盧熾華，王良旭，劉志恩，劉建國，周建軍

(1.先進能源科學(xué)與技術(shù)廣東省實驗室佛山分中心(佛山仙湖實驗室)，廣東 佛山 528200； 2.武漢理工大學(xué) 現(xiàn)代汽車零部件技術(shù)湖北省重點實驗室，武漢 430070)

隨著全球環(huán)境和資源境況日益嚴(yán)峻，被譽為車用能源“終極形式”的氫燃料電池技術(shù)，如今已成為各國在新能源領(lǐng)域戰(zhàn)略布局的重頭戲[1]。但由于氫燃料電池工作溫度區(qū)間窄[2]，以致整車散熱要求嚴(yán)苛[3]，使燃料電池汽車熱管理問題成為了目前國內(nèi)外科研人員的關(guān)注焦點。

Hasegawa等[4]從效率及可靠性提高兩方面介紹了豐田Mirai的燃料電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)；Han[5]通過設(shè)計一種模型參考自適應(yīng)反饋控制器來提高電堆冷卻水溫度控制的魯棒性；Huang等[6]制定基于電堆溫度調(diào)節(jié)的控制策略，并建立了針對水冷型質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)熱管理系統(tǒng)的動態(tài)模型；Pourrahmani等[7]采用數(shù)模模擬方法對PEMFC的對流傳熱作用進行評估；Rehlaender等[8]建立數(shù)學(xué)模型對混合燃料電池電動汽車熱管理系統(tǒng)進行研究。李正秋等[9]對比研究不同相對位置的燃料電池發(fā)動機(FCE)散熱器,動力控制單元(PCU)散熱器和空調(diào)冷凝器的布置方案，最終得到最優(yōu)的整車熱管理方案。王遠等[10]詳細解析了國外典型燃料電池汽車水熱管理系統(tǒng)的方案特點。孫震東等[11]采用滑模控制的方法對燃料電池溫度進行熱管理調(diào)節(jié)。上述研究都是針對燃料電池汽車熱管理的穩(wěn)定性和高效性，大部分研究的側(cè)重點在燃料電池的水熱管理，關(guān)于整車級熱管理系統(tǒng)研究相對較少，而熱管理工作本身具有系統(tǒng)性，因此設(shè)計整車級的熱管理系統(tǒng)十分具有必要性。

筆者從系統(tǒng)集成及整車角度出發(fā)，基于結(jié)構(gòu)和原理設(shè)計了一套氫燃料電池汽車整車熱管理系統(tǒng)，根據(jù)散熱需求對關(guān)鍵零部件進行選型和性能匹配設(shè)計，運用AMESim平臺搭建一維仿真模型，并對模型進行可信度驗證。以冷卻液輸入流量、零部件進出水溫度及溫差等為評價指標(biāo)，對系統(tǒng)不同工況進行仿真和分析，證明了該系統(tǒng)可以滿足整車熱管理要求，能夠快速地為實際工程應(yīng)用給予指導(dǎo)。

1 燃料電池汽車整車熱管理系統(tǒng)方案設(shè)計

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

圖1 整車熱管理系統(tǒng)實車環(huán)境三維模型Fig. 1 Three dimensional model of real vehicle environment for vehicle thermal management system

1)燃料電池冷卻回路：氫燃料電池、中冷器、主散熱器、電子水泵、膨脹水壺、去離子器、PTC(positive temperature coefficient)加熱器；

2)動力電池冷卻回路：動力電池、電池冷卻器(chiller)、PTC加熱器、水泵；

3)電驅(qū)動冷卻回路：電機控制器、驅(qū)動電機、輔驅(qū)二合一、輔驅(qū)三合一、散熱器、膨脹水壺、2個水泵；

4)空壓機冷卻回路：空壓機控制器、空壓機、電壓轉(zhuǎn)換器(DC/DC)、散熱器、膨脹水壺、水泵。

1.2 系統(tǒng)原理設(shè)計

在燃料電池冷卻回路中，電堆和中冷器為主要熱源，二者對進出口冷卻液溫度要求相近，結(jié)合實車布置環(huán)境，將二者設(shè)計為并聯(lián)方式聯(lián)結(jié)，所需冷卻液流量分配取決于各自支路管路內(nèi)徑及閥門比例。車輛冷啟動時，為使電堆溫度快速上升到合適的工作溫度區(qū)間，節(jié)溫器關(guān)閉冷卻液通往散熱器的通道進行小循環(huán)，同時燃料電池控制單元FCU控制PTC對冷卻液進行加熱，當(dāng)溫度到達目標(biāo)閾值時，節(jié)溫器受控關(guān)閉小循環(huán)通道，開啟大循環(huán)，進行強制散熱，降低冷卻液溫度。

在動力電池冷卻回路中，動力電池為主要熱源，采取簡單的串聯(lián)方式設(shè)計回路。當(dāng)水溫低于10 ℃時，空調(diào)系統(tǒng)中膨脹閥關(guān)閉，chiller不工作，即回路中冷卻液與空調(diào)回路中冷媒不進行換熱，此時FCU控制PTC加熱冷卻液；當(dāng)水溫高于25 ℃時，空調(diào)系統(tǒng)中膨脹閥打開，chiller開始工作，此時冷卻液與冷媒進行熱量交換。

在電驅(qū)動冷卻回路中，輔驅(qū)二合一、輔驅(qū)三合一、電機控制器、驅(qū)動電機為主要熱源，綜合考慮實車布置環(huán)境和部件散熱耦合效應(yīng)，根據(jù)熱源發(fā)熱量從小到大的順序依次進行串聯(lián)布置。由于管路較長，該回路采用2個水泵；在空壓機冷卻回路中，空壓機控制器、空壓機、DC/DC為主要熱源，同理，該回路采取串聯(lián)方式布置。整車熱管理方案工作原理如圖2所示。

圖2 整車熱管理方案工作原理圖Fig. 2 Working principle diagram of the whole vehicle thermal management scheme

1.3 控制策略設(shè)計

整車熱管理系統(tǒng)在保證高溫散熱和低溫快速冷啟動的基礎(chǔ)上，還應(yīng)盡可能減少系統(tǒng)的寄生功率損耗，因此需要根據(jù)上述整車熱管理系統(tǒng)設(shè)計方案制定合適的控制策略，以保證系統(tǒng)各部件正常運行的同時提高冷卻效率。由于汽車前艙布置空間受限，該系統(tǒng)多個回路共用一個冷卻風(fēng)扇，因此從整車散熱全局出發(fā)，制定優(yōu)先滿足核心部件燃料電池散熱需求的控制策略，具體控制邏輯如表1所示。整車熱管理系統(tǒng)通過溫度傳感器采集監(jiān)測冷卻回路中各關(guān)鍵點冷卻液的溫度，將溫度信息反饋給FCU和整車控制器單元VCU，控制單元根據(jù)內(nèi)嵌的控制策略發(fā)出響應(yīng)信號，對水泵、風(fēng)扇、節(jié)溫器和PTC等執(zhí)行部件進行控制調(diào)節(jié)，在各調(diào)控部件的相互配合下，熱管理系統(tǒng)在合適的工作溫度穩(wěn)定運行，其具體控制流程如圖3所示。

表1 整車熱管理系統(tǒng)控制策略

圖3 整車熱管理系統(tǒng)控制示意圖Fig. 3 Control diagram of vehicle thermal management system

2 燃料電池汽車整車熱管理要求

整車熱管理系統(tǒng)是一個多因素耦合作用系統(tǒng)，其中溫度是影響整個系統(tǒng)性能與壽命的核心因素。對于電堆而言，溫度過高時質(zhì)子交換膜發(fā)生脫水現(xiàn)象，導(dǎo)致電導(dǎo)率下降，進而電堆工作性能下降，電堆壽命與使用安全受到影響；溫度過低時催化劑活性減弱，輸出電壓減小，整體性能變差[12]。電堆安全高效且穩(wěn)定運行的最佳工作溫度區(qū)間為70～80 ℃，為保證電堆內(nèi)部各單體化學(xué)反應(yīng)溫度均勻性，電堆進、出口冷卻液溫差應(yīng)維持在10 ℃以內(nèi)。此外，動力電池要求冷卻液入口溫度為15～25 ℃。其他回路相關(guān)輔件溫度要求，由于篇幅限制在此不再贅述。

下面以燃料電池冷卻回路為例進行系統(tǒng)散熱需求計算。本研究中擬采用燃料電池的額定功率為62 kW，峰值功率為80 kW，電堆極化曲線如圖4所示，相關(guān)技術(shù)參數(shù)如表2所示。

圖4 電堆極化曲線(80 ℃，相對濕度40%)Fig. 4 Polarization curve of the stack at 80 ℃ with a relative humidity of 40%

表2 電堆主要技術(shù)參數(shù)表

2.1 燃料電池發(fā)熱量計算

燃料電池的熱量來自外界壓縮空氣和環(huán)境輻射輸入熱量及內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)和歐姆極化產(chǎn)生熱量。外界輸入熱量與內(nèi)部產(chǎn)生熱量相比可忽略不計，為簡化模型，電堆發(fā)熱量取內(nèi)部產(chǎn)生熱量，約等于電堆內(nèi)部反應(yīng)產(chǎn)生總能量減去電堆輸出電能[13]，即：

Q1=(V0-Vcell)IcellN,

(1)

Icell=iA。

(2)

式中：Q1為電堆即時發(fā)熱功率；V0為單片電池參考電壓；Vcell為單片電池即時電壓；Icell為系統(tǒng)即時電流；N為電堆總片數(shù)；i為單位活化面積電流；A為電堆活化面積。

考慮到額定工況下生成水主要是氣態(tài)，在過飽和或遇冷后部分生成水會變成液態(tài)，因此，額定工況點的電堆發(fā)熱量Q1經(jīng)計算折中取64.70 kW。

2.2 中冷器發(fā)熱量計算

中冷器的熱量主要來自空壓機壓縮空氣生成的熱能，計算公式為：

Q2=cairmairΔTair。

(3)

2.3 冷卻液流量需求計算

按照設(shè)計要求，環(huán)境溫度為40.00 ℃，選用50%乙二醇溶液作為冷卻液。冷卻液流量計算公式：

V=Q/(cp(Tout-Tin))，

(4)

Q=Q1+Q2。

(5)

同理，根據(jù)上述計算方法，得到該回路其他工況散熱需求如表3所示；其他3個冷卻回路額定工況的散熱需求如表4所示。

表3 燃料電池冷卻回路散熱需求

表4 額定工況下動力電池、空壓機和電驅(qū)動冷卻回路散熱需求

3 基于AMESim軟件整車熱管理系統(tǒng)建模

3.1 零部件建模與選型

3.1.1 散熱器

整車熱管理系統(tǒng)方案中，設(shè)置有1個主散熱器和2個輔散熱器，且3個散熱器共用1個冷卻風(fēng)扇，散熱器采用液-氣熱交換器，結(jié)合文獻[14]的理論公式建模,并做出以下合理假設(shè)：

1)流經(jīng)散熱器的氣流是一維均勻的，忽略格柵對氣流的影響；

2)冷卻液流經(jīng)散熱器視作一維流動，不考慮重力對流動的影響；

3)冷卻液和空氣均為不可壓縮流體。

散熱器液側(cè)流動公式：

(6)

式中：ΔP為散熱器進出口壓降；K為流動阻力系數(shù)；ρ為冷卻液密度；vcool為流經(jīng)散熱器冷卻液平均流速。

散熱器空氣側(cè)流動公式：

Qv=Aradvair。

(7)

式中：Qv為散熱器外側(cè)空氣體積流量；Arad為散熱器迎風(fēng)面積；vair為流經(jīng)散熱器空氣平均流速。

Qrad=AeachU(Trad_in-Trad_out)。

(8)

式中：Qrad為散熱器換熱量；Aeach為散熱器內(nèi)部熱交換面積；U為對流換熱系數(shù)；Trad_in、Trad_out為散熱器進、出口冷卻液溫度。

對流換熱系數(shù)U采用NTU修正公式計算：

(9)

式中：km為散熱器管道導(dǎo)熱系數(shù)；Ma、Mf為空氣、冷卻液的質(zhì)量流量；aair、bair為空氣側(cè)對流修正系數(shù)；af、bf為冷卻液側(cè)對流修正系數(shù)。

以對流換熱系數(shù)U為紐帶，聯(lián)立理論公式(7)～(9)可得：

(10)

由理論公式(10)分析可得，散熱器換熱量除自身結(jié)構(gòu)參數(shù)外，還與流經(jīng)散熱器內(nèi)部冷卻液體積流量V和外部空氣流速vair有關(guān)，并且隨冷卻液流量與空氣流速的變化呈非線性正相關(guān)；在40.00 ℃標(biāo)準(zhǔn)氣液溫差條件下，選用車載50%乙二醇作為冷卻液介質(zhì)，對散熱器進行性能實驗，將實驗采集到的離散數(shù)據(jù)通過插值處理得散熱器散熱量與冷卻液流量和空氣流速三者關(guān)系map圖(圖5)。

圖5 主散熱器和輔散熱器的散熱性能map圖Fig. 5 Heat-dissipation performance maps of the main radiator and the auxiliary radiator

3.1.2 冷卻水泵

冷卻水泵是冷卻回路系統(tǒng)中提供一定流量和壓力冷卻液的關(guān)鍵部件，根據(jù)文獻[15]采取簡單流量公式建模：

V=qn。

(11)

式中：V為水泵流量；q為水泵排量；n為水泵轉(zhuǎn)速。

水泵根據(jù)上述系統(tǒng)散熱需求進行選型。燃料電池回路水泵選用額定流量為170.00 L/min的高壓水泵，其余回路根據(jù)水泵揚程及流量進行選型，其揚程H-流量V-轉(zhuǎn)速n性能曲線如圖6所示。

圖6 高壓水泵和低壓水泵性能曲線圖 Fig. 6 Performance curves of the high-pressure water pump and the low-pressure water pump

3.1.3 冷卻風(fēng)扇

風(fēng)扇建模理論公式[16]為：

(12)

式中：Vm為風(fēng)扇最大體積流量；Vr為風(fēng)扇參考流量；b為壓力上升指數(shù)；Δp為壓力增量；pr為壓力升高率。

冷卻風(fēng)扇轉(zhuǎn)速由冷卻液溫度和控制器調(diào)節(jié)決定，其控制策略如表5所示。

表5 冷卻風(fēng)扇控制策略

3.1.4 節(jié)溫器

為調(diào)控冷卻液溫度和改變其循環(huán)路線，傳統(tǒng)汽車常使用蠟式節(jié)溫器，但由于依賴石蠟溫度特性，該類型節(jié)溫器存在開啟時間延遲以及溫度遲滯效應(yīng)，因此響應(yīng)速度較慢；為提高控制精度，本研究中采用電子節(jié)溫器，其實質(zhì)為電控三通閥，可依據(jù)信號占空比精確控制閥門開度以實現(xiàn)流量主動控制。兩種節(jié)溫器的對比如表6所示。60.00 ℃為節(jié)溫器初開溫度，70.00 ℃為全開溫度，以保證進入電堆的冷卻液溫度維持在70.00 ℃左右，并將節(jié)溫器布置在電堆與中冷器出水管路的下游，以緩解溫度調(diào)節(jié)震蕩。

表6 蠟式節(jié)溫器與電子節(jié)溫器對比

3.1.5 管路建模

由于管路和部件水套所造成的壓力損失不容忽視，簡化模型的同時，也需盡可能模擬整車真實的管路連接與布置，變徑管路采取轉(zhuǎn)接頭連接兩端不同管徑形式進行模擬，不斷調(diào)整管徑、長度等參數(shù)，以達到合理的壓降和流量。整車熱管理系統(tǒng)各主要部件管路參數(shù)如表7所示。

表7 各主要部件管路參數(shù)

3.2 仿真模型搭建

利用AMESim軟件中的Cooling-System庫、Thermal庫、Thermal-Hydraulic庫、Thermal-Hydraulic-Resistance庫、Signal-Control庫中的節(jié)溫器模型和集成冷卻風(fēng)扇的散熱器模型搭建燃料電池大小循環(huán)冷卻回路，通過電機與水泵組合模塊為系統(tǒng)提供流量，運用管路和部件水套模擬流阻進行回路連接，同時在系統(tǒng)各關(guān)鍵部位布置溫度傳感器、壓力傳感器和流量傳感器等進行監(jiān)測，最后將所搭建的4個分布式冷卻循環(huán)回路在相同熱環(huán)境下進行系統(tǒng)集成，通過輸入相關(guān)參數(shù)和map圖形成燃料電池汽車整車熱管理AMESim模型；為保證較好的計算效率及仿真精度，仿真前設(shè)置仿真時間和步長分別為500.00 s、0.01 s，然后依據(jù)工況將各熱源的產(chǎn)熱功率作為輸入值輸入給對應(yīng)的發(fā)熱部件熱交換接口，以回路冷卻液輸入流量、各零部件進出水溫度與溫差以及壓降等作為觀測值進行輸出，至此整車熱管理仿真模型搭建完成(圖7)。

圖7 燃料電池汽車整車熱管理系統(tǒng)AMESim模型Fig. 7 AMESim model of fuel cell vehicle thermal management system

4 仿真模擬與結(jié)果分析

4.1 模型可信度驗證

為保證仿真結(jié)果的可靠性，需對所搭建的燃料電池汽車整車熱管理模型進行驗證。參考了文獻[17]中的30 kW燃料電池發(fā)動機冷卻系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)進行多工況仿真運算，以電堆出水溫度為觀測值，然后與其試驗值進行比對分析，比對結(jié)果如圖8所示。由于模型搭建進行過簡化處理且試驗本身具有一定誤差，故仿真值與試驗值存在相對誤差，但結(jié)果控制在5.80%以內(nèi)，說明所搭建的熱管理仿真模型具有較高的可信度。

圖8 仿真與試驗比對結(jié)果Fig. 8 Comparison results between simulation and experiment

4.2 燃料電池冷卻系統(tǒng)仿真結(jié)果分析

當(dāng)燃料電池在額定工況下工作時，水泵轉(zhuǎn)速恒為4 000 r/min，輸入流量為167.03 L/min，分配給電堆的流量為130.65 L/min, 中冷器流量為36.38 L/min，滿足系統(tǒng)流量需求；電堆進、出水溫度分別為71.72 ℃和79.81 ℃,溫升8.08 ℃，在電堆正常工作溫度范圍之內(nèi)，且符合溫度均勻性要求，壓降為5.69 kPa，在設(shè)計壓降范圍內(nèi)；中冷器進、出水溫度分別為71.72 ℃和74.95 ℃，溫升3.23 ℃，壓降為0.61 kPa，均在許用標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)；由于回路輔件實際存在一定發(fā)熱，散熱器實際散熱功率為74.57 kW，大于理論散熱功率71.90 kW，結(jié)果合理。各結(jié)果如圖9～12所示。

圖9 散熱器進、出水溫度及溫差變化Fig. 9 Change of inlet and outlet temperatures and temperature difference of radiator

圖10 電堆進、出水溫度及溫差變化Fig. 10 Change of inlet and outlet temperatures and temperature difference of stack

圖11 中冷器進、出水溫度及溫差變化Fig. 11 Change of inlet and outlet temperatures and temperature difference of intercooler

圖12 散熱器，電堆和中冷器進出口壓降變化Fig. 12 Change of inlet and outlet pressure drops of radiator, stack and intercooler

除在峰值工況下電堆和中冷器出口溫度超出極限值80.00 ℃不宜長時間工作外，其他工況各項指標(biāo)均在許用范圍之內(nèi)，各工況仿真結(jié)果如表8所示。

表8 燃料電池冷卻回路仿真結(jié)果

4.3 動力電池冷卻系統(tǒng)仿真結(jié)果分析

當(dāng)動力電池輸出額定功率時，產(chǎn)熱功率恒為3.00 kW，此時冷媒溫度為13.00 ℃，水泵轉(zhuǎn)速恒為2 500 r/min，輸入流量為9.57 L/min，滿足回路8.00 L/min的流量需求。動力電池進、出水溫度分別為15.46 ℃和21.20 ℃，冷卻液溫升5.76 ℃，壓降為6.35 kPa；電池散熱器chiller壓降為2.77 kPa，由于回路輔件實際存在一定發(fā)熱，實際換熱量為3.23 kW，大于理論散熱量3.00 kW，結(jié)果合理，系統(tǒng)各項指標(biāo)均滿足設(shè)計要求。

4.4 空壓機冷卻系統(tǒng)仿真結(jié)果分析

空壓機冷卻系統(tǒng)在額定工況下，水泵轉(zhuǎn)速恒為1 500 r/min，輸入的流量為8.91 L/min，滿足系統(tǒng)流量需求7.50 L/min。由表9可知，空壓機及空壓機控制器由于兩者發(fā)熱量較小，進出水溫度在55.00 ℃左右，進出水溫升也較小，分別為3.72 ℃和1.86 ℃，但DC/DC發(fā)熱量較大且位于回路最后端，因此進、出水溫度較高，分別為57.58 ℃和66.79 ℃，進出水溫升也較大，為9.21 ℃，但均在正常工作溫度范圍內(nèi)；散熱器進出水溫差為14.78 ℃，實際散熱功率為8.00 kW，滿足散熱要求；由于冷卻液流速較小，因此散熱器壓降較小，除空壓機壓降為6.50 kPa外，其余各部件壓降均較小，但各部件壓降均滿足許用標(biāo)準(zhǔn)。

表9 空壓機冷卻系統(tǒng)仿真結(jié)果

4.5 電驅(qū)動冷卻回路仿真結(jié)果分析

當(dāng)電驅(qū)動冷卻系統(tǒng)工作于額定工況下，水泵轉(zhuǎn)速恒為4 000 r/min，輸入流量為50.37 L/min，滿足系統(tǒng)流量需求46.70 L/min。由表10可知，電機控制器、輔驅(qū)二合一與輔驅(qū)三合一由于發(fā)熱量不大且相連布置在回路前端，三者進、出水溫度相近，均在60.00 ℃上下，進、出水溫升很小，為1.00 ℃，但電機發(fā)熱量最大且位于回路最后端，因此進、出水溫度較高，分別為62.03 ℃、68.07 ℃，進出水溫升也較大，為6.05 ℃，但均在正常工作溫度范圍內(nèi)；散熱器進出水溫差為10.08 ℃，實際散熱功率為30.96 kW，大于理論散熱量25.80 kW,滿足散熱要求；散熱器的冷卻液流速偏小，因此壓降較小，但輔驅(qū)三合一和電機的冷卻液流速較大，流動阻力也較大，壓降分別為12.54 kPa和28.15 kPa，輔驅(qū)二合一和電機控制器壓降均較小，但各部件壓降均滿足許用標(biāo)準(zhǔn)。

表10 電驅(qū)動冷卻系統(tǒng)仿真結(jié)果

5 結(jié) 語

1)結(jié)合整車級熱管理系統(tǒng)原理和結(jié)構(gòu)，綜合考慮熱管理要求與實車布置環(huán)境, 合理選型與匹配設(shè)計散熱器、水泵以及連接管路等關(guān)鍵零部件,設(shè)計了由4個分布式冷卻回路集成的燃料電池汽車整車級熱管理系統(tǒng)；基于AMESim平臺搭建整車熱管理系統(tǒng)一維仿真模型，并進行模型可信度驗證；以回路冷卻液輸入流量、零部件進出水溫度與溫差以及壓降為指標(biāo)，分析不同工況下燃料電池汽車整車級熱管理系統(tǒng)的冷卻性能。

2)通過分析得出，在額定工況下，電堆進、出水溫度分別為71.72 ℃和79.81 ℃，溫升8.08 ℃，在電堆最適工作溫度范圍之內(nèi)，且符合溫度均勻性要求；在峰值工況下，電堆和中冷器出水溫度達到極限值80.00 ℃，不宜長時間工作，但其余工況系統(tǒng)各項指標(biāo)均處于正常工作范圍內(nèi)，證明該系統(tǒng)運行良好，可以滿足設(shè)計要求。

3)未來可對熱管理系統(tǒng)參數(shù)的敏感度展開研究，制定相宜的控制策略，加入控制效果優(yōu)良的智能算法，以提高燃料電池汽車整車熱管理系統(tǒng)運行的效率和魯棒性。