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浅析燃料电池汽车整车热管理系统设计与仿真技术

杨达维

中国汽研工程研究院股份有限公司

摘要: 随着时代的发展,新能源汽车成功上市,具有节能、环保的特点,对于推动社会的文明、健康发展具有积极意义。但对于新能源汽车的研发设计而言,如何确保整车的安全、稳定是值得深入研究的课题。对此,本文以某款燃料电池汽车作为研究对象,深入分析了该车辆热管理系统设计,以及给出的仿真技术。最终该燃料电池汽车成功研发实现,运行工况良好,满足初期设计要求,对于类似汽车项目的研发具有积极的借鉴价值。
关键词: 燃料电池汽车;整车热管理系统;设计;仿真技术
DOI:10.12721/ccn.2023.157092
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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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