氫燃料電池重型商用車整車熱管理方案研究

中圖分類號：U462 DOI：10.20042/j.cnki.1009-4903.2025.02.009

Abstract：Thisarticeisequippedwithone110kWfuelcellsystem tobuildasimulationmodelof thevehicle thermalmanagement system.Bycombiningthecoolingpipelinemodel，olingmoduleandresstanceparametersofeachcoledcomponetim software was usedforsimulation calculation to obtain thecolantflowrateofeachbranch.Basedonthecoling module'sheat disipationparameters，fanperformanceparameters，andsystemmodel，theperformanceanalysisofthecoling systemwas completed，andteesultsettereirementsofteindicators.eseparaterangementoffuelcelligempratureat dissipationmodulemotoandelectroicontrollowtmperatureeatdisspationmodule，aironditioingandpowerbattryodeser moduleandsystemschemehaveimproedtheeatdisipationperformanceandcontrolaccuracyproviingreferencefortedsignof thermal management scheme for hydrogen fuel cell vehicle.

Keywords：Hydrogenfuelcels;Thermalmanagement;Heavycommercialvehicles;Performancesimulation;AMESimsoftware

0 引言

氫能是一種清潔高效、來源廣泛的能源，是未來構(gòu)建以清潔能源為主的多能源供給系統(tǒng)的重要組成部分；而氫燃料電池汽車是全球汽車動力系統(tǒng)轉(zhuǎn)型升級的重要方向，也是構(gòu)建低碳交通體系的重要組成部分，將極大地推動我國盡早實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)1。氫燃料電池車輛具有補(bǔ)能速度快的優(yōu)點(diǎn)，將成為重型商用車在日用品、工業(yè)用品等快遞運(yùn)輸及中、長途運(yùn)輸市場中很好的解決方案。

氫燃料電池車輛運(yùn)行過程中，電堆會產(chǎn)生大量熱量，通常是傳統(tǒng)柴油車的 1.5～2 倍，且電堆最高充許水溫僅在85＼～90^°C 之間，低于傳統(tǒng)柴油車的最高允許水溫 110～115^°C ，導(dǎo)致液氣溫差減小，對整車熱管理系統(tǒng)的散熱能力提出了更高要求1。此外，氫燃料電池要求在車輛啟動、升載、降載等復(fù)雜工況下，電堆水溫波動小，以提升電堆壽命及反應(yīng)效率；加之熱管理系統(tǒng)的散熱能力受水泵、風(fēng)扇等零部件影響，冷卻液溫度的控制有一定的滯后性；因此，采用快速、精確、高效的熱管理系統(tǒng)對于氫燃料電池發(fā)動機(jī)系統(tǒng)及整車高效、安全運(yùn)行具

有十分重要的意義。

1氫燃料電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)方案

1.1系統(tǒng)原理及構(gòu)成

本文研究對象基于某 110kW 燃料電池系統(tǒng)，進(jìn)行燃料電池重型商用車的整車熱管理系統(tǒng)研究。圖1示出某氫燃料電池重型商用車的整車熱管理原理簡圖。該熱管理系統(tǒng)的冷卻液回路包括：高溫（電堆）冷卻回路、低溫冷卻回路和動力電池冷卻液回路，其中動力電池冷卻液回路的熱量通過冷凝器散發(fā)到空氣中，本文不作詳細(xì)分析。

高溫（電堆）冷卻回路包括水泵（電堆自帶）、高溫散熱器、高壓風(fēng)扇、膨脹水箱等核心零部件；低溫冷卻回路包括第一回路、第二回路、第三回路，3個回路并聯(lián)布置，主要包括：水泵、低溫散熱器、低壓風(fēng)扇、膨脹水箱等核心零部件，冷卻部件包括電機(jī)及電控、燃料電池低溫冷卻部件、四合一控制器、集成輔機(jī)等。其中，高溫（電堆）冷卻回路需要添加去離子冷卻液。高溫冷卻回路和低溫冷卻回路相互獨(dú)立運(yùn)行，水路互不干擾。

1.2 整車熱管理系統(tǒng)要求

該整車熱管理系統(tǒng)采用冷卻水循環(huán)系統(tǒng)，其中：高溫（電堆）冷卻系統(tǒng)散熱量為 225kW ，系統(tǒng)冷卻液流量按""min，低溫冷卻系統(tǒng)散熱量為 45.84kW ，冷凝器散熱量為21kW，車速為 20km/h ，環(huán)境溫度為41"^°C 。熱管理性能仿真計(jì)算需要滿足以下指標(biāo)：

（1）高溫系統(tǒng)散熱器進(jìn)口溫度： ?84^°C ·（2）電堆進(jìn)、出口溫差： ?14^°C ·（3）低溫散熱器出口溫度 ：?60^°C （4）電驅(qū)橋、電堆低溫冷卻、四合一控制器進(jìn)口溫度：

?60^°C （5）集成輔機(jī)、風(fēng)扇電機(jī)及電控進(jìn)口溫度 ：?65^°C ：（6）電驅(qū)橋各支路、電堆低溫冷卻回路冷卻液流量： ?25L/min ;（7）四合一控制器冷卻液流量：""：（8）集成輔機(jī)冷卻液流量： ≥6L/min ：（9）風(fēng)扇電機(jī)及電控冷卻液流量 ：?8?/min 。

2整車熱管理仿真模型的建立

2.1仿真模型建立

為確保仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性，基于各系統(tǒng)邊界，搭建整車三維熱管理仿真模型。采用AMESim軟件搭建氫燃料電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)仿真模型，以進(jìn)行冷卻支路冷卻液流量的仿真計(jì)算[2。在得到流量值以后，基于整車三維模型，進(jìn)行冷卻性能仿真計(jì)算。本研究對象的整車熱管理仿真模型如圖2所示。圖中，高溫散熱器匹配2個高壓風(fēng)扇1，布置在車輛前端，用于燃料電池電堆散熱；低溫散熱器包括上、下2部分，分別匹配1個低壓風(fēng)扇3，布置在駕駛室后圍右側(cè)，用于燃料電池低溫、電機(jī)及電控系統(tǒng)散熱；冷凝器匹配2個低壓風(fēng)扇2，布置在駕駛室后圍左側(cè)，用于空調(diào)及動力電池系統(tǒng)散熱。

2.2分析輸入整理

本文研究的整車熱管理系統(tǒng)，其散熱器包括3部分：高溫散熱器、低溫散熱器、冷凝器，分別將燃料電池高溫系統(tǒng)、電機(jī)及電控低溫系統(tǒng)、空調(diào)及電池回路中冷媒的熱量，在風(fēng)扇作用下，散發(fā)到空氣中，以確保整車在全場景運(yùn)行工況中各冷卻部件均不會出現(xiàn)過熱問題。高溫散熱器、低溫散熱器、冷凝器的單體性能參數(shù)分別見表1、表2和表3，冷卻風(fēng)扇性能參數(shù)見表4。

散熱部件包括：電驅(qū)橋 （MCU+ 電機(jī)）、電堆低溫冷卻部件、四合一控制器、集成輔機(jī)、風(fēng)扇電機(jī)及電控，其中電驅(qū)橋、電堆低溫系統(tǒng)水阻參數(shù)見表5，四合一控、集成輔機(jī)、風(fēng)扇電機(jī)及電控水阻參數(shù)見表6。低溫系統(tǒng)匹配3個水泵，分別為第一回路、第二回路、第三回路水路系統(tǒng)提供動力，水泵性能參數(shù)見圖3。

3整車熱管理仿真分析

3.1系統(tǒng)冷卻液流量計(jì)算

低溫系統(tǒng)冷卻液流量仿真模型是利用AMESim軟件中的冷卻庫、熱庫、熱液壓庫、信號庫中的相關(guān)模型，通過輸入零部件相關(guān)參數(shù)，搭建的熱管理系統(tǒng)模型[2-3]。為保證仿真精度，時(shí)間步長設(shè)置為 0.01s ，根據(jù)低溫系統(tǒng)散熱部件的阻力參數(shù)，結(jié)合冷卻管路三維模型、低溫散熱器阻力參數(shù)、水泵性能曲線，仿真得到低溫系統(tǒng)第一回路、第二回路和第三回路的水路冷卻液流量分別為29.8L/min、 36.2L/min 和 31.85L/min 各部件冷卻液具體流量值見表7，可見流量均滿足冷卻部件要求。

3.2系統(tǒng)散熱能力計(jì)算

本文采用實(shí)車三維模型進(jìn)行冷卻性能分析，已考慮熱風(fēng)回流等對性能結(jié)果的影響，以提升仿真精度。

當(dāng)工況穩(wěn)定以后，得到高溫散熱器電堆入口溫度 70.54^°C 電堆出口溫度 83.36^°C ，低溫系統(tǒng)低溫散熱器（下）出水口水溫 59.66^°C ，集成輔機(jī)入口溫度 60.17^°C ，風(fēng)扇電機(jī)及電控入□溫度 61.03^°C ，各部件進(jìn)、出口水溫結(jié)果見表8，可見水溫均滿足零部件指標(biāo)要求。

還得知：高溫散熱器芯體表面進(jìn)風(fēng)溫度 46.45^°C ，芯體表面風(fēng)速 9.44m/s; 低溫散熱器（上）芯體表面進(jìn)風(fēng)溫度 42.16^°C 芯體表面風(fēng)速 4.16m/s ；低溫散熱器（下）芯體表面進(jìn)風(fēng)溫度48.23^°C ，芯體表面風(fēng)速 3.04m/s ，高低溫散熱器芯體表面溫度分布如圖4所示。芯體入口溫度高于環(huán)境溫度，主要原因?yàn)闊犸L(fēng)回流導(dǎo)致，可考慮設(shè)計(jì)密封結(jié)構(gòu)，減少熱風(fēng)回流。低溫散熱器芯體表面風(fēng)速分布如圖5所示。從速度分布云圖可以看出，下部散熱器芯體表面風(fēng)速較低，主要因?yàn)橄虏坷鋮s模塊后部存在遮擋導(dǎo)致，可考慮減少冷卻模塊后部遮擋或設(shè)計(jì)導(dǎo)風(fēng)結(jié)構(gòu)。

4結(jié)論

本文基于搭建的氫燃料電池整車三維熱管理仿真模型，進(jìn)行了整車熱管理仿真性能研究，冷卻液流量和水溫均滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。本文采用的燃料電池高溫散熱模塊、電機(jī)及電控低溫散熱模塊、空調(diào)及動力電池冷凝器模塊分開布置思路和系統(tǒng)方案，提升了散熱性能和控制精度，可以為氫燃料電池車型整車熱管理方案設(shè)計(jì)提供參考，以解決散熱量大、熱管理性能匹配困難的問題。

參考文獻(xiàn)

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