燃料電池汽車熱管理系統的研究*

常國峰，曾輝杰，許思傳

(1.同濟大學新能源汽車工程中心，上海 201804； 2.同濟大學汽車學院，上海 201804)

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2015165

燃料電池汽車熱管理系統的研究*

常國峰1,2，曾輝杰1,2，許思傳1,2

(1.同濟大學新能源汽車工程中心，上海 201804； 2.同濟大學汽車學院，上海 201804)

基于某燃料電池乘用車的熱管理系統模型，計算了該乘用車在勻速、加速、爬坡和不同環境溫度下的整車熱管理系統的工作特性。可以看出：燃料電池工作溫度低、熱負荷大，熱管理系統無法在全工況滿足燃料電池系統散熱的需求。在現有的熱管理技術條件下，可通過提高燃料電池的工作溫度、增加迎風空氣流量等方法來增加整車熱管理系統的散熱量。

燃料電池汽車；熱管理；仿真；試驗

前言

為了使燃料電池汽車正常運行和保持乘坐的舒適性，對整車進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，同時散熱器中冷卻液與環境的溫差比傳統汽車小，為其熱管理帶來嚴峻挑戰。

目前國內外學者已對燃料電池汽車熱管理方面進行了研究。文獻[1]中建立質子交換膜燃料電池熱管理系統模型，以確定熱管理系統的基本熱物理行為，并對系統參數進行研究，如燃料電池輸出功率、冷卻液流量、空氣流量和環境溫度等。文獻[2]中建立詳細的質子交換膜燃料電池系統模型，用來評價其熱管理系統的控制策略。文獻[3]中以Ballard公司的質子交換膜燃料電池為基礎建立水熱模型，以研究其性能。文獻[4]中提出冷卻回路建模方法和溫度模糊控制策略，使質子交換膜燃料電池工作在理想的溫度范圍。國內外還有很多學者建立熱管理子系統的動態模型，對燃料電池溫度控制算法進行研究，設計了基于預測的智能PID算法等工作[5-12]。

1 燃料電池汽車熱管理的難點

表1為燃料電池汽車的部分整車參數和指標。

表1 燃料電池汽車整車參數和指標

燃料電池熱管理系統主要包括燃料電池熱管理(主要為燃料電池本體)和動力系統平臺熱管理(驅動電機、動力控制單元PCU、DC/DC)兩部分。各主要零部件散熱負荷如表2所示。最大散熱量與所需散熱器尺寸如表3所示。

表2 燃料電池汽車散熱負荷

表3 最大散熱量與所需散熱器尺寸

從表3中可以看出，設計完全符合燃料電池汽車熱管理需求的散熱器，需要14.61+4.28=18.89m2的散熱面積，這已經遠遠超出了乘用車的空間布置能力。假設當散熱量為72kW，空氣出口為65℃，散熱器尺寸為750mm×600mm×26mm時，所需空氣體積流量和對應車速如表4所示。從表4中可看出，若要將燃料電池汽車產生的熱量全部由空氣帶走，需要車速為690km/h時提供的空氣量才滿足要求，已遠高于現有汽車的設計時速。

由表2～表4可見，燃料電池汽車散熱量遠高于傳統汽車。這給燃料電池汽車的熱管理系統帶來巨大挑戰。按現有的整車布置空間優化熱管理系統的空間布置，但仍無法在全工況范圍內滿足燃料電池系統散熱的需求，特別是在環境溫度高或是系統高負荷工作時。

表4 不同環境溫度所需空氣流量和車速

本文中所做的工作就是在現有的技術條件下，對燃料電池汽車熱管理系統進行校核，目的是為了在制定整車控制策略時，對燃料電池汽車在不同工況下，可明確知道熱管理系統的散熱負荷。現有熱管理系統原理圖如圖1所示。

2 仿真計算和試驗數據分析

2.1 計算方法

采用對數平均溫差法來計算散熱器的散熱負荷，利用努謝爾特數Nu計算表面傳熱系數：努謝爾特數Nu通過雷諾數Re求解；然后計算散熱器空氣側和液側的對流換熱系數h和散熱器的傳熱系數k；計算對數平均溫差；查取修正系數，最后得到散熱器所能提供的散熱量[13]。

2.2 試驗方法

為檢驗計算模型的準確性，對散熱器進行風洞試驗(圖2)，對比計算散熱量和實際散熱量。

如圖2所示，散熱器位于風洞進風口，采用膠合板、硅膠等進行密封，在散熱器前段1m放置環境溫度傳感器，將所采集的空氣送入溫度傳感器，所測得的溫度即為散熱器空氣入口側的溫度。冷卻液進出口均有溫度傳感器測量冷卻液進出口溫度，并通過控制器使每個工況點冷卻液的進出口溫度維持恒定。

冷卻液和空氣的流量、溫度均按照燃料電池汽車用工況進行設定。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 仿真與試驗數據驗證

用風洞試驗所得到的數據進行散熱量的計算，得到此工況下的實際散熱量；同時使用邊界條件帶入本文中采用的熱管理系統計算模型中進行計算，得到理論散熱量。理論與實際散熱量的對比結果如表5所示。

表5 理論散熱量與實際散熱量的對比

由表可見，散熱器理論散熱量與實際散熱量誤差的絕對值在10%以內，熱管理系統的計算模型可靠，可以用于燃料電池汽車熱管理系統的仿真計算。誤差產生的原因主要是由于風洞產生的空氣流動在散熱器表面的不均勻性引起的，流動的不均勻性會對空氣側熱阻產生誤差，從而產生試驗值與計算值的差異。減小誤差的方法，可以通過整車風洞試驗加以改進，但試驗成本較高。

3 燃料電池熱管理仿真計算

計算判別原則：通過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可提供的最大散熱量對比，判斷燃料電池熱管理系統能否滿足燃料電池汽車在此工況下的散熱需求。檢驗工況為：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)。環境溫度：-10，5，25，38，45℃。

3.1 勻速工況

在不同環境溫度和車速時，對燃料電池需求散熱量和熱管理系統所能提供的散熱量進行對比，結果如表6～表8所示。

表6 勻速60km/h工況熱管理系統特性

注：√表示符合要求，×表示不符合要求，下同。

表8 勻速150km/h工況熱管理系統特性

從表6～表8中可以看出：

(1) 當車速加快時，由于散熱器空氣側空氣流動速度的增加，使散熱器的散熱能力增大，但與此同時，其克服滾動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的散熱需求；

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

(3) 燃料電池汽車以60km/h勻速行駛時，燃料電池能在設計所要求的所有外界環境溫度下正常運行(不考慮燃料電池冷啟動，下同)；在車速為120和150km/h勻速行駛時，只能在部分環境溫度下正常運行；

(4) 當燃料電池所產生的熱量無法散出時，為使燃料電池不因工作溫度過高而損壞，應從整車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，達到降低燃料電池溫度的目的。

表9所示的是整車廠比較關心的工況點。由表可見：只有環境溫度在7℃時熱管理系統可以滿足要求；而在環境最高溫度45℃時，整車的車速不能超過70km/h(勻速)。

表9 不同環境溫度整車可達到的最高車速

3.2 加速工況

分別校核在不同環境溫度下汽車在0-100km/h加速時，燃料電池汽車熱管理系統所能提供的散熱量，結果如表10所示。

表10 0-100km/h加速工況熱管理系統特性

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

3.3 爬坡工況

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

燃料電池汽車在爬坡過程中，須克服滾動阻力、空氣阻力和坡度阻力，在坡度不變的情況下，隨車速的增加，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特性

在車速為10km/h以下時，燃料電池汽車能在環境溫度45℃時爬上20%的坡；在車速為20km/h，30km/h時，只在部分環境溫度下可以滿足20%的爬坡需求；而在車速為40km/h以上時，不能在-10～45℃范圍內爬上20%的坡。

4 動力系統平臺熱管理仿真計算

通過計算動力系統平臺熱管理系統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行對比，以檢驗熱管理系統能否滿足散熱需求。檢驗工況同燃料電池熱管理系統，結果如表12～表14所示。

表12 勻速60km/h工況熱管理系統特性

表13 勻速120km/h工況熱管理系統特性

表14 勻速150km/h工況熱管理系統特性

4.1 勻速工況

燃料電池汽車以60km/h勻速行駛時，動力系統平臺能在設計所要求的所有外界環境溫度下正常運行；在車速為120和150km/h勻速行駛時，只在部分環境溫度下可以正常運行。

4.2 爬坡工況

爬坡工況(20%)校核計算結果如表15所示。

表15 20%爬坡工況熱管理系統特性

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

通過與燃料電池熱管理計算對比可知，在相同整車工況下，動力系統平臺熱管理可提供最大散熱量和動力系統需求散熱量的差值相比燃料電池熱管理要小。因此，在計算過程中，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足，即可滿足動力系統平臺的散熱需求。

5 結論

(1) 現階段由于乘用車空間的限制，燃料電池汽車熱管理系統無法在全工況范圍內達到燃料電池汽車的要求。

(2) 燃料電池汽車的多個散熱部件中，包括燃料電池、驅動電機、驅動電機控制器、PCU、DC/DC等，燃料電池的熱管理是整個熱管理系統的難點和重點。

(3) 當燃料電池溫度升高，熱管理系統無法提供更大散熱量時，動力系統平臺的控制策略中應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的安全性和耐久性。

(4) 提高燃料電池熱管理系統的散熱能力，還須從提高燃料電池工作溫度、改進燃料電池材料溫度特性等方面入手。在現有熱管理技術條件下，將燃料電池工作溫度提高到95℃時，熱管理系統的散熱功率會提升50%以上，可以滿足整車需求。所以，提升燃料電池工作溫度是從根本上解決燃料電池熱管理系統技術瓶頸的途徑。

[1] Zhang Yangjun, Ouyang Minggao, Lu Qingchun, et al. A Model Predicting Performance of Proton Exchange Membrane Fuel Cell Stack Thermal Systems[J]. Applied Thermal Engineering,2004,24:501-513.

[2] Yu Sangseok, Jung Dohoy. A Study of Operation Strategy of Cooling Module with Dynamic Fuel Cell System Model for Transportation Application[J]. Renewable Energy,2010,35:2525-2532.

[3] Yu Xiaochen, Zhou Biao, Sobiesiak Andrzej. Water and Thermal Management for Ballard PEM Fuel Cell Stack[J]. Journal of Power Sources,2005,147:184-195.

[4] Hu P, Cao G Y, Zhu X J, et al. Coolant Circuit Modeling and Temperature Fuzzy Control of Proton Exchange Membrane Fuel Cells[J]. International Journal of Hydrogen Energy,2010,35(17).

[5] Lee Moo-Yeon, Lee Ho-Seong, Won Hong-Phil. Characteristic Evaluation on the Cooling Performance of an Electrical Air Conditioning System Using R744 for a Fuel Cell Electric Vehicle[J]. Energies,2012,5:1371-1383.

[6] Bao C, Ouyang M G, Yi B L. Analysis of the Water and Thermal Management in Proton Exchange Membrane Fuel Cell Systems[J]. International Journal of Hydrogen Energy,2006,31(8):1040-1057.

[7] Hussain M M, Baschuk J J, Li X, et al. Thermodynamic Analysis of a PEM Fuel Cell Power System[J]. International Journal of Thermal Sciences,2005,44:903-911.

[8] 袁俠義.汽車發動機艙熱管理研究與改進[D].長沙:湖南大學機械與運載工程學院,2010.

[9] 梁樂華.發動機與整車熱管理平臺開發與研究[D].上海:同濟大學汽車學院,2008.

[10] 張志沛.發動機原理[M].北京:人民交通出版社,2003.

[11] 濮良貴,紀名剛.機械設計[M].北京:高等教育出版社,2006.

[12] 朱紹中,常國峰.燃料電池轎車用PCU水冷裝置的設計與試驗[J].同濟大學學報(自然科學版),2008(10):1413-1416.

[13] 楊世銘,陶文銓.傳熱學[M].北京:高等教育出版社,2006.

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

*國家863計劃(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。