學(xué)有效地進(jìn)行熱管理。

[1]朱曉彤.RAV-4電動(dòng)汽車電池組風(fēng)冷系統(tǒng)的研究[D].南京：南京航空航天大學(xué)能源和動(dòng)力學(xué)院，2007.

[2]李正秋，蔣燕青.燃料電池汽車整車熱管理系統(tǒng)研究[J].上海汽車，2008（2）：4-8.

[3]潘宏斌，趙家宏，馮夏至，等.仿真分析技術(shù)在鎳氫電池模組結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2005（12）：58-61.

[4]陳瀟，汪茂海，張揚(yáng)軍，張釗.車用燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)熱管理系統(tǒng)研究[J].車用發(fā)動(dòng)機(jī)，2006（6）：12-15.

[5]戴海峰，黨豐玲，朱維，魏學(xué)哲.插電式燃料電池車鋰電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)設(shè)計(jì)[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2012（4）：589-595+609.

[6]陳德玲.混合動(dòng)力轎車后艙熱分析[J].湖北汽車工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào),2011（2）：1-3+8.

[7]李毅，胡瑞玲，劉景平.電控液驅(qū)風(fēng)扇冷卻系統(tǒng)及其在工程機(jī)械上的應(yīng)用[J].湖北汽車工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào),2008（4）：29-32.