燃料電池汽車(chē)熱環(huán)境中換熱部件及熱管理系統(tǒng)性能研究.pdf

1、燃料電池汽車(chē)（Fuel cell vehicle，F(xiàn)CV）的發(fā)熱規(guī)律與其它動(dòng)力源汽車(chē)的差異較大，這給熱管理系統(tǒng)帶來(lái)了諸多挑戰(zhàn)和難題。首先，燃料電池工作溫度較低，所有廢熱（總能量的41%-62%）都由熱管理系統(tǒng)排出。其熱管理系統(tǒng)的可利用換熱溫差小，而熱負(fù)荷是內(nèi)燃機(jī)冷卻系統(tǒng)熱負(fù)荷的2.5-3倍。其次，燃料電池汽車(chē)中電氣部件多且溫控要求高。熱管理系統(tǒng)需對(duì)多部件進(jìn)行精確的冷卻控溫。此外，為節(jié)省前艙空間，多個(gè)換熱器在氣流方向上串并聯(lián)成模塊。由于換

2、熱器空氣側(cè)的熱耦合關(guān)系，各換熱器所在的熱管理子系統(tǒng)的運(yùn)行性能可能惡化。因此，有必要基于燃料電池汽車(chē)的熱環(huán)境，全面深入研究相關(guān)部件、模塊及系統(tǒng)中的多種介質(zhì)（空氣、冷卻液、制冷劑）的傳熱流動(dòng)規(guī)律，為熱管理系統(tǒng)的匹配設(shè)計(jì)和性能優(yōu)化提供依據(jù)，使其能滿足FCV嚴(yán)苛的散熱及溫控要求。本文通過(guò)建模仿真結(jié)合實(shí)驗(yàn)方法，進(jìn)行換熱部件、散熱模塊及熱管理系統(tǒng)的性能研究。主要內(nèi)容及成果如下：
　　一、關(guān)鍵換熱部件的傳熱流動(dòng)性能研究。首先，針對(duì)動(dòng)力控制單元冷

3、板，利用三維仿真方法，研究了不同形狀、直徑、高度、間距的肋柱陣列對(duì)其流動(dòng)傳熱性能的影響，獲得了兼顧傳熱、流動(dòng)及壁溫的冷板結(jié)構(gòu)，使其能以較小功耗，對(duì)動(dòng)力控制單元進(jìn)行冷卻控溫。其次，針對(duì)單元平行流換熱器，通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：在液側(cè)雷諾數(shù)[700,4000]內(nèi)，冷卻液在管內(nèi)小通道（1mm

4、行流冷凝器，建立制冷劑側(cè)不均勻流模型。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，不均勻流模型的計(jì)算精度遠(yuǎn)高于均勻流模型。應(yīng)用該模型，分析了冷凝器寬高比、流程安排以及制冷劑質(zhì)量流量對(duì)性能的影響。這為FCV空調(diào)冷凝器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和性能預(yù)測(cè)提供理論指導(dǎo)。最后，建立了板翅式液-空中冷器模型，可準(zhǔn)確預(yù)測(cè)FCV中的小流量中冷器傳熱流動(dòng)性能。這些部件研究是后續(xù)散熱模塊及熱管理系統(tǒng)研究的重要基礎(chǔ)。
　　二、散熱模塊在FCV前艙的流動(dòng)傳熱性能研究。首先，建立了散熱模塊性能分析的分

5、布參數(shù)模型。模型計(jì)算值與風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)值吻合良好。其次，應(yīng)用三維仿真方法，模擬不同模塊在前艙的氣流分布，詳細(xì)探討了車(chē)速、風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速和模塊結(jié)構(gòu)對(duì)模塊進(jìn)風(fēng)量和進(jìn)風(fēng)品質(zhì)（逆流比，風(fēng)速不均勻度）的影響。然后，結(jié)合前艙三維模型和模塊分布參數(shù)模型，建立模塊的多維模型。該模型由模塊在前艙的性能實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。分析了前艙不均勻氣流對(duì)模塊換熱性能的影響，總結(jié)了若干散熱模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的規(guī)則。應(yīng)用場(chǎng)協(xié)同理論，基于既定模塊結(jié)構(gòu)和前艙流場(chǎng)，找到了模塊性能的優(yōu)化方向。研究發(fā)現(xiàn)：中

6、低車(chē)速時(shí)(≤60km/h)，各模塊的風(fēng)速不均勻度都隨風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速先減后增；高車(chē)速時(shí)，隨著風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速增大，風(fēng)速不均勻度持續(xù)下降。此外，隨著風(fēng)速不均勻度減小，前艙非均勻氣流引起的換熱量下降幅度也減小。高車(chē)速且風(fēng)機(jī)不開(kāi)時(shí)，風(fēng)速分布極為不均勻，對(duì)應(yīng)的模塊總換熱量的下降幅度達(dá)7%-9%。
　　三、熱管理系統(tǒng)整車(chē)集成性能分析與評(píng)估。首先建立了車(chē)輛功耗模型，以及熱源（燃料電池堆、空壓機(jī)系統(tǒng)、電機(jī)系統(tǒng)等）模型，統(tǒng)籌了各熱源的發(fā)熱規(guī)律。然后，基于冷卻系統(tǒng)

7、模型和空調(diào)系統(tǒng)模型，組建了整車(chē)熱管路系統(tǒng)模型。該模型可根據(jù)環(huán)境溫度、車(chē)況，模擬FCV的發(fā)熱規(guī)律，并基于熱平衡原理，考慮子系統(tǒng)間的熱耦合，計(jì)算出各冷卻子系統(tǒng)和空調(diào)子系統(tǒng)中冷熱介質(zhì)的傳熱流動(dòng)狀態(tài)。最后，應(yīng)用該模型，以“熱平衡車(chē)速”VHB為指標(biāo)，評(píng)估了兩個(gè)熱管理系統(tǒng)在同款FCV中的性能，模型結(jié)果與FCV熱管理系統(tǒng)整車(chē)性能實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合良好。研究發(fā)現(xiàn)：分析FCV的發(fā)熱量和冷卻系統(tǒng)換熱能力隨車(chē)速的變化規(guī)律可知，F(xiàn)CV的最高車(chē)速需從熱平衡角度定義，即