全功率燃料電池汽車散熱系統設計、建模與分析

李 菁，汪怡平，陶 琦，蘇楚奇

（武漢理工大學 汽車工程學院，武漢 430070）

汽車的大量使用加劇了環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、無污染、可靠性高的能源轉換裝置，受到了汽車行業的普遍重視[1-3]。其中，質子交換膜燃料電池具有啟動速度快、發電效率高等優點，最適合作為汽車的動力源[4]。為了保證燃料電池汽車的正常工作，對整車進行有效熱管理十分必要[5]。研究結果表明，質子交換膜燃料電池工作溫度較低，對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，散熱器中冷卻液與環境的溫差小，為整車的熱管理帶來了挑戰[6-9]。

目前，國內外學者已對燃料電池汽車熱管理進行了初步的研究。HASEGAWA等[10]從提高效率和可靠性以及簡化燃料電池系統的角度，詳細介紹了豐田Mirai的燃料電池熱管理系統。郭愛等[11]建立了車用燃料電池熱管理模型，研究了電堆電流、冷卻液流速、散熱片表面風速、旁路閥開度對電堆及散熱器入口與出口溫度差的影響。丁琰[12]基于AMESim軟件平臺研究了整車熱管理系統的設計方法和策略，考慮了不同環境溫度狀態下，尤其是極端工況下熱管理系統的優化設計。

本文以某全功率燃料電池汽車為研究對象，進行了整車熱管理系統的設計匹配及散熱性能研究。首先基于各核心部件的散熱條件，設計了整車熱管理系統，利用仿真軟件GT-COOL建立了整車熱管理仿真平臺，研究了各熱源（電堆、DC/DC，空壓機、電機）的工作溫度、溫差分布和冷卻液流量要求，驗證了其在極端工況下的散熱能力。

1 研究目標

本文的研究對象為某全功率燃料電池汽車的熱管理系統，表1列出了整車部分參數。

全功率燃料電池汽車熱管理對象主要包括燃料電池電堆、車內其它主要熱源（驅動電機、空壓機、DC/ DC）。質子交換膜燃料電池是一種低溫燃料電池，高效運行時的溫度范圍為60～85 ℃。主要通過氧化還原反應將化學能轉化為電能。其能量流動如圖1所示。

表1 燃料電池汽車整車參數

圖1 電堆能量流動

極端工況下，各主要零部件的產熱功率見表 2。

表2 各主要零部件散熱參數

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

2 熱管理系統的設計

2.1 系統結構設計

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分為兩個回路，模型的建立應基于熱源發熱特性和溫度要求，合理設計熱管理方式和系統結構，并將其有機地組合起來，最終搭建起整車熱管理系統模型。

本研究擬采用的燃料電池電堆的最大發熱功率為105 kW，采用液冷的方式進行冷卻。冷卻回路由燃料電池電堆、水泵、散熱器、風扇、節溫器和管路組成。汽車啟動時，電堆溫度未達到適宜的溫度區間（60～85 ℃），小循環開啟，即冷卻液不經過散熱器，使電堆溫度快速達到合適的工作溫度。當電堆溫度升至理想工作溫度后，電堆不斷產生熱量，溫度繼續升高。這時控制節溫器，大循環開啟，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相同，都設置了大小循環來實現溫度調節，主要區別在于該回路存在3個熱源，分別是DC/DC、電機和空壓機。根據3個部件的溫度控制要求，在水泵后依次布置電機、DC/DC和空壓機，部件溫度和流經這3個部件的冷卻液溫度也依次提高。圖2為整車熱管理系統結構。

圖2 整車熱管理系統結構

2.2 零部件匹配設計

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，結合相關理論和經驗公式[13-15]，得到了相應的結構參數。表3為兩種散熱器的詳細參數。

表3 散熱器主要參數表

散熱器存在兩種流體流動，即液側和空氣側，當散熱器表面與兩種流體之間的熱交換率達到平衡時，可以得出散熱器表面的溫度：

式中：h為傳熱系數；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M代表散熱器的液側，為冷卻劑與散熱器壁之間的傳熱；S代表散熱器的空氣側，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：

（1）散熱器內的冷卻液沿水管一維流動，忽略水管的空間結構以及重力對流動的影響。

（2）穿過散熱器的氣流是一維均勻的，不考慮格柵對氣流的影響。

（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。該水泵產生的熱量較小，因此，它對冷卻液溫度的影響可以忽略不計。

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行計算：

式中：V0為泵的最大容積流量；b為壓升指數；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風扇

風機的原理與泵的原理相似。該模型可表示為：

式中：V0為風機的最大體積流量；b為壓力上升指數；Pr為壓力升高率。

根據計算數據選擇了合適的風機，風機的性能曲線如圖4所示。

圖4 風機性能曲線

3 仿真模擬

3.1 模型驗證

為了驗證所建立的燃料電池汽車熱管理系統仿真模型的準確性，首先利用30 kW電堆冷卻系統的相關參數進行仿真模擬[16]，并與不同工況下的試驗數據進行比較。表4為30 kW燃料電池堆在不同條件下的參數。

表4 某30 kW電堆在不同工況下的參數

需要說明的是所建立的仿真模型未考慮以下兩個方面帶來的影響：一是電堆本身的輻射熱，二是尾氣帶走的熱量。仿真與試驗[16]的結果對比如圖5所示，相對誤差在5.5%以內，表明所建立的仿真模型具有較高的可信度。

圖5 結果對比

3.2 極端工況下仿真結果分析

為驗證熱管理系統的散熱能力，對全功率燃料電池汽車在極端工況下的熱管理進行了仿真，表5為仿真工況的相關參數。

表5 工況參數

圖6為電堆回路仿真結果，由圖可知，電堆進出口溫差約為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，電堆不宜長時間工作。

圖6 電堆仿真結果

對于另一個冷卻回路，在極端工況條件下，冷卻液與環境的溫差較小，散熱條件十分惡劣，3個核心部件的溫度和冷卻液流量必須控制在允許的范圍內，以確保安全運行。圖7為DC/DC、驅動電機和空壓機在該工況下的冷卻劑流量和溫度仿真結果。冷卻液通過DC/DC、驅動電機和空壓機的溫度分別為57.7 ℃、63.2 ℃和77.6 ℃，均低于極限溫度。流量穩定在15.3～15.5 L/min范圍內，均滿足部件的冷卻要求。

圖7 其它熱源仿真結果

4 結論

本文對某全功率燃料電池汽車熱管理系統進行了設計，并采用一維仿真軟件GT-COOL建立了整車熱管理系統仿真平臺，對其在極端工況下的運行進行了模擬計算，驗證了系統的散熱能力。該平臺可以對燃料電池汽車熱管理系統總體性能指標進行全面分析，為燃料電池汽車熱管理系統設計與分析提供依據。