燃料电池汽车热环境中换热部件及热管理系统性能研究

【摘要】：燃料电池汽车(Fuel cell vehicle,FCV)的发热规律与其它动力源汽车的差异较大,这给热管理系统带来了诸多挑战和难题。首先,燃料电池工作温度较低,所有废热(总能量的41%-62%)都由热管理系统排出。其热管理系统的可利用换热温差小,而热负荷是内燃机冷却系统热负荷的2.5-3倍。其次,燃料电池汽车中电气部件多且温控要求高。热管理系统需对多部件进行精确的冷却控温。此外,为节省前舱空间,多个换热器在气流方向上串并联成模块。由于换热器空气侧的热耦合关系,各换热器所在的热管理子系统的运行性能可能恶化。因此,有必要基于燃料电池汽车的热环境,全面深入研究相关部件、模块及系统中的多种介质(空气、冷却液、制冷剂)的传热流动规律,为热管理系统的匹配设计和性能优化提供依据,使其能满足FCV严苛的散热及温控要求。本文通过建模仿真结合实验方法,进行换热部件、散热模块及热管理系统的性能研究。主要内容及成果如下:一、关键换热部件的传热流动性能研究。首先,针对动力控制单元冷板,利用三维仿真方法,研究了不同形状、直径、高度、间距的肋柱阵列对其流动传热性能的影响,获得了兼顾传热、流动及壁温的冷板结构,使其能以较小功耗,对动力控制单元进行冷却控温。其次,针对单元平行流换热器,通过实验发现:在液侧雷诺数[700,4000]内,冷却液在管内小通道(1mmD3mm)内流态转变的临界雷诺数Rec=1800。据此,提出关联式准确描述小通道内传热流动规律,实现了FCV工况范围内的散热器高精度性能计算。然后,针对多元平行流冷凝器,建立制冷剂侧不均匀流模型。经实验验证,不均匀流模型的计算精度远高于均匀流模型。应用该模型,分析了冷凝器宽高比、流程安排以及制冷剂质量流量对性能的影响。这为FCV空调冷凝器的结构优化和性能预测提供理论指导。最后,建立了板翅式液-空中冷器模型,可准确预测FCV中的小流量中冷器传热流动性能。这些部件研究是后续散热模块及热管理系统研究的重要基础。二、散热模块在FCV前舱的流动传热性能研究。首先,建立了散热模块性能分析的分布参数模型。模型计算值与风洞实验值吻合良好。其次,应用三维仿真方法,模拟不同模块在前舱的气流分布,详细探讨了车速、风机转速和模块结构对模块进风量和进风品质(逆流比,风速不均匀度)的影响。然后,结合前舱三维模型和模块分布参数模型,建立模块的多维模型。该模型由模块在前舱的性能实验验证。分析了前舱不均匀气流对模块换热性能的影响,总结了若干散热模块结构设计的规则。应用场协同理论,基于既定模块结构和前舱流场,找到了模块性能的优化方向。研究发现:中低车速时(≤60km/h),各模块的风速不均匀度都随风机转速先减后增;高车速时,随着风机转速增大,风速不均匀度持续下降。此外,随着风速不均匀度减小,前舱非均匀气流引起的换热量下降幅度也减小。高车速且风机不开时,风速分布极为不均匀,对应的模块总换热量的下降幅度达7%-9%。三、热管理系统整车集成性能分析与评估。首先建立了车辆功耗模型,以及热源(燃料电池堆、空压机系统、电机系统等)模型,统筹了各热源的发热规律。然后,基于冷却系统模型和空调系统模型,组建了整车热管路系统模型。该模型可根据环境温度、车况,模拟FCV的发热规律,并基于热平衡原理,考虑子系统间的热耦合,计算出各冷却子系统和空调子系统中冷热介质的传热流动状态。最后,应用该模型,以“热平衡车速”VHB为指标,评估了两个热管理系统在同款FCV中的性能,模型结果与FCV热管理系统整车性能实验数据吻合良好。研究发现:分析FCV的发热量和冷却系统换热能力随车速的变化规律可知,FCV的最高车速需从热平衡角度定义,即“热平衡车速”。热管理系统的VHB能直观有效的反映热管理系统与FCV的匹配度。各冷却子系统的VHB为系统间的匹配提供优化方向。