摘要:本文研究以我國自主研發的某款燃料電池轎車為例,設計與優化了燃料電池轎車熱管理系統。提出了基于控制器局域網(CAN)的燃料電池主散熱風扇控制策略,并進行了熱管理系統的重新匹配與仿真驗證。結果表明該系統達到了燃料電池功率由48kW提升至55kW的要求。
我國燃料電池轎車的設計目前處于起步階段,在燃料電池動力系統(Fuel Cell Engine,FCE)熱管理方面尚無較強的理論研究基礎,數據積累較少。
傳統內燃機的散熱,15%是通過發動機機體散出,40%通過排氣管以尾氣形式排放,只有8%通過散熱器散出。而極限工況下燃料電池動力系統FCE僅有3%的熱量通過尾氣排放,其余62%的熱量需要通過散熱器散出,而燃料電池動力系統FCE本體一般是對外絕熱的。由此可見,FCE的散熱量要求遠大于內燃機,這對FCV整車的散熱系統設計提出了很大的挑戰。在傳統汽車的設計開發中,空調冷凝器和發動機散熱器沒有太大的散熱沖突,而FCV則需要解決空調冷凝器、FCE散熱器、電機及動力控制模塊(Power Control Unit,PCU)散熱器的散熱沖突問題,使之能夠協調工作。本研究針對我國國內某款自主品牌燃料電池汽車的熱管理系統進行設計與優化,力求滿足整車性能優化,即滿足燃料電池功率從48kW提升至55kW的需求。
根據需求,設計目標及工作內容為1)建立包含水冷管理系統在內的關鍵部件性能測試功能,同時具備動力系統聯合調試功能的綜合性能試驗臺;2)完成滿足整車運行工況的熱管理控制策略設計、優化、匹配和評價技術研究;3)完成燃料電池汽車用DC/DC、DC/AC逆變器和電機等部件的冷卻系統的設計研制;4)完成熱環境條件下熱管理系統在整車條件下的實驗及性能分析。
設計總體要求為1)系統散熱功率小于63kW;2)系統冷卻液工作壓力2bar;3)所有部件冷卻水入口與出口管徑均與給定的管接頭尺寸相同;4)被冷卻部件FCE入口溫度不超過55°C。FCE的55kW功率,大約62%通過散熱器,加上空調產生的熱量,整個散熱系統的散熱功率定為63kW。FCE冷卻系統采用主散熱器加輔助散熱器形式:主散熱器安裝于PCU散熱器之前,和PCU散熱器共用1組電子風扇;輔助散熱器安裝于左側,單獨使用1個電子風扇。散熱器參數如表1所示。最大工況下散熱器冷卻水入口溫度65°C,出口溫度不高于55°C。
FCE主散熱器、空調一級冷凝器以及PCU散熱器共用2個風扇,風扇至于散熱器之后,吸風軸流式;風扇功率為800×2W,安裝尺寸不大于730×480mm;FCE副散熱器獨立使用一個風扇,吸風軸流式,功率為300W。風扇安裝示意圖如圖1所示。
空調帶有2個冷凝器,稱為一級冷凝器和二級冷凝器。二級冷凝器散熱風扇控制方案是由空調控制器或整車控制器(VehicleManagementSystem,VMS)根據制冷劑壓力傳感器信號來控制二級冷凝器散熱風扇。風扇額定電壓為12V,額定功率為300W,最高轉速為3400r·min-1。兩擋轉速控制,控制信號為繼電器信號。
冷卻水泵在FCE額定功率下流量不小于120L·min-1,壓頭8bar。膨脹水箱的材料為316L不銹鋼,其容積為2.5L,與動力控制單元及電機冷卻系統冷卻水箱布置在一起(圖2)。上液面處于冷卻系統最高點,底液面與水泵的進口直接相通,膨脹水箱蓋采用承壓式壓力蓋。
水管的工作要求為1)所有管子材料選用三元乙丙橡膠EPDM;2)管子工作環境溫度為80°C;3)管內介質為去離子水,水溫為-20~130°C;4)工作時絕對壓力為3.5bar;5)管內表面不得有缺陷或表面粗糙。
整個軟管區段不允許存在氣泡和雜質,針織層不允許有缺陷,軟管不允許有缺陷點、光亮點、脫模劑、橡膠微粒、灰膜及晶體析出。具有完好的聯接,同時材料不允許發出刺激性氣體。
根據上述設計要求,結合原型車的尺寸要求和原有部件基礎,設計了初步選定散熱方案(圖3):PCU散熱器布置在原車燃料電池散熱器后部靠下位置,上部是一級冷凝器,帶有獨立風扇,FCE主、副散熱器和一級冷凝器安裝于車頭,FCE副散熱器自帶風扇,布置于車架縱梁右邊,二級冷凝器自帶風扇,布置于車架縱梁左邊。
FCE散熱器計算參數如表2所示。怠速工況下的理論散熱功率為14kW,車速60~75km·h-1工況下的理論散熱功率為20.3kW。
冷凝器風扇工作點如圖4所示。怠速工況下,冷凝器的流通風速為4.85m·s-1。設計環境溫度取為35°C。理論散熱能力為7.3kW。此時空調的制冷能力為4.9kW,是原車空調效果的85%。
PCU散熱器的計算參數如表3所示。各散熱器的散熱能力得到平衡,對原系統的改動也較小,基本可行。
燃料電池汽車的電器控制目前都采用控制器局域網(CAN)技術,其中熱管理控制策略是整車控制的重要部分。參與熱管理的控制器主要包括整車管理控制、FCE管理控制器、冷卻風扇控制器、空調壓縮機控制器、空調控制器、水冷系統控制器等。根據上述方案以及整車對熱管理系統的要求,由FCE控制器根據燃料電池冷卻水出口處的溫度和空調開啟信號來同時控制2個FCE主散熱風扇,最高轉速為4000r·min-1。控制框圖如圖5所示。
目前設計階段,采用CFD手段對發動機艙進行散熱性能的分析計算,主要包括2個方面:1)通過對發動機艙各發熱部件及散熱部件的散熱量計算(主要是對流和輻射),考察在已知燃料電池、PCU和驅動電機發熱量的條件下,在環境溫度40°C時,FCE散熱器、PCU散熱器和空調冷凝器的熱量能否得到有效的散失。2)根據計算得到的風場速度矢量圖和溫度分布圖,對發動機艙內各部件的布置情況給出適當的建議。
采用軟件Catia V5R18和Hypermesh7.0,利用IBM6221工作站(3.5GB RAM)建立模型。
建模除考慮了FCE散熱器、PCU散熱器和空調冷凝器等主要部件外,還包含了發動機艙內的絕大多數部件,僅簡化了一小部分的連接件,另外前進風隔柵均采用實體建模,故模型規模較大,其中單元數達到2452932,節點數達到518113,面網格最小尺寸為2mm,面網格最大尺寸為15mm,風流場數值模擬尺寸為6m×3.5m×2m。
發動機艙整體CFD模型圖如圖6所示。邊界條件即進流條件:以車速70km·h-1(19.444m·s-1)為入口風速;出口條件:出口處表壓力(Gauge Presssure)為0Pa。
發動機艙內由散熱器、冷凝器、PCU和電機表面產生的熱量值如表4所示。對發動機艙散失的熱量與產生的熱量進行統計,具體如表5所示。
上述統計得出有746.13W的熱量無法得到有效的散失,但所占比例很小,發動機艙產生的熱量基本可以散出。各部件表面最高溫度如表6所示。
通過理論散熱值計算對比,采用主從2個冷凝器、2個FCE散熱器和1個PCU散熱器,并在主冷凝器和散熱器后放置2個風扇的方案,可以滿足整車動力系統功率提升后的散熱需求。
仿真結果和證明了方案的可行性,燃料電池熱系統全負荷時總的發熱功率為55909W,總的散熱功率為55162W,基本達到熱平衡。說明燃料電池、PCU和驅動電機的發熱量基本上可以有效的散出,主要部件表面溫度均低于設計溫度,但前縱梁最高溫度較高,有后續改進空間。
在當前燃料電池汽車的研發條件下,先設計出動力系統構型并達到性能要求,然后采用理論設計計算與實驗測試驗證相結合的技術路線對動力系統熱平衡進行優化是可行的,但未來的方向是采取正向開發,由于燃料電池發動機散熱系統的特殊性,需要直接從需求入手進行動力系統總體設計,在系統設計時直接進行熱管理系統設計,這樣能更科學有效地進行熱管理。
免責說明 | 我們對文中所述觀點保持中立,僅供參考交流學習,如涉及版權等問題,請聯系刪除,謝謝!
原文始發于微信公眾號(燃料電池小課堂):燃料電池轎車動力系統熱管理設計與仿真驗證