某款商用汽車電堆散熱系統方案設計

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，產生廢熱也會相對較高，同時電堆散熱系統不同部件對工作溫度要求不同，通常設計多條冷卻液回路來滿足整車散熱需求。

1 設計要求

電堆冷卻系統要確保在一個高效、安全的溫度范圍內工作，不僅要保證電堆內化學反應高效進行使得電堆性能最佳，又要確保質子交換膜聚合物不出現熱分解的破壞，影響電堆安全。所以，電堆工作溫度須控制在合理范圍內。一個完美的電堆散熱系統設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，電堆冷卻系統設計要求見表1。

表1 電堆冷卻系統設計要求

2 散熱原理

電堆散熱原理如圖1所示，去離子器流阻較大，采用并聯方式接入整個水路循環；中冷器與電堆的工作溫度要求不同，因此采用并聯方式布置，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過濾，保證入口清潔。節溫器和散熱器總成并聯可以保證節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 散熱系統原理圖

3 散熱系統計算

3.1 發熱量計算

根據發熱量計算公式計算電堆發熱量：

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熱量=5.8kW。

3.2 系統總流量計算

根據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，所以電堆設計需求流量取110L/min。同樣方式計算中冷器的設計需求流量=12L/min。

綜上，系統設計總流量：=+=122L/min。

4 零部件選型

4.1 水泵選型

水泵選型需滿足在系統總流量條件下，滿足水泵出口壓力大于該冷卻系統壓力損失；另外水泵出口壓力不可過大，這樣不僅導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，根據測試及工程實驗（流量、揚程曲線圖），轉速=6000的水泵流量為122L/min，對應水泵的揚程為=14.8m。

圖2 水泵流量-揚程圖

從圖1散熱系統原理圖中可以看出，整個散熱系統分以下幾個支路：①水泵→散熱器總成→節溫器→過濾器→電堆/中冷器→水泵；②水泵→散熱器總成→節溫器→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→節溫器→過濾器→電堆/中冷器→水泵。

經校核在流量為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

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

表2 單個散熱器總成參數

散熱器總成總面積計算及零部件校核

依據冷卻介質平均溫差計算公式計算冷卻介質平均溫差：

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

依據計算結果，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散熱條件。

散熱風扇相關參數計算及零部件校核依據計算公式計算冷卻空氣需求量：

式中：——該散熱系統工作時所產生的總熱量，66.514kW；Δ——允許冷空氣經過散熱器前后的溫差（Δ=-，環境溫度取40℃，空氣經過散熱器溫度為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，散熱風扇個數為6個，單個風扇冷卻空氣提供風量：

單個風扇面積：

依據（7）、（8）的計算結果，可計算單個風扇需求風速：

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

風扇葉輪直徑為φ0.305m，風速6.5m/s時風量為1708m/h，如圖3所示，此時對應的風扇靜壓力為400Pa左右，大于散熱器風阻，滿足使用要求。

圖3 風扇風量-靜壓圖

散熱器正面積計算及零部件校核依據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）的結果代入。根據計算結果：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的接入冷卻回路。相比串聯接入方式不僅可以使冷卻液進行分流減小系統阻力，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

根據設計目標要求，電加熱器把冷卻液從-20℃加熱到0℃用時不超過3min，據此計算加熱器功率大?。?/p>

式中：——冷卻液比熱容；——冷卻液質量（小循環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%。

依據計算結果，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中起排氣補水的作用。一般膨脹水箱設計容積不小于系統總容積的20%，系統總容積約為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，一般取0.0006（1/℃）；Δ——系統內冷卻液溫變化值，取10℃；——整個冷卻系統總容積，取18L。

依據計算結果，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，這將會產生冷卻液導電的危險，為防止系統中部件會持續向冷卻液中釋放Fe、Cu、Al、SiO等陰陽離子，需要在冷卻系統中安裝一個去離子器，使系統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險。要求去離子器在系統工作過程中，將冷卻系統介質電導率降低在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 節溫器要求

節溫器即控制冷卻液流動路徑的閥門，屬于一種自動調溫裝置。節溫器能夠根據冷卻液溫度高低對進入到散熱器的水量進行自動調節，并且能夠對水的循環范圍進行改變，以此對冷卻系統散熱能力進行調節，促使燃料電池系統可以工作于比較適宜的溫度范圍內。電子節溫器根據控制策略，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，只要節溫器在它的操作溫度范圍內，各個溫度點都可做到全開和全閉。

5 系統仿真校核

如圖5所示，根據電堆冷卻系統原理圖搭建Amesim仿真模型，環境溫度40℃，輸入零部件相關參數。仿真結果如表4所示，仿真結果滿足設計要求。

表4 仿真結果

圖5 電堆散熱系統仿真模型

6 結語

本文介紹了商用車燃料電池電堆的熱管理技術，主要從設計要求、散熱原理、系統計算分析、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壓力問題通常會考慮到多條冷卻液回路并聯的接入方式，整體設計較為復雜。