某款商用汽車電堆散熱系統(tǒng)方案設(shè)計

張朋橋，石 光，孟春江，李佳帥，楊國樑

（中汽研（天津）汽車工程研究院有限公司，天津 300300）

影響電堆性能的因素有很多，其中溫度對電堆性能的影響很大。一個有效的熱管理系統(tǒng)對電堆的性能、壽命和安全起著重要作用。商用車電堆功率較高，產(chǎn)生廢熱也會相對較高，同時電堆散熱系統(tǒng)不同部件對工作溫度要求不同，通常設(shè)計多條冷卻液回路來滿足整車散熱需求。

1 設(shè)計要求

電堆冷卻系統(tǒng)要確保在一個高效、安全的溫度范圍內(nèi)工作，不僅要保證電堆內(nèi)化學(xué)反應(yīng)高效進行使得電堆性能最佳，又要確保質(zhì)子交換膜聚合物不出現(xiàn)熱分解的破壞，影響電堆安全。所以，電堆工作溫度須控制在合理范圍內(nèi)。一個完美的電堆散熱系統(tǒng)設(shè)計既要滿足夏日高溫空氣散熱條件艱巨的問題，又要滿足冬日電堆冷啟動迅速的條件。綜上，電堆冷卻系統(tǒng)設(shè)計要求見表1。

表1 電堆冷卻系統(tǒng)設(shè)計要求

2 散熱原理

電堆散熱原理如圖1所示，去離子器流阻較大，采用并聯(lián)方式接入整個水路循環(huán)；中冷器與電堆的工作溫度要求不同，因此采用并聯(lián)方式布置，這樣不僅可以減小整個回路流阻，還可以使入口溫度低保證散熱性更好；電堆布置在最后，入口壓力小，對電堆的保護性好；過濾器布置在中冷器和電堆前端進行雜質(zhì)過濾，保證入口清潔。節(jié)溫器和散熱器總成并聯(lián)可以保證節(jié)溫器控制電加熱器加熱模式和電堆散熱模式的自由切換。

圖1 散熱系統(tǒng)原理圖

3 散熱系統(tǒng)計算

3.1 發(fā)熱量計算

根據(jù)發(fā)熱量計算公式計算電堆發(fā)熱量：

式中：——電堆的額定電功率，取值63.7kW；η——電堆的額定工作效率，取值51.2%。同樣方式計算中冷器的發(fā)熱量=5.8kW。

3.2 系統(tǒng)總流量計算

根據(jù)流量計算公式計算電堆散熱所需流量：

式中：Δ——電堆冷卻液進出口溫差，取值10℃（電堆冷卻液進出口溫度要求不大于10℃）；ρ——冷卻液體積質(zhì)量，取值1071.11kg/m；——冷卻液比熱容，取值3.3kJ/（kg·℃）。將代入公式 （2）中。為滿足電堆冷卻液進出口溫度要求不大于10℃及流量取整，所以電堆設(shè)計需求流量取110L/min。同樣方式計算中冷器的設(shè)計需求流量=12L/min。

綜上，系統(tǒng)設(shè)計總流量：=+=122L/min。

4 零部件選型

4.1 水泵選型

水泵選型需滿足在系統(tǒng)總流量條件下，滿足水泵出口壓力大于該冷卻系統(tǒng)壓力損失；另外水泵出口壓力不可過大，這樣不僅導(dǎo)致泵功率過高造成資源浪費，還會影響其他各零部件使用壽命。根據(jù)水泵出口壓力公式計算水泵出口壓力：

如圖2水泵流量-揚程圖所示，根據(jù)測試及工程實驗（流量、揚程曲線圖），轉(zhuǎn)速=6000的水泵流量為122L/min，對應(yīng)水泵的揚程為=14.8m。

圖2 水泵流量-揚程圖

從圖1散熱系統(tǒng)原理圖中可以看出，整個散熱系統(tǒng)分以下幾個支路：①水泵→散熱器總成→節(jié)溫器→過濾器→電堆/中冷器→水泵；②水泵→散熱器總成→節(jié)溫器→過濾器→去離子器→膨脹水箱→水泵；③水泵→散熱器總成→膨脹水箱→水泵；④水泵→電加熱器→節(jié)溫器→過濾器→電堆/中冷器→水泵。

經(jīng)校核在流量為122L/min時，最大冷卻液阻力回路（①水泵→散熱器總成→節(jié)溫器→過濾器→電堆→水泵）壓力損失約為=140kPa，滿足>。

4.2 散熱器總成選型

散熱器參數(shù)是根據(jù)散熱器散發(fā)的熱量來確定的。散熱器總成零部件備選參數(shù)表如表2所示，需校核以下參數(shù)是否滿足選型要求。

表2 單個散熱器總成參數(shù)

散熱器總成總面積計算及零部件校核

依據(jù)冷卻介質(zhì)平均溫差計算公式計算冷卻介質(zhì)平均溫差：

式中：——散熱器冷卻液入口溫度， 取值70℃；——散熱器冷卻液出口溫度，取值60℃；——空氣進入散熱器的溫度，取值40℃；——空氣離開散熱器的溫度，取值60℃。依據(jù)散熱器散熱總面積計算公式計算散熱器散熱總面積：

式中：——散熱器散發(fā)的熱量（電堆和中冷器的總發(fā)熱量），66.514kW；φ——散熱器儲備系數(shù)（水垢及油泥影響等，一般取1.1～1.5），由于本散熱系統(tǒng)存在過濾器取值1.1；——散熱器傳熱系數(shù)，取0.09kW/（m·℃）。將Δ代入公式 （5）中。

依據(jù)計算結(jié)果，單個散熱器總面積為33m，需配備2個散熱器才可以滿足系統(tǒng)散熱條件。

散熱風(fēng)扇相關(guān)參數(shù)計算及零部件校核依據(jù)計算公式計算冷卻空氣需求量：

式中：——該散熱系統(tǒng)工作時所產(chǎn)生的總熱量，66.514kW；Δ——允許冷空氣經(jīng)過散熱器前后的溫差（Δ=-，環(huán)境溫度取40℃，空氣經(jīng)過散熱器溫度為60℃），20℃；γ——空氣密度， 可近似取1.175kg/m；——空氣比熱容，可近似取1.047kJ/（kg·℃）。

散熱器總成共匹配2個，散熱風(fēng)扇個數(shù)為6個，單個風(fēng)扇冷卻空氣提供風(fēng)量：

單個風(fēng)扇面積：

依據(jù)（7）、（8）的計算結(jié)果，可計算單個風(fēng)扇需求風(fēng)速：

根據(jù)散熱器的散熱性能，要滿足該系統(tǒng)的散熱量需求，電子風(fēng)扇的風(fēng)速需要大于6.178m/s，建議風(fēng)速不小于6.5m/s（考慮到冷卻風(fēng)扇的工作效率問題）。

風(fēng)扇葉輪直徑為φ0.305m，風(fēng)速6.5m/s時風(fēng)量為1708m/h，如圖3所示，此時對應(yīng)的風(fēng)扇靜壓力為400Pa左右，大于散熱器風(fēng)阻，滿足使用要求。

圖3 風(fēng)扇風(fēng)量-靜壓圖

散熱器正面積計算及零部件校核依據(jù)計算公式計算散熱器正面積：

式中：——商用車正常行駛的速度，取8m/s（28.8km/h）。將公式（6）的結(jié)果代入。根據(jù)計算結(jié)果：散熱器的正面積至少要為0.338m，2個散熱器總成的散熱正面積為0.852m，散熱器正面積參數(shù)滿足選型要求。

散熱器總成布局

圖4 為散熱器總成布置圖，2個散熱器總成采用并聯(lián)的接入冷卻回路。相比串聯(lián)接入方式不僅可以使冷卻液進行分流減小系統(tǒng)阻力，還可以保證冷空氣進入散熱器的前后溫差大散熱效果更好。

圖4 散熱器總成布置圖

4.3 電加熱器選型

根據(jù)設(shè)計目標要求，電加熱器把冷卻液從-20℃加熱到0℃用時不超過3min，據(jù)此計算加熱器功率大小：

式中：——冷卻液比熱容；——冷卻液質(zhì)量（小循環(huán)回路中冷卻液容積約為15L；Δ——冷卻液溫升，取20℃；——加熱器功率；——加熱時間， 取180s；η——加熱器效率，取95%。

依據(jù)計算結(jié)果，選用6kW電功率加熱器。

4.4 膨脹水箱選型

膨脹水箱在本冷卻系統(tǒng)中起排氣補水的作用。一般膨脹水箱設(shè)計容積不小于系統(tǒng)總?cè)莘e的20%，系統(tǒng)總?cè)莘e約為18L，則膨脹水箱最小容積為：=18×20%=3.6L。

同時考慮到液體溫升膨脹問題，依據(jù)計算公式計算冷卻液膨脹體積變化：

式中：α——冷卻液體積膨脹系數(shù)，一般取0.0006（1/℃）；Δ——系統(tǒng)內(nèi)冷卻液溫變化值，取10℃；——整個冷卻系統(tǒng)總?cè)莘e，取18L。

依據(jù)計算結(jié)果，選用4L容積的膨脹水箱。

4.5 去離子器要求

燃料電池工作時，冷卻液中會含有電離子，這將會產(chǎn)生冷卻液導(dǎo)電的危險，為防止系統(tǒng)中部件會持續(xù)向冷卻液中釋放Fe、Cu、Al、SiO等陰陽離子，需要在冷卻系統(tǒng)中安裝一個去離子器，使系統(tǒng)中離子濃度維持在一個較低的水平，來保證電絕緣和雙極板被擊穿的風(fēng)險。要求去離子器在系統(tǒng)工作過程中，將冷卻系統(tǒng)介質(zhì)電導(dǎo)率降低在10μs/cm以下。

4.6 冷卻液要求

冷卻液選擇氫燃料電池汽車用“防凍液”，即水+乙二醇，防凍液電堆冷卻要求與理化性能如下：冷卻功能（熱交換）、防沸功能 （沸點高）、防凍功能 （冰點低）、防垢功能 （防垢劑）、 抑制金屬腐蝕功能＆離子抑制功能 （腐蝕保護劑＆離子抑制劑）。具體參數(shù)要求見表3。

表3 氫燃料電池車用防凍液理化性要求

4.7 節(jié)溫器要求

節(jié)溫器即控制冷卻液流動路徑的閥門，屬于一種自動調(diào)溫裝置。節(jié)溫器能夠根據(jù)冷卻液溫度高低對進入到散熱器的水量進行自動調(diào)節(jié)，并且能夠?qū)λ难h(huán)范圍進行改變，以此對冷卻系統(tǒng)散熱能力進行調(diào)節(jié)，促使燃料電池系統(tǒng)可以工作于比較適宜的溫度范圍內(nèi)。電子節(jié)溫器根據(jù)控制策略，由FCU實時控制三通閥開度。不存在溫度滯后問題和溫度邊界問題，只要節(jié)溫器在它的操作溫度范圍內(nèi)，各個溫度點都可做到全開和全閉。

5 系統(tǒng)仿真校核

如圖5所示，根據(jù)電堆冷卻系統(tǒng)原理圖搭建Amesim仿真模型，環(huán)境溫度40℃，輸入零部件相關(guān)參數(shù)。仿真結(jié)果如表4所示，仿真結(jié)果滿足設(shè)計要求。

表4 仿真結(jié)果

圖5 電堆散熱系統(tǒng)仿真模型

6 結(jié)語

本文介紹了商用車燃料電池電堆的熱管理技術(shù)，主要從設(shè)計要求、散熱原理、系統(tǒng)計算分析、零部件選型計算、仿真校核等幾個方面進行詳細介紹。商用車電堆電功率較大，產(chǎn)生的廢熱也會相對較高，同時考慮到各零部件溫度要求問題及整個系統(tǒng)壓力問題通常會考慮到多條冷卻液回路并聯(lián)的接入方式，整體設(shè)計較為復(fù)雜。