全功率燃料電池汽車散熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)、建模與分析

李 菁，汪怡平，陶 琦，蘇楚奇

（武漢理工大學(xué) 汽車工程學(xué)院，武漢 430070）

汽車的大量使用加劇了環(huán)境污染及全球變暖等問題，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(wú)污染、可靠性高的能源轉(zhuǎn)換裝置，受到了汽車行業(yè)的普遍重視[1-3]。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)，最適合作為汽車的動(dòng)力源[4]。為了保證燃料電池汽車的正常工作，對(duì)整車進(jìn)行有效熱管理十分必要[5]。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，為整車的熱管理帶來了挑戰(zhàn)[6-9]。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已對(duì)燃料電池汽車熱管理進(jìn)行了初步的研究。HASEGAWA等[10]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)。郭愛等[11]建立了車用燃料電池?zé)峁芾砟Ｐ停芯苛穗姸央娏?、冷卻液流速、散熱片表面風(fēng)速、旁路閥開度對(duì)電堆及散熱器入口與出口溫度差的影響。丁琰[12]基于AMESim軟件平臺(tái)研究了整車熱管理系統(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，尤其是極端工況下熱管理系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

本文以某全功率燃料電池汽車為研究對(duì)象，進(jìn)行了整車熱管理系統(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)了整車熱管理系統(tǒng)，利用仿真軟件GT-COOL建立了整車熱管理仿真平臺(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)證了其在極端工況下的散熱能力。

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的熱管理系統(tǒng)，表1列出了整車部分參數(shù)。

全功率燃料電池汽車熱管理對(duì)象主要包括燃料電池電堆、車內(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 燃料電池汽車整車參數(shù)

圖1 電堆能量流動(dòng)

極端工況下，各主要零部件的產(chǎn)熱功率見表 2。

表2 各主要零部件散熱參數(shù)

其中，電堆的最佳工作溫度范圍為60～85 ℃，需要根據(jù)車用工況對(duì)電池進(jìn)行熱管理，在高溫時(shí)通過冷卻系統(tǒng)降低電池溫度，同時(shí)使單電池間的溫差盡可能小，進(jìn)出口溫差在5～10 ℃范圍內(nèi)，冷卻液流量必須控制在240 L/min以內(nèi)。為了保證汽車安全和高效運(yùn)行，需將電機(jī)出口冷卻液溫度控制在65 ℃以內(nèi)，空壓機(jī)出口溫度控制在100 ℃以內(nèi)，DC/DC溫度控制在 60 ℃以內(nèi)。

2 熱管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

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(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，最終搭建起整車熱管理系統(tǒng)模型。

本研究擬采用的燃料電池電堆的最大發(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)開啟，即冷卻液不經(jīng)過散熱器，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(tǒng)相同，都設(shè)置了大小循環(huán)來實(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為整車熱管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

圖2 整車熱管理系統(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[13-15]，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)，為散熱器壁與周圍空氣之間的傳熱。

此外，在建模過程中，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下列方程進(jìn)行計(jì)算：

式中：V0為泵的最大容積流量；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)的最大體積流量；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[16]，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)

需要說明的是所建立的仿真模型未考慮以下兩個(gè)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(yàn)[16]的結(jié)果對(duì)比如圖5所示，相對(duì)誤差在5.5%以內(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 極端工況下仿真結(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在極端工況下的熱管理進(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，滿足冷卻要求但均接近極限值。因此，在極端工況條件下，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，在極端工況條件下，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。冷卻液通過DC/DC、驅(qū)動(dòng)電機(jī)和空壓機(jī)的溫度分別為57.7 ℃、63.2 ℃和77.6 ℃，均低于極限溫度。流量穩(wěn)定在15.3～15.5 L/min范圍內(nèi)，均滿足部件的冷卻要求。

圖7 其它熱源仿真結(jié)果

4 結(jié)論

本文對(duì)某全功率燃料電池汽車熱管理系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并采用一維仿真軟件GT-COOL建立了整車熱管理系統(tǒng)仿真平臺(tái)，對(duì)其在極端工況下的運(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，為燃料電池汽車熱管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析提供依據(jù)。