燃料电池汽车是新能源汽车种类中的一种，不同之处在于该类型车辆的“电池”是氢氧混合燃料电池，和普通化学电池车辆相比，燃料电池可以补充燃料，可以在五分钟内给电池灌满燃料，解决了常规新能源汽车充电需要几个小时的局限性问题。然而对于这种车辆的研发设计而言，从整车角度对热量进行有效管理具有必要性，是确保车辆安全的基础，同时也是重点、难点。鉴于此，本次从实际出发，对该类汽车整车热管理系统设计方案仿真技术进行了研究，以期为行业的发展带来帮助。
1燃料电池汽车整车热管理系统方案设计
基于某款燃料电池汽车的实际情况而言，搭载了额定功率为62kW的氢燃料电池，电机运行功率为13kW/h。为了保障整车热管理系统的可靠，根据车辆的基础配置情况、运行环境情况，采取了液冷冷却的散热方式，整车散热结构主要为4个循环系统。主要为4个冷却回路：（1）燃料电池冷却回路，该回路系统主要包括氢燃料电池、中冷器、主散热器、电子水泵、膨胀水壶、去离子器、PTC加热器；（2）动力电池冷却回路，主要包括动力电池、电池冷却器、PTC加热器、水泵；（3）电驱动冷却回路，主要包括电机控制器、驱动电机、辅驱二合一、辅驱三合一、散热器、膨胀水壶，以及2个水泵；（4）空气压缩机冷却回路，该回路中的主要内容包括空压控制器、空压机、电压转换器（DC/DC）、散热器、膨胀水壶、水泵。
2燃料电池汽车整车热管理系统的设计原理
从燃料电池汽车的运行情况来看，燃料消耗会产生大量的热，对此，必须对相关热量进行有效处理，从而保障汽车的良好运行状态。鉴于燃料消耗阶段产生的热量，采用液冷冷却方式进行散热，该环节的冷却回路中，主要的散热源即电堆和中冷却器，实际散热时，电堆和中冷器的温度应相近，故在设计规划时，将二者设计成并联联结的结构；冷却环节中，冷却效率主要取决于冷却液分配量，为了确保冷却液分配量的合理，决定采用计算分析的方式进行确认，计算过程中以各自支路管路内径及阀门比例作为主要参照。
在车辆冷启动过程中，电堆温度应快速升高，满足车辆稳定运行之需求，此时散热系统应处于小循环状态，即节温器关闭，冷却液在固定的范围内流动；待车辆启动运行后，燃料电池单元的FCU控制PTC冷却液加热，当温度达到某一限定值时，节温器受控关闭小循环，开启大循环，进行强制散热，从而形成对整体车辆的降温。
车辆运行时，动力电机是主要的热源，该环节的冷路系统主要是将动力电机的热量进行转移，达到保证汽车运行稳定的作用。该环节的冷却系统设计，主要是采用串联方式。汽车启动运行环节，当水温低于10℃时，空调系统中的膨胀阀关闭，chiller不工作，冷却液与空调回路系统部不进行换热。但FCU仍控制PTC进行冷却液的预热，待冷却液温度高于25℃时，空调系统中的膨胀阀开启，chiller开始工作，冷却液与冷媒进行热量交换，继而达到散热的目标。
在电驱冷却回路中，各个设备元件均会产生热量，均可以作为主要的热源，为了确保散热的有效性，对实车的布置环境、部件散热耦合效应进行了分析，并根据热源发热量，进行了冷却系统的依次串联布置。与此同时，基于实际情况，这种管道相对较长，因而为了保障冷却水供应的持续，给出2个水泵的设计方案。
空压机冷却回路中，空压机控制器、空压机、DC/DC为主要热源，设计规划工作中，将冷却回路采取串联方式布置。
3燃料电池汽车整车发热量计算
3.1燃料电池发热量计算
本次研究中，鉴于实际情况，燃料电池的额定功率为62kW，峰值功率为80kW。基于详细分析可知，电堆发热量主要是其内部产生的热量，计算过程中，可以用电堆内部的总能-电堆输出的电能，从而得到热量损耗。主要是采用如下公式进行计算分析：
Q1=（V0-Vcell）IcellN；
Icell=iA；
式中：Q1为电堆即时发热功率；
V0为单片电池参考电压；
Vcell为单片电池即时电压；
Icell为系统即时电流；
N为电堆总片数；
i为单位活化面积电流；
A为电堆活化面积。
经计算分析，Q1约为64.70kW。
3.2中冷器发热量计算
按照如下计算公式计算：
Q2=cairmairΔTair；
式中：cair为空气比热，取值1006J/(kg·℃);
mair为空气质量流量，取值71.57g/s;
ΔTair为空气温差，取值100.00℃；经计算分析，中冷器发热量Q2=7.20kW。
3.3冷却液流量需求计算
为了满足实际的散热需求，本次选用50%乙二醇溶液作为冷却液，需求量计算过程中，按照公式：
V=Q/(cp(Tout-Tin))；
Q=Q1+Q2；
式中：Q为总散热量，为电堆与中冷器散热量之和；
cp为冷却液定压比热，取值3.50kJ/(kg·℃);
Tin为电堆进口水温，取值70.00℃;
Tout为电堆出口水温，取值80.00℃。
由以上公式计算可得燃料电池冷却回路最小冷却液流量需求为130.00L/min。
4仿真验证分析
为了验证燃料电池汽车整车热管理系统设计的有效性，及时开展了仿真模拟测定工作。具体的仿真过程中，有机结合AMESim软件建立仿真模型，进一步而言，结合该软件的功能性，模拟了燃料汽车中的节温器、冷却分散、散热器，构建了大小循环冷却回路。主要是将4个分布式冷却回路有效在虚拟环境中进行模拟，然后通过控制各项参数，对燃料电池汽车的整车温度变化情况进行分析，验证整车散热系统的有效性。此过程中，为了保障模拟验证的精确性，对相关数据进行了精确地分析、并对存疑的数据进行了核实、验证。在具体的仿真过程中，为了保障仿真质量，在仿真前将仿真时间和步长设置为500.00s、0.01s，然后依据工况将各热源的产热功率作为输入值给对应的发热源、热交换接口，同步将回路冷却液输入量、各部件进出水温度、温差等做为观测值，继而完成整车热管理仿真。
在仿真验证过程中，针对模型可信度进行了验证、对燃料电池冷却系统仿真结果进行了分析、对动力电池冷却系统仿真结果进行了分析、对空压机冷却系统仿真结果进行了分析、对电驱动冷却回路仿真结果进行了分析，最终结果表明结合整车级热管理系统设计和结构布置方案合理。
5结语
综上所述，燃料电池汽车是一种更为新先进的新能源汽车，不仅在环保上具有天然的优势，在能耗续航上也具有独到的特点，对于推动汽车行业的进一步的健康发展具有积极意义。但对于该类车辆的研发应用而言，对于研发技术的要求极高，对此，实际的研发工作中，除了应给出适宜的设计方案外，还应积极进行仿真、验证，以在确保基础工作的完善后，再进行研发试验，从而有效减少相关问题的发生，进而实现燃料电池汽车的实际运用。
参考文献
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