畢業(yè)設(shè)計（論文）-全功率燃料電池汽車整車熱管理系統(tǒng)設(shè)計與分析

緒論研究背景及意義圖STYLEREF1\s1.SEQ圖\*ARABIC\s11燃料電池原理隨著環(huán)境污染的不斷加劇，綠色出行和環(huán)境友好型車輛受到人們越來越多的關(guān)注。燃料電池汽車是一種使用新型能源汽車，其原理是通過燃料電池中電化學(xué)反應(yīng)，將產(chǎn)生的化學(xué)能轉(zhuǎn)化成電能，如REF_Ref9862002\h圖1.1。同電池電動汽車相比，燃料電池在質(zhì)量、體積、加油時間、減排等方面都表現(xiàn)的更加優(yōu)秀[1]。同傳統(tǒng)汽車內(nèi)燃機相比，燃料電池的反應(yīng)進程不需要燃燒和熱機做功，因而不考慮卡諾循環(huán)，其能量轉(zhuǎn)換率可高達60%，效率比傳統(tǒng)內(nèi)燃機高出近一倍。其中質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)的燃料是氫氣和氧化物，具有效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、比功率大、冷啟動時間短、燃料來源廣泛、零污染（反應(yīng)產(chǎn)物是水）等特點，并且反應(yīng)溫度低，適合于交通用具。這些優(yōu)點使得PEMFC成為最有望代替內(nèi)燃機的動力源，也是研究的熱點[2-3]，也是本文研究的對象。隨著燃料電池的反應(yīng)，也將有大量的熱量產(chǎn)生，若不能得到良好散熱，將導(dǎo)致電堆升溫、質(zhì)子交換膜失水、工作性能下降等一系列問題[4]圖STYLEREF1\s1.SEQ圖\*ARABIC\s11燃料電池原理熱管理內(nèi)容概述燃料電池汽車熱管理即對整車的換熱量進行控制，使相應(yīng)管理對象在合理的溫度范圍工作，整車得以正常運作。對于全功率燃料電池汽車，其燃料電池堆在將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能時將產(chǎn)生大量的熱量。此外發(fā)動機內(nèi)還有一些高功率消耗元件如驅(qū)動電機、DC/DC轉(zhuǎn)換器、空壓機[4]，在這些部件工作時所產(chǎn)生的熱量都需要散出。驅(qū)動電機的作用是使電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能，并通過傳動系統(tǒng)傳遞到車輪驅(qū)動車輛。DC/DC變換器能夠?qū)θ剂想姵氐妮敵鲭妷哼M行升壓以及穩(wěn)壓，使其輸出電壓與其他電子元件工作電壓相匹配[2]。為提高工作效率，需要空壓機對空氣進行壓縮再進入電堆。對于發(fā)動機主要散熱元件，設(shè)計合適的熱管理系統(tǒng)散出相應(yīng)熱負荷，確保溫度控制在允許范圍內(nèi)，使其處在良好的工作狀態(tài)，發(fā)動機運作良好。此外，車廂內(nèi)部空間的各種熱量也要在必要時及時散出，且空調(diào)冷凝器常常與發(fā)動機散熱系統(tǒng)在空間布置上相互影響，故也需管理空調(diào)制冷負荷，設(shè)計冷凝器散熱以維持適宜的車內(nèi)環(huán)境溫度。研究現(xiàn)狀概述熱管理難點與傳動內(nèi)燃機相比，散熱負荷更大傳統(tǒng)發(fā)動機工作時，除卻熱效率的剩余需散發(fā)熱量中，大部分通過尾氣排放和發(fā)動機機體散出,只有少量熱量靠散熱器發(fā)散；但對于燃料電池汽車，極端工況下電池發(fā)動機本體幾乎絕熱，少量熱量通過尾氣排放,其余熱量則通過散熱器散出[5]。研究表明，燃料電池汽車總散熱量的95%以上靠散熱器冷卻水帶出[6-7]，散熱負荷的增加使得整車散熱更加困難。 空間受限，子系統(tǒng)相互影響，整體布置困難燃料電池整車需要散熱的部件主要包括電堆、變換器DC/DC、電機、空壓機等。散熱件除了相應(yīng)散熱器，還有冷凝器。由于散熱負荷的增大，散熱器所需的散熱面積和體積也需增加；另外，換熱器數(shù)量增加，但發(fā)動機艙空間有限，這就要求系統(tǒng)設(shè)計更加緊湊[8]。由于空間的限制，各散熱件必將存在位置、散熱沖突，需協(xié)調(diào)設(shè)計[5]。若冷凝器放置在散熱器前,將提高進風(fēng)溫度,從而影響電堆的散熱效果。若優(yōu)先考慮電堆，將冷凝器布置于電堆散熱器進風(fēng)之后，或者設(shè)計帶獨立風(fēng)扇的側(cè)置冷凝器甚至設(shè)計二級冷凝[7]。如何在有限空間內(nèi)合理布置整個系統(tǒng)需仔細考慮。電堆散熱需要滿足要求高a) 控制溫度范圍，工作溫度在65-80℃之間，使電堆能夠高效穩(wěn)定運行。b) 控制溫度均勻水平，電堆進出口冷卻液溫差小于10℃，最好小于5℃[9]?，F(xiàn)在大部分燃料電池都以Nafion系列膜作電解質(zhì)，為保持良好熱穩(wěn)定性和傳導(dǎo)性，需保證電解質(zhì)溫度不大于80℃[10]。為達到質(zhì)子交換膜良好的傳導(dǎo)性，也應(yīng)當(dāng)維持適當(dāng)?shù)臐駶櫁l件，受此限制電堆工作溫度不適宜超過80℃[2]，而散熱器的冷卻劑入口溫度也需保持在極限溫度80℃以下[11]。可見需控制溫度在65-80℃以內(nèi)，與環(huán)境溫度相差不大，為散熱帶來更大難題。國內(nèi)外現(xiàn)狀夏明智等[7]人提出增加散熱的三種方案：增大風(fēng)扇的功率、增大散熱器的散熱面積以及調(diào)整散熱器的布置方式（采用側(cè)置冷凝器或雙級冷凝器散熱的方式）。侯獻軍[10]針對燃料電池堆熱管理系統(tǒng)，通過節(jié)溫器分為大小循環(huán)，建立溫度模糊控制系統(tǒng)。王路飛[12]采用平行流換熱器，將熱管理系統(tǒng)分為FCE、PCU、冷凝器三個散熱回路，并通過仿真優(yōu)化布置方案。張敏[13]等人設(shè)計電堆與DC/DC串聯(lián)的散熱系統(tǒng)，并進行熱量分析和散熱器、風(fēng)扇等主要部件設(shè)計計算。常國峰等[14]將燃料電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)分為燃料電池和動力系統(tǒng)平臺熱管理，并提出可通過提高燃料電池的額定溫度、增大空氣流量等方法來提高整車的散熱量。樊春艷等[15]整車布置多個冷凝器、散熱器，主冷凝器和散熱器共用風(fēng)扇，實現(xiàn)燃料電池汽車的功率優(yōu)化。陳瀟等[16]組建熱管理系統(tǒng)，包括燃料電池、散熱器、膨脹水箱、水泵、風(fēng)扇等，結(jié)果說明電池運行溫度可主要通過風(fēng)扇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)；電堆進出口冷卻水溫差可通過冷卻水泵流量調(diào)節(jié)；散熱器并聯(lián)散熱效果更優(yōu)。XingqiangZhao等人[17]建立由電堆、散熱器、水箱、水泵組成的熱管理系統(tǒng)，通過實驗改變冷卻液溫差、降低冷卻劑入口溫度等條件，證明實驗與模型良好匹配。QinguoZhang等[18]模擬了質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）發(fā)動機的冷卻系統(tǒng)一維和三維（散熱片采用多孔介質(zhì)）協(xié)同仿真方法，系統(tǒng)將電堆與DC/DC并聯(lián)再連接散熱器，中冷和冷凝器單獨形成循環(huán)系統(tǒng)。SiliangCheng等[19]建立冷卻系統(tǒng)的模型（電堆、水箱、水泵、散熱器），在Simulink平臺上構(gòu)建了一個耦合到風(fēng)扇的散熱器，仿真結(jié)果與實際相差0.5攝氏度左右，令人滿意。JaeyoungHan等[20]為評估燃料電池冷卻系統(tǒng)性能，采用由散熱器、儲液器、水泵、旁通閥和散熱器組成的冷卻系統(tǒng)，整合了動態(tài)車輛模型與燃料電池系統(tǒng)模型，并考慮沖壓空氣補償。論文主要工作本文對全功率燃料電池汽車整車（針對功率100kW）進行熱管理，主要內(nèi)容如下：確定全功率燃料電池汽車整車散熱系統(tǒng)方案：對于整車的散熱負荷（包括燃料電池電堆、DC/DC、電機、空壓機等元件散熱量以及空調(diào)散熱負荷），確定散熱量并設(shè)計相應(yīng)散熱件包括散熱器以及冷凝器。設(shè)計散熱系統(tǒng)，包括確定各個散熱件以及相應(yīng)散熱回路的構(gòu)成，并綜合考慮在有限空間合理布置散熱件。設(shè)計散熱件并完成一維仿真：確定基于散熱量的基礎(chǔ)參數(shù)，進行散熱件選型以及結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計，并校核散熱量達標(biāo)。根據(jù)相關(guān)參數(shù)用GT-suite軟件COOL部分完成散熱一維仿真，最后編寫計算說明書。完成散熱主件的三維數(shù)模構(gòu)建及相應(yīng)工程圖紙繪制：用CATIA對散熱主件如散熱器、冷凝器進行三維建模與裝配，體現(xiàn)設(shè)計方案以及相關(guān)尺寸參數(shù)，完成要求二維圖紙量。熱管理系統(tǒng)設(shè)計方案系統(tǒng)設(shè)計理論基礎(chǔ)散熱方式選擇發(fā)動機散熱燃料電池是發(fā)動機內(nèi)最重要的部件，通常有水冷和風(fēng)冷兩種冷卻方式，其中風(fēng)冷式又分為自然冷卻和強制冷卻。水冷方式具有散熱均勻，冷卻性能高的特點。隨著燃料電池功率的增加，通常大于5kW的電堆系統(tǒng)必須采用水冷[4]，即冷卻液循環(huán)流過電堆，通過散熱器散出熱量。故本文研究對象100kW燃料電池系統(tǒng)顯然需采用水冷方式，冷卻液為去離子水。對于其他高功率消耗元件，通常與燃料電池冷卻方式相同。車廂散熱對于車廂內(nèi)熱量，其散熱是通過冷凝器中氣態(tài)制冷劑轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)的相變過程，放出蒸發(fā)器吸收的車廂熱量和壓縮機做工所轉(zhuǎn)化的熱量。在汽車空調(diào)系統(tǒng)中，冷凝器采用風(fēng)冷方式，即空氣冷卻[21]，冷凝管中流通制冷劑，通常用R134a。散熱回路基本組件發(fā)動機散熱發(fā)動機散熱回路通常包括散熱器、散熱風(fēng)扇、水泵、膨脹水箱[22]。散熱器：發(fā)動機利用散熱器散熱，其原理是兩種流體通過熱交換散出系統(tǒng)熱量，一種是空氣，一種是冷卻液。冷卻液帶來散熱元件的熱量，其散熱途徑為：冷卻液熱量經(jīng)由散熱器金屬壁（包括水管壁和散熱片或散熱帶），傳遞到冷卻空氣中去[23]。即冷卻液向空氣散熱降溫，冷卻空氣吸收冷卻液散發(fā)的熱量而升溫。從而使得冷卻液溫度降低，流出散熱器進入下一個工作循環(huán)。散熱風(fēng)扇：為散熱件提供冷卻風(fēng)量，通常采用軸流式，電動控制。水泵：使冷卻液能夠形成循環(huán)，通常使用離心式。膨脹水箱：為吸收溫度升高后體積膨脹的冷卻液而設(shè)置，結(jié)構(gòu)如REF_Ref9864534\h圖2.1。圖STYLEREF1\s2.SEQ圖\*ARABIC\s1圖STYLEREF1\s2.SEQ圖\*ARABIC\s11膨脹水箱車廂散熱空調(diào)散熱回路主件包括冷凝器、膨脹閥、蒸發(fā)器、壓縮機四個部分[21]。冷凝器：通過冷凝放出熱量。冷凝器中熱交換的兩種介質(zhì)是空氣和制冷劑，制冷劑通過管壁和翅片將熱量傳遞給空氣，使得高溫氣態(tài)制冷劑冷凝為高溫液態(tài)。膨脹閥：將冷凝器傳來的高溫液態(tài)制冷劑降溫降壓。蒸發(fā)器：將膨脹閥而來的低溫液態(tài)制冷劑蒸發(fā)為低溫氣態(tài)，并吸收車廂內(nèi)熱量。壓縮機：將蒸發(fā)器傳來的低溫氣態(tài)制冷劑壓縮成高溫氣態(tài)，入冷凝器進行下一個循環(huán)。系統(tǒng)參數(shù)確定子系統(tǒng)劃分由于整車熱量來源多，將整車散熱量分散到各個子系統(tǒng)，分塊化處理，更有利于合理利用空間及分析處理。在燃料電池發(fā)動機系統(tǒng)中，燃料電池電堆散熱量最大，且電堆溫度對整車性能影響最大，是熱管理的重點。故整車熱管理系統(tǒng)可分為燃料電池子系統(tǒng)、動力控制子系統(tǒng)以及空調(diào)制冷子系統(tǒng)，其對應(yīng)熱負荷分別是電池電堆、除電堆外其他元件（驅(qū)動電機、DC/DC、空壓機）、空調(diào)冷凝負荷。其中燃料電池、動力控制子系統(tǒng)又同屬于發(fā)動機系統(tǒng)，均采用水冷，冷卻介質(zhì)是去離子水，分別通過各自散熱器（命名為電堆散熱器與動力系統(tǒng)散熱器）散出熱量；空調(diào)制冷系統(tǒng)采用風(fēng)冷，冷卻介質(zhì)是制冷劑，通過冷凝器散熱。列表如下：表STYLEREF1\s2.SEQ表\*ARABIC\s11子系統(tǒng)信息子系統(tǒng)名稱熱負荷（來源）冷卻方式換熱器燃料電池子系統(tǒng)電堆水冷電堆散熱器動力控制子系統(tǒng)驅(qū)動電機、DC/DC、空壓機水冷動力系統(tǒng)散熱器空調(diào)制冷子系統(tǒng)冷凝負荷風(fēng)冷冷凝器散熱負荷及工況參數(shù)確定燃料電池子系統(tǒng)燃料電池能量效率一般在40%-60%，常選取熱效率為50%進行計算[2-16]。計算時忽略其他散熱方式，簡化熱量全部由冷卻水散出，也可保證散熱量達標(biāo)。本文針對100kW燃料電池，即散熱量為：Q（2.1）式中：P—功率，100kW；n—能量效率，50%。由公式2.1得，散熱量QE由上文知，一般PEM燃料電池工作溫度為65-80℃，而80℃為極限溫度，并結(jié)合相關(guān)參考文獻，設(shè)置電堆工作溫度參數(shù)為65-75℃，冷卻水溫差10℃。動力控制子系統(tǒng)本系統(tǒng)高功率消耗元件有DC/DC、驅(qū)動電機、空壓機，由于課題并未給出功率，故首先收集相關(guān)工作參數(shù)信息。驅(qū)動電機：參考豐田Mirai車型，其電池功率114kW，驅(qū)動電機峰值功率113kW。通常電機額定功率取峰值功率的一半[24-25]，故本文以P=56kW為額定功率計算。而驅(qū)動電機的效率通常在90%之上，故取值為n=0.9。將P和n帶入公式（2.1），可得散熱量Q1DC/DC：參考文獻[26]設(shè)計得DC/DC，額定功率為90kW，其效率在96%以上。一般DC/DC效率以0.95[25]記，故本文P=90kW，n=0.95帶入式（2.1），計算得Q2空壓機：參考文獻[27]以及賽特勒斯軸承科技（北京）有限公司離心式空壓機，額定功率10kW，效率不小于80%。，以P=10kW，n=0.8記，帶入式（2.1）計算得Q3由上述信息，可得總散熱負荷：Q（2.2）由公式（2.2）算得Q=12.47由文獻[5,12-15]，其動力控制系統(tǒng)設(shè)計熱負荷為11-13.1kW，可見參考取值合理?？紤]系統(tǒng)還存在部分低功耗部件，故設(shè)計本系統(tǒng)熱負荷為14kW。參考榮威E50設(shè)計PEB（電力電子箱）/驅(qū)動電機冷卻回路，65℃為適宜溫度，通常工作溫度需低于75℃；文獻[14]設(shè)置動力系統(tǒng)散熱冷卻水溫不大于75℃；文獻[5]設(shè)置相應(yīng)冷卻水溫度為70-81℃。故本文設(shè)置冷卻水溫度60-75℃。空調(diào)制冷子系統(tǒng)一般轎車冷凝器制冷負荷可取經(jīng)驗值3-9.3kW[28]。文獻[5,12-15]中冷凝負荷取6-9kW，故本文以9kW為設(shè)計負荷。參考文獻[29-30]，設(shè)置過冷度為5℃，冷凝溫度為60℃，排氣溫度為85℃?？紤]夏天炎熱環(huán)境，環(huán)境溫度設(shè)置為40℃。整理散熱參數(shù)，列表如下:表STYLEREF1\s2.SEQ表\*ARABIC\s12子系統(tǒng)散熱負荷及工況參數(shù)系統(tǒng)名稱燃料電池子系統(tǒng)動力控制子系統(tǒng)空調(diào)制冷子系統(tǒng)散熱負荷（kW）100149工況參數(shù)（℃）冷卻液65-75冷卻液60-75冷凝溫度60，排氣溫度85，環(huán)境溫度40總體布置方案散熱回路由于燃料電池子系統(tǒng)與動力控制子系統(tǒng)工況參數(shù)不同，雖然散熱組件相似但不可共用；本文主要考慮冷凝器散熱功能，故對空調(diào)制冷子系統(tǒng)作簡化處理。設(shè)計散熱回路如下圖2.2所示：空間布置整車熱管理系統(tǒng)由三個散熱回路組成，包含兩個散熱器，一個冷凝器?？梢灶A(yù)見電堆散熱器必然體積最大，也為保證迎風(fēng)面積，通常將電堆散熱器正置在車頭。對于動力系統(tǒng)散熱器以及冷凝器，若同樣正置，與電堆散熱器共用風(fēng)扇，那么空氣在經(jīng)過電堆散熱器之后，必然會產(chǎn)生一定溫升，對下一個散熱件散熱性能產(chǎn)生影響[7]。若能避免兩散熱件間的熱過度，也能降低氣側(cè)壓降，提升散熱性能[8]。故選擇將動力系統(tǒng)散熱器和冷凝器分別側(cè)置，各自帶風(fēng)扇?？紤]空間位置和車頭弧度，側(cè)置時與電堆平面一定夾角（30°）擺放。圖STYLEREF1\s2.3整車空間布置圖圖STYLEREF1\s2圖STYLEREF1\s2.3整車空間布置圖圖STYLEREF1\s2.2系統(tǒng)散熱回路

換熱器匹配設(shè)計及一維仿真換熱器選型散熱器選型圖STYLEREF1\s3.SEQ圖\*ARABIC\s11管片、管帶式散熱芯結(jié)構(gòu)散熱器根據(jù)冷卻水室上下布置或左右布置分為直流式和橫流式。由于橫流式散熱器可以降低高度尺寸，運用在轎車上更為適合，且能夠有效增加散熱器正面積（約10%），從而應(yīng)用更大尺寸的風(fēng)扇，增大氣流量，提高散熱能力[8]，因此本設(shè)計采用橫流式左右水室的設(shè)計。散熱器由水室和散熱芯構(gòu)成。其中散熱芯在汽車上主要有管片式、管帶式兩種，如圖3.1。本設(shè)計采用管帶式，芯子由散熱帶和水管組成，且散熱帶上開有百葉窗，與管帶式相比散熱能力更高，制造更簡單，利于輕量化，成本更低，且能減少芯子厚度；水管采用扁管，其與圓管相比在相同流量下有更大的散熱面積[31]圖STYLEREF1\s3.SEQ圖\*ARABIC\s11管片、管帶式散熱芯結(jié)構(gòu)冷凝器選型圖STYLEREF1\s3.SEQ圖\*ARABIC\s12平行流式冷凝器冷凝器一般有管帶式、管片式、平行流式，其中平行流式散熱器，如圖3.2，可以使圖STYLEREF1\s3.SEQ圖\*ARABIC\s12平行流式冷凝器電堆散熱器匹配設(shè)計完成散熱器選型，圖STYLEREF1\s3.SEQ圖\*ARABIC\s13圖STYLEREF1\s3.SEQ圖\*ARABIC\s13散熱器設(shè)計流程圖設(shè)計基礎(chǔ)參數(shù)確定已知FCE散熱器對應(yīng)散熱元件為電堆，散熱量100kW。參考文獻[13,31]設(shè)計計算流程如下：冷卻水循環(huán)量Vw冷卻水循環(huán)所需量VwV（3.1）式中：QE為電堆散熱量，100kW；?tw為冷去水循環(huán)溫升，取10℃；γw為水的密度，取平均水溫70℃，近似取978kg/m3；cw計算得冷卻水循環(huán)流量Vw=0.00245mm（3.2）計算得2.389kg/s。冷卻空氣量Va循環(huán)所需冷卻空氣量VaV（3.3）式中：QE為電堆散熱量，100kW；?ta為空氣溫升，取經(jīng)驗值15℃；γa為空氣的密度，取平均溫度47.5℃，近似取1.10kg/m3；cw計算得空氣流量Va=m（3.4）計算得6.634kg/s散熱器芯正面積F計算散熱器迎風(fēng)方向正面積如下式：F（3.5）式中：Va為循環(huán)冷卻空氣量，m3/s；va為散熱器迎面空氣流速，一般轎車取12m/散熱器芯體總散熱面積F散熱器散熱面積包括水管和散熱帶兩部分，是芯體與空氣接觸的總面積。其算式如下：F=（3.6）式中：β為散熱面積儲備系數(shù)，一般轎車取1.1；K為散熱器傳熱系數(shù)，是評價散熱性能的重要參數(shù)，與散熱器結(jié)構(gòu)、材料、流體流速等因素有關(guān)，通常管帶式散熱器可取K=93-125W/(m2·℃)，計算取K=108W/(m2·℃)；?tm平均溫差計算式如下：?（3.7）式中：?tmax—在進口與出口冷卻水和冷卻空氣的兩個溫度差中的大值；?t即：冷卻水進出口溫度分別為tw1=75℃、tw2=65℃、?tw=10℃，冷卻空氣進出口溫度分別為ta1=40℃、ta2=55℃、?t代入公式（3.7）計算得?t由于散熱過程包括兩種流體(空氣及冷卻水)互不混合的交叉流式換熱，故需修正系數(shù)對平均溫差進行修正，一般可取0.95-0.98[33]，則取φ=綜上，計算得F=53.14m2最終基礎(chǔ)參數(shù)如下表3.1所示：表STYLEREF1\s3.SEQ表\*ARABIC\s11電堆散熱器基礎(chǔ)參數(shù)項目公式或參數(shù)結(jié)果單位備注散熱量Q100100kW或kJ/s以50%效率計算冷卻水循環(huán)量VV0.00245m3?10℃冷卻水溫升γ978kg/m水的密度c4.187kJ/（kg·℃）水的比熱冷卻空氣量VaVa=6.031m3?15℃取經(jīng)驗值γ1.10kg/m空氣密度c1.005kJ/（kg·℃）空氣定壓比熱散熱器芯體正面積FrF0.503mv12m/s空氣流速，轎車取12散熱器散熱面積FF=53.14mβ1.1儲備系數(shù)K108W/m2取93-120?19.96℃冷卻水和冷卻空氣平均溫差t35℃冷卻水和冷卻空氣進口溫差（75-40）t10℃冷卻水和冷卻空氣出口溫差（65-55）φ0.96修正系數(shù)尺寸參數(shù)設(shè)計及校核完成基礎(chǔ)參數(shù)計算，接著進行散熱器尺寸設(shè)計。散熱帶和水管參數(shù)確定圖STYLEREF1\s3.4C型管帶芯子參數(shù)圖管帶式散熱器散熱芯尺寸主要由散熱帶和水管決定，其尺寸設(shè)計參考C型結(jié)構(gòu)如圖3.4圖STYLEREF1\s3.4C型管帶芯子參數(shù)圖圖STYLEREF1\s3圖STYLEREF1\s3.5散熱芯尺寸示意圖得到參數(shù)如下表：表STYLEREF1\s3.SEQ表\*ARABIC\s12水管、散熱帶參數(shù)表水管參數(shù)（mm）水管高度a水管寬度b水管中心距c水管邊距d水管排數(shù)水管行數(shù)2.514188nm散熱帶參數(shù)（mm）散熱帶高度Hf散熱帶片距f·p散熱帶波距B（2f·p）散熱帶厚度Y散熱帶行數(shù)1024（n-1）*18+2*8m+1散熱芯尺寸確定確定散熱芯尺寸即確定其高度H、寬度W、厚度Y(同散熱帶厚度)?？傻盟闶剑篐=a·m+WY=c（3.8）（3.9）（3.10）式中：a為水管高度，2.5mm；m為水管行數(shù)；Hf為散熱帶高度，10mm；m+1為散熱帶行數(shù)；x為任意整數(shù)；B為散熱帶波距，4mm；c為水管中心距，18mm；d為水管邊距，8mm。帶入數(shù)值得：

H=2.5m+10WY=考慮一般轎車前艙空間受限情況，擬定散熱器H*W尺寸不超過700*900；并且在允許的情況下盡量有大的散熱器芯體正面積，以達到更好的散熱性能。擬定尺寸H*W*Y為660*880*52（mm）。水管排數(shù)n=3；水管行數(shù)m=52；散熱帶行數(shù)m+1=53.校核散熱面積根據(jù)所得數(shù)據(jù)，計算散熱器芯體實際正面積Fr0（m2）和散熱器芯體散熱面積FFFF（3.11）（3.12）（3.13）F（3.14）式中：Fw為散熱水管（水側(cè)）散熱面積，m2；Fa為散熱帶（空氣側(cè)）散熱面積，m2；C為水管周長，C=π·a+2（b-a）計算并校核得：Fr0=可以看出實際散熱面積比理論值大，滿足要求。整合FCE散熱器參數(shù)如下表：表STYLEREF1\s3.SEQ表\*ARABIC\s13水管、散熱帶尺寸參數(shù)表水管參數(shù)（mm）水管高度a水管寬度b水管中心距c水管邊距d水管排數(shù)水管行數(shù)2.514188352散熱帶參數(shù)（mm）散熱帶高度Hf散熱帶片距f·p散熱帶波距B（2f·p）散熱帶厚度Y散熱帶行數(shù)10245253表STYLEREF1\s3.SEQ表\*ARABIC\s14散熱芯尺寸參數(shù)散熱芯參數(shù)（mm）散熱芯高度H散熱芯寬度W散熱帶厚度Y66088052一維仿真本文用GT-SUITE軟件中的GT-COOL系統(tǒng)完成一維仿真。GT-COOL模型庫中包含散熱系統(tǒng)所需模塊，如發(fā)動機、散熱器、水泵、水箱、風(fēng)扇、連接管路等[34]。組成系統(tǒng)時需對流體水和空氣進行定義，輸入初始狀態(tài)數(shù)據(jù)，并對建立的各個模塊進行賦值。在建模界面將各個模塊布置并連接，形成完整回路，模擬發(fā)動機工作狀態(tài)。本節(jié)將根據(jù)計算得到的基本散熱參數(shù)，匹配水泵、風(fēng)扇的流量、壓力等參數(shù)，完成散熱系統(tǒng)目標(biāo)。首先打開運行程序GT-ISE，點擊File/New，GTProjectMap(.gtm)，在對話框內(nèi)選擇打開CoolingSystemsandThermalManagemen，打開新的模塊，可見左側(cè)顯示一列GT-COOL圖STYLEREF1\s3圖STYLEREF1\s3.6模型庫建模步驟如下：熱源與水泵模塊燃料電池發(fā)動機建模不同于燃油機，簡化系統(tǒng)不考慮燃料電池堆內(nèi)部的傳熱，且熱量直接由冷卻液帶走，用熱源模塊建立電堆模型，輸入散熱負荷[35]。圖STYLEREF1\s3.8熱源與水泵模塊圖STYLEREF1\s3.7水泵參數(shù)設(shè)置考慮循環(huán)水阻力、壓降等因素，實際流量約為額定流量的1.2倍[13]，即2.39-2.86kg/s圖STYLEREF1\s3.8熱源與水泵模塊圖STYLEREF1\s3.7水泵參數(shù)設(shè)置散熱器與風(fēng)扇模塊散熱器模型由兩模塊“HxMaster”和“HxSlave”組成。前者是模擬散熱器水側(cè)熱量交換，后者是模擬空氣側(cè)熱量交換，分別設(shè)置散熱對象與參數(shù)[36]。如圖3.9將散熱器相關(guān)尺寸數(shù)據(jù)輸入。設(shè)置兩種流體相應(yīng)進口溫度參數(shù)分別為75℃（348K）以及40℃（313K）。圖STYLEREF1\s3.9散熱器參數(shù)設(shè)置圖STYLEREF1\s3.11膨脹水箱模塊圖STYLEREF1\s3.10散熱器及風(fēng)扇模塊考慮風(fēng)扇的容積效率，通常在0.7-0.9[13]，實際風(fēng)扇流量大于額定空氣流量，即7.37-9.47圖STYLEREF1\s3.9散熱器參數(shù)設(shè)置圖STYLEREF1\s3.11膨脹水箱模塊圖STYLEREF1\s3.10散熱器及風(fēng)扇模塊膨脹水箱模塊膨脹水箱與散熱器蓋相連，當(dāng)水溫升高時，壓力增大，部分冷卻液溢出到膨脹水箱，溫度降低時又可流回冷卻回路。模塊如圖3.11。整體模型將以上模塊連接，最終構(gòu)建整體回路如圖3.12,3.13所示：仿真結(jié)果設(shè)置模擬運行時間600s之后，得到結(jié)果如下：圖STYLEREF1\s3.12模型建立圖STYLEREF1\s3.13模型管路示意對于電堆，需滿足溫差控制在10°以內(nèi)，溫度結(jié)果如圖3.14，顯示電堆進出口溫度64.8-74.7℃，與計算結(jié)果基本相符，且符合溫差要求；圖3.15顯示此時換熱量100kW，且實際水管也有一定散熱，整體滿足散熱量設(shè)計需求。觀察散熱量與流量曲線如圖3.16，其中MasterFlow代表冷卻液流量，SlaveMassFlow代表風(fēng)扇流量，可見在系統(tǒng)運行時，實際風(fēng)扇與水泵流量與系統(tǒng)相調(diào)適，散熱量可達設(shè)計要求，與圖3圖STYLEREF1\s3.12模型建立圖STYLEREF1\s3.13模型管路示意圖STYLEREF1\s3.15圖STYLEREF1\s3.15熱量交換圖圖STYLEREF1\s3.14流體溫度分布圖圖STYLEREF1\s3.16散熱量與流量關(guān)系圖圖STYLEREF1\s3.16散熱量與流量關(guān)系圖設(shè)計基礎(chǔ)參數(shù)確定基礎(chǔ)參數(shù)如下表所示：表STYLEREF1\s3.SEQ表\*ARABIC\s15動力系統(tǒng)散熱器基礎(chǔ)參數(shù)表計算項目參數(shù)結(jié)果單位備注散熱量Q1414kW或kJ/s冷卻水循環(huán)量VV0.000228m3質(zhì)量流量0.223kg/s?15℃冷卻水溫升γ980kg/m水的密度（67℃時）c4.183kJ/（kg·℃）水的比熱冷卻空氣量VaVa=1.741m3質(zhì)量流量1.563kg/s?8℃取經(jīng)驗值γ1.114kg/m空氣比重（44℃時）c1.005kJ/（kg·℃）空氣定壓比熱散熱器芯體正面積FrF0.1503mv10.4m/s側(cè)置30°，進風(fēng)速度影響散熱器散熱面積FF=6.198mβ1.1儲備系數(shù)K118W/m2取93-125?21.486℃冷卻水和冷卻空氣平均溫差t35℃冷卻水和冷卻空氣進口溫差（75-40）t12℃冷卻水和冷卻空氣出口溫差（60-48）φ0.98修正系數(shù)尺寸參數(shù)設(shè)計及校核計算實際散熱面積并校核：FrF0結(jié)果如下表：表STYLEREF1\s3.SEQ表\*ARABIC\s16水管、散熱帶尺寸參數(shù)水管參數(shù)（mm）水管高度a水管寬度b水管中心距c水管邊距d水管排數(shù)水管行數(shù)2.514188148散熱帶參數(shù)（mm）散熱帶高度Hf散熱帶片距f·p散熱帶波距B（2f·p）散熱帶厚度Y散熱帶行數(shù)10241649表STYLEREF1\s3.SEQ表\*ARABIC\s17散熱芯尺寸參數(shù)散熱芯參數(shù)（mm）散熱芯高度H散熱芯寬度W散熱帶厚度Y61038016一維仿真圖STYLEREF1\s3.17散熱量與流量關(guān)系圖同樣建散熱系統(tǒng)模型，改變散熱量為14kW，調(diào)節(jié)風(fēng)扇、水泵流量，得到散熱量曲線如下圖3.17.可見在在實際水泵流量0.232-0.267kg/s及風(fēng)扇流量1.563-1.954kg/s下，散熱量達標(biāo)，即熱負荷得以散出，系統(tǒng)圖STYLEREF1\s3.17散熱量與流量關(guān)系圖冷凝器匹配設(shè)計已知冷凝器工況參數(shù)為：過冷度為5℃，冷凝溫度t=60℃，排氣溫度85℃，環(huán)境溫度40℃，迎風(fēng)風(fēng)速10m/s。參考文獻[29-30]計算步驟如下：流量參數(shù)確定根據(jù)工況參數(shù)查得R134a熱力性質(zhì)，按公式計算制冷劑質(zhì)量流量mR，計算空氣體積流量VmV（3.15）（3.16）式中：QL為冷凝負荷，9kW；hd--排氣比焓，456.5kJ/kg?ta為空氣進出口溫差，取經(jīng)驗值12℃；γa為空氣密度，按平均溫度46℃，461.107kg/m3；ca為空氣比熱容，1.005kJ/（算得：mR=0.0506kg/s尺寸參數(shù)確定結(jié)構(gòu)設(shè)計采用平行流式冷凝器，由集流管、多孔扁管和百葉窗翅片構(gòu)成，如圖3.17所示，通常結(jié)構(gòu)如下：圖STYLEREF1\s3.18冷凝器結(jié)構(gòu)示意圖多孔扁管共有四個內(nèi)孔，內(nèi)孔高2mm，外壁高3mm，寬度16mm；翅片高8.1mm，寬16mm，片距2.8mm；其上百葉窗高6.5mm，間距1.1mm。扁管分三個流程，數(shù)量依次為24，16，10，扁管數(shù)共圖STYLEREF1\s3.18冷凝器結(jié)構(gòu)示意圖可得下列參數(shù)：表STYLEREF1\s3.SEQ表\*ARABIC\s18冷凝器散熱面積參數(shù)參數(shù)每米扁管內(nèi)表面積（m2每米扁管外表面積（m2每米翅片表面積（m2每米總外表面積A（m2數(shù)值0.04280.0380.1850.223散熱面積根據(jù)公式計算所需散熱面積F：F=?（3.17）（3.18）式中:Q—冷凝器冷凝負荷，9kW；K—傳熱系數(shù)，與空氣、制冷劑側(cè)傳熱系數(shù)有關(guān)，取165W/m2·℃；?tm—對數(shù)平均溫差，℃；?ta2—空氣出口溫度，52℃；?ta1—計算得到?tm=13.1℃扁管尺寸故所需扁管長度L為：L=（3.19）式中：n為扁管排數(shù)，24+16+10，50；A為每米總外表面積，包括扁管與翅片面積，0.223m2算得：L=0.373m。故取冷凝器長度380mm。

三維模型建立散熱器及風(fēng)扇總成建立散熱器模型時也需考慮風(fēng)扇裝配，故通常一起建模。以電堆散熱器為例，用CATIA建立模型如下，動力系統(tǒng)散熱器結(jié)構(gòu)類似。散熱器總成散熱芯散熱器主片與護板、水管及散熱帶相連接，形成散熱器芯體。圖STYLEREF1\s4.2散熱帶及百葉窗示意圖圖STYLEREF1\s4.1散熱水管散熱水管共3排，單排水管長898mm，高2.5mm，寬14mm，共52行；散熱帶長880mm，寬52mm，高10mm，共53行，散熱帶其上開有百葉窗，角度一般為21-28圖STYLEREF1\s4.2散熱帶及百葉窗示意圖圖STYLEREF1\s4.1散熱水管主片，如圖4.3，與水管需要經(jīng)過釬焊，消除間隙，并使得水管和散熱帶穩(wěn)定成型[37]為保證水管插入平穩(wěn)，且與主片有足夠的接觸面積進行釬焊，水管孔上有突起結(jié)構(gòu)。此外，主片與護板以扣壓的方式進行裝配，如圖4.4。散熱器芯體與水室之間的裝配采用機械方式，也是利用主片對水室邊緣的壓扣。要求對水室的咬合深度在2.0-2.8mm之間[38]。若咬合度過大，容易產(chǎn)生裂紋等不良影響，若過低則不能很好地固定水室，故本結(jié)構(gòu)中取圖STYLEREF1\s4.3主片圖STYLEREF1\s4圖STYLEREF1\s4.3主片圖STYLEREF1\s4.4主片與護板配合在橫流式散熱器中，護板除了與主片配合，其上還有風(fēng)扇耳（與風(fēng)扇架相配合，用螺栓固定）以及安裝桿（與安裝膠墊與支架配合，固定在車體內(nèi)），如圖4.5。圖STYLEREF1\s4.5護板圖STYLEREF1\s4圖STYLEREF1\s4.5護板圖STYLEREF1\s4.6散熱芯左右水室圖STYLEREF1\s4.7左水室圖STYLEREF1\s4.8右水室左水室上部有進水口，下部有放水口，配合放水栓；右水室上部有散熱器蓋，其上出氣孔與膨脹水箱軟管相連，用于吸收冷卻液升溫膨脹部分。水室邊緣有平臺結(jié)構(gòu)，與主片咬合。水室的常見材料是尼龍圖STYLEREF1\s4.7左水室圖STYLEREF1\s4.8右水室?guī)эL(fēng)扇總成風(fēng)扇有吸風(fēng)式和吹風(fēng)式如圖4.9，即分別在散熱器迎風(fēng)后和迎風(fēng)前。因吸風(fēng)式通風(fēng)阻力小和車外噪音小[39]，采用吸風(fēng)式結(jié)構(gòu)。本結(jié)構(gòu)選用電動風(fēng)扇，可根據(jù)溫度和熱負荷的不同對轉(zhuǎn)速進行調(diào)節(jié)，更合理的利用能量[40]。風(fēng)扇總成由風(fēng)扇架、電動風(fēng)扇兩部分組成，螺釘連接。參考文獻[13,40]可用風(fēng)扇直徑D的計算公式：D=（4.1）式中：Fr——散熱器芯正面積，0.58mv——風(fēng)扇葉輪內(nèi)外半徑之比，通?？扇?.3~0.4，這里取0.30。圖STYLEREF1\s4.9吸風(fēng)式與吹風(fēng)式算得D=0.582mm，為保證風(fēng)量，風(fēng)扇面積盡可能大，取外徑D=600mm，內(nèi)徑d=210mm圖STYLEREF1\s4.9吸風(fēng)式與吹風(fēng)式圖STYLEREF1\s4.11散熱器帶風(fēng)扇總成圖STYLEREF1\s4.11散熱器帶風(fēng)扇總成圖STYLEREF1\s4.10風(fēng)扇總成冷凝器總成圖STYLEREF1\s4.14冷凝器帶風(fēng)扇總成圖STYLEREF1\s4.13冷凝器總成圖STYLEREF1\s圖STYLEREF1\s4.14冷凝器帶風(fēng)扇總成圖STYLEREF1\s4.13冷凝器總成圖STYLEREF1\s4.12多孔扁管散熱件總布置由于整車布置空間的限制，散熱件的布置十分緊湊，電堆散熱器散熱要求最高，且高度最大，布置在中間，動力系統(tǒng)散熱器與冷凝器分別側(cè)置如圖4.15，可根據(jù)車頭造型調(diào)節(jié)側(cè)置角度與高度。本設(shè)計中側(cè)置30°即與電堆平面夾角30°，最終布置長度約1780mm，最高約710mm，在正常轎車空間圖STYLEREF1\s4圖STYLEREF1\s4.15總布置圖

總結(jié)與展望本文對100kW燃料電池汽車熱管理進行研究，將整車熱管理分為燃料電池散熱、動力系統(tǒng)散熱、空調(diào)冷凝三個部分，分別確定散熱參數(shù)，并設(shè)計整車布置方案，采用電堆散熱器正置，動力系統(tǒng)散熱器、冷凝器分別側(cè)置的方式。選用管帶式散熱器和平行流式冷凝器，給出詳細的結(jié)構(gòu)尺寸匹配設(shè)計流程，并用GT-COOL對散熱系統(tǒng)進行一維仿真，結(jié)果滿足相應(yīng)設(shè)計要求，表明設(shè)計合理。最后對散熱器、冷凝器等主件三維建模，完成裝配與布置。當(dāng)然本次設(shè)計還有許多不足的地方，在將來的學(xué)習(xí)與工作中，通過應(yīng)用更加先進的技術(shù)與方法，深入分析散熱器參數(shù)，如材料、尺寸、角度等的選取對于散熱器換熱系數(shù)以及散熱性能的影響。也可以利用實驗條件，對散熱系統(tǒng)進行驗證，在整車布置方面多維分析，對布置方案優(yōu)化處理，更好的管理熱量，使得空間更加緊湊、合理。

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