毕业设计（论文）-全功率燃料电池汽车整车热管理系统设计与分析

绪论研究背景及意义图STYLEREF1\s1.SEQ图\*ARABIC\s11燃料电池原理随着环境污染的不断加剧，绿色出行和环境友好型车辆受到人们越来越多的关注。燃料电池汽车是一种使用新型能源汽车，其原理是通过燃料电池中电化学反应，将产生的化学能转化成电能，如REF_Ref9862002\h图1.1。同电池电动汽车相比，燃料电池在质量、体积、加油时间、减排等方面都表现的更加优秀[1]。同传统汽车内燃机相比，燃料电池的反应进程不需要燃烧和热机做功，因而不考虑卡诺循环，其能量转换率可高达60%，效率比传统内燃机高出近一倍。其中质子交换膜燃料电池(PEMFC)的燃料是氢气和氧化物，具有效率高、结构紧凑、比功率大、冷启动时间短、燃料来源广泛、零污染（反应产物是水）等特点，并且反应温度低，适合于交通用具。这些优点使得PEMFC成为最有望代替内燃机的动力源，也是研究的热点[2-3]，也是本文研究的对象。随着燃料电池的反应，也将有大量的热量产生，若不能得到良好散热，将导致电堆升温、质子交换膜失水、工作性能下降等一系列问题[4]图STYLEREF1\s1.SEQ图\*ARABIC\s11燃料电池原理热管理内容概述燃料电池汽车热管理即对整车的换热量进行控制，使相应管理对象在合理的温度范围工作，整车得以正常运作。对于全功率燃料电池汽车，其燃料电池堆在将化学能转化为电能时将产生大量的热量。此外发动机内还有一些高功率消耗元件如驱动电机、DC/DC转换器、空压机[4]，在这些部件工作时所产生的热量都需要散出。驱动电机的作用是使电能转变为机械能，并通过传动系统传递到车轮驱动车辆。DC/DC变换器能够对燃料电池的输出电压进行升压以及稳压，使其输出电压与其他电子元件工作电压相匹配[2]。为提高工作效率，需要空压机对空气进行压缩再进入电堆。对于发动机主要散热元件，设计合适的热管理系统散出相应热负荷，确保温度控制在允许范围内，使其处在良好的工作状态，发动机运作良好。此外，车厢内部空间的各种热量也要在必要时及时散出，且空调冷凝器常常与发动机散热系统在空间布置上相互影响，故也需管理空调制冷负荷，设计冷凝器散热以维持适宜的车内环境温度。研究现状概述热管理难点与传动内燃机相比，散热负荷更大传统发动机工作时，除却热效率的剩余需散发热量中，大部分通过尾气排放和发动机机体散出,只有少量热量靠散热器发散；但对于燃料电池汽车，极端工况下电池发动机本体几乎绝热，少量热量通过尾气排放,其余热量则通过散热器散出[5]。研究表明，燃料电池汽车总散热量的95%以上靠散热器冷却水带出[6-7]，散热负荷的增加使得整车散热更加困难。 空间受限，子系统相互影响，整体布置困难燃料电池整车需要散热的部件主要包括电堆、变换器DC/DC、电机、空压机等。散热件除了相应散热器，还有冷凝器。由于散热负荷的增大，散热器所需的散热面积和体积也需增加；另外，换热器数量增加，但发动机舱空间有限，这就要求系统设计更加紧凑[8]。由于空间的限制，各散热件必将存在位置、散热冲突，需协调设计[5]。若冷凝器放置在散热器前,将提高进风温度,从而影响电堆的散热效果。若优先考虑电堆，将冷凝器布置于电堆散热器进风之后，或者设计带独立风扇的侧置冷凝器甚至设计二级冷凝[7]。如何在有限空间内合理布置整个系统需仔细考虑。电堆散热需要满足要求高a) 控制温度范围，工作温度在65-80℃之间，使电堆能够高效稳定运行。b) 控制温度均匀水平，电堆进出口冷却液温差小于10℃，最好小于5℃[9]。现在大部分燃料电池都以Nafion系列膜作电解质，为保持良好热稳定性和传导性，需保证电解质温度不大于80℃[10]。为达到质子交换膜良好的传导性，也应当维持适当的湿润条件，受此限制电堆工作温度不适宜超过80℃[2]，而散热器的冷却剂入口温度也需保持在极限温度80℃以下[11]。可见需控制温度在65-80℃以内，与环境温度相差不大，为散热带来更大难题。国内外现状夏明智等[7]人提出增加散热的三种方案：增大风扇的功率、增大散热器的散热面积以及调整散热器的布置方式（采用侧置冷凝器或双级冷凝器散热的方式）。侯献军[10]针对燃料电池堆热管理系统，通过节温器分为大小循环，建立温度模糊控制系统。王路飞[12]采用平行流换热器，将热管理系统分为FCE、PCU、冷凝器三个散热回路，并通过仿真优化布置方案。张敏[13]等人设计电堆与DC/DC串联的散热系统，并进行热量分析和散热器、风扇等主要部件设计计算。常国峰等[14]将燃料电池热管理系统分为燃料电池和动力系统平台热管理，并提出可通过提高燃料电池的额定温度、增大空气流量等方法来提高整车的散热量。樊春艳等[15]整车布置多个冷凝器、散热器，主冷凝器和散热器共用风扇，实现燃料电池汽车的功率优化。陈潇等[16]组建热管理系统，包括燃料电池、散热器、膨胀水箱、水泵、风扇等，结果说明电池运行温度可主要通过风扇转速调节；电堆进出口冷却水温差可通过冷却水泵流量调节；散热器并联散热效果更优。XingqiangZhao等人[17]建立由电堆、散热器、水箱、水泵组成的热管理系统，通过实验改变冷却液温差、降低冷却剂入口温度等条件，证明实验与模型良好匹配。QinguoZhang等[18]模拟了质子交换膜燃料电池（PEMFC）发动机的冷却系统一维和三维（散热片采用多孔介质）协同仿真方法，系统将电堆与DC/DC并联再连接散热器，中冷和冷凝器单独形成循环系统。SiliangCheng等[19]建立冷却系统的模型（电堆、水箱、水泵、散热器），在Simulink平台上构建了一个耦合到风扇的散热器，仿真结果与实际相差0.5摄氏度左右，令人满意。JaeyoungHan等[20]为评估燃料电池冷却系统性能，采用由散热器、储液器、水泵、旁通阀和散热器组成的冷却系统，整合了动态车辆模型与燃料电池系统模型，并考虑冲压空气补偿。论文主要工作本文对全功率燃料电池汽车整车（针对功率100kW）进行热管理，主要内容如下：确定全功率燃料电池汽车整车散热系统方案：对于整车的散热负荷（包括燃料电池电堆、DC/DC、电机、空压机等元件散热量以及空调散热负荷），确定散热量并设计相应散热件包括散热器以及冷凝器。设计散热系统，包括确定各个散热件以及相应散热回路的构成，并综合考虑在有限空间合理布置散热件。设计散热件并完成一维仿真：确定基于散热量的基础参数，进行散热件选型以及结构尺寸设计，并校核散热量达标。根据相关参数用GT-suite软件COOL部分完成散热一维仿真，最后编写计算说明书。完成散热主件的三维数模构建及相应工程图纸绘制：用CATIA对散热主件如散热器、冷凝器进行三维建模与装配，体现设计方案以及相关尺寸参数，完成要求二维图纸量。热管理系统设计方案系统设计理论基础散热方式选择发动机散热燃料电池是发动机内最重要的部件，通常有水冷和风冷两种冷却方式，其中风冷式又分为自然冷却和强制冷却。水冷方式具有散热均匀，冷却性能高的特点。随着燃料电池功率的增加，通常大于5kW的电堆系统必须采用水冷[4]，即冷却液循环流过电堆，通过散热器散出热量。故本文研究对象100kW燃料电池系统显然需采用水冷方式，冷却液为去离子水。对于其他高功率消耗元件，通常与燃料电池冷却方式相同。车厢散热对于车厢内热量，其散热是通过冷凝器中气态制冷剂转变为液态的相变过程，放出蒸发器吸收的车厢热量和压缩机做工所转化的热量。在汽车空调系统中，冷凝器采用风冷方式，即空气冷却[21]，冷凝管中流通制冷剂，通常用R134a。散热回路基本组件发动机散热发动机散热回路通常包括散热器、散热风扇、水泵、膨胀水箱[22]。散热器：发动机利用散热器散热，其原理是两种流体通过热交换散出系统热量，一种是空气，一种是冷却液。冷却液带来散热元件的热量，其散热途径为：冷却液热量经由散热器金属壁（包括水管壁和散热片或散热带），传递到冷却空气中去[23]。即冷却液向空气散热降温，冷却空气吸收冷却液散发的热量而升温。从而使得冷却液温度降低，流出散热器进入下一个工作循环。散热风扇：为散热件提供冷却风量，通常采用轴流式，电动控制。水泵：使冷却液能够形成循环，通常使用离心式。膨胀水箱：为吸收温度升高后体积膨胀的冷却液而设置，结构如REF_Ref9864534\h图2.1。图STYLEREF1\s2.SEQ图\*ARABIC\s1图STYLEREF1\s2.SEQ图\*ARABIC\s11膨胀水箱车厢散热空调散热回路主件包括冷凝器、膨胀阀、蒸发器、压缩机四个部分[21]。冷凝器：通过冷凝放出热量。冷凝器中热交换的两种介质是空气和制冷剂，制冷剂通过管壁和翅片将热量传递给空气，使得高温气态制冷剂冷凝为高温液态。膨胀阀：将冷凝器传来的高温液态制冷剂降温降压。蒸发器：将膨胀阀而来的低温液态制冷剂蒸发为低温气态，并吸收车厢内热量。压缩机：将蒸发器传来的低温气态制冷剂压缩成高温气态，入冷凝器进行下一个循环。系统参数确定子系统划分由于整车热量来源多，将整车散热量分散到各个子系统，分块化处理，更有利于合理利用空间及分析处理。在燃料电池发动机系统中，燃料电池电堆散热量最大，且电堆温度对整车性能影响最大，是热管理的重点。故整车热管理系统可分为燃料电池子系统、动力控制子系统以及空调制冷子系统，其对应热负荷分别是电池电堆、除电堆外其他元件（驱动电机、DC/DC、空压机）、空调冷凝负荷。其中燃料电池、动力控制子系统又同属于发动机系统，均采用水冷，冷却介质是去离子水，分别通过各自散热器（命名为电堆散热器与动力系统散热器）散出热量；空调制冷系统采用风冷，冷却介质是制冷剂，通过冷凝器散热。列表如下：表STYLEREF1\s2.SEQ表\*ARABIC\s11子系统信息子系统名称热负荷（来源）冷却方式换热器燃料电池子系统电堆水冷电堆散热器动力控制子系统驱动电机、DC/DC、空压机水冷动力系统散热器空调制冷子系统冷凝负荷风冷冷凝器散热负荷及工况参数确定燃料电池子系统燃料电池能量效率一般在40%-60%，常选取热效率为50%进行计算[2-16]。计算时忽略其他散热方式，简化热量全部由冷却水散出，也可保证散热量达标。本文针对100kW燃料电池，即散热量为：Q（2.1）式中：P—功率，100kW；n—能量效率，50%。由公式2.1得，散热量QE由上文知，一般PEM燃料电池工作温度为65-80℃，而80℃为极限温度，并结合相关参考文献，设置电堆工作温度参数为65-75℃，冷却水温差10℃。动力控制子系统本系统高功率消耗元件有DC/DC、驱动电机、空压机，由于课题并未给出功率，故首先收集相关工作参数信息。驱动电机：参考丰田Mirai车型，其电池功率114kW，驱动电机峰值功率113kW。通常电机额定功率取峰值功率的一半[24-25]，故本文以P=56kW为额定功率计算。而驱动电机的效率通常在90%之上，故取值为n=0.9。将P和n带入公式（2.1），可得散热量Q1DC/DC：参考文献[26]设计得DC/DC，额定功率为90kW，其效率在96%以上。一般DC/DC效率以0.95[25]记，故本文P=90kW，n=0.95带入式（2.1），计算得Q2空压机：参考文献[27]以及赛特勒斯轴承科技（北京）有限公司离心式空压机，额定功率10kW，效率不小于80%。，以P=10kW，n=0.8记，带入式（2.1）计算得Q3由上述信息，可得总散热负荷：Q（2.2）由公式（2.2）算得Q=12.47由文献[5,12-15]，其动力控制系统设计热负荷为11-13.1kW，可见参考取值合理。考虑系统还存在部分低功耗部件，故设计本系统热负荷为14kW。参考荣威E50设计PEB（电力电子箱）/驱动电机冷却回路，65℃为适宜温度，通常工作温度需低于75℃；文献[14]设置动力系统散热冷却水温不大于75℃；文献[5]设置相应冷却水温度为70-81℃。故本文设置冷却水温度60-75℃。空调制冷子系统一般轿车冷凝器制冷负荷可取经验值3-9.3kW[28]。文献[5,12-15]中冷凝负荷取6-9kW，故本文以9kW为设计负荷。参考文献[29-30]，设置过冷度为5℃，冷凝温度为60℃，排气温度为85℃。考虑夏天炎热环境，环境温度设置为40℃。整理散热参数，列表如下:表STYLEREF1\s2.SEQ表\*ARABIC\s12子系统散热负荷及工况参数系统名称燃料电池子系统动力控制子系统空调制冷子系统散热负荷（kW）100149工况参数（℃）冷却液65-75冷却液60-75冷凝温度60，排气温度85，环境温度40总体布置方案散热回路由于燃料电池子系统与动力控制子系统工况参数不同，虽然散热组件相似但不可共用；本文主要考虑冷凝器散热功能，故对空调制冷子系统作简化处理。设计散热回路如下图2.2所示：空间布置整车热管理系统由三个散热回路组成，包含两个散热器，一个冷凝器。可以预见电堆散热器必然体积最大，也为保证迎风面积，通常将电堆散热器正置在车头。对于动力系统散热器以及冷凝器，若同样正置，与电堆散热器共用风扇，那么空气在经过电堆散热器之后，必然会产生一定温升，对下一个散热件散热性能产生影响[7]。若能避免两散热件间的热过度，也能降低气侧压降，提升散热性能[8]。故选择将动力系统散热器和冷凝器分别侧置，各自带风扇。考虑空间位置和车头弧度，侧置时与电堆平面一定夹角（30°）摆放。图STYLEREF1\s2.3整车空间布置图图STYLEREF1\s2图STYLEREF1\s2.3整车空间布置图图STYLEREF1\s2.2系统散热回路

换热器匹配设计及一维仿真换热器选型散热器选型图STYLEREF1\s3.SEQ图\*ARABIC\s11管片、管带式散热芯结构散热器根据冷却水室上下布置或左右布置分为直流式和横流式。由于横流式散热器可以降低高度尺寸，运用在轿车上更为适合，且能够有效增加散热器正面积（约10%），从而应用更大尺寸的风扇，增大气流量，提高散热能力[8]，因此本设计采用横流式左右水室的设计。散热器由水室和散热芯构成。其中散热芯在汽车上主要有管片式、管带式两种，如图3.1。本设计采用管带式，芯子由散热带和水管组成，且散热带上开有百叶窗，与管带式相比散热能力更高，制造更简单，利于轻量化，成本更低，且能减少芯子厚度；水管采用扁管，其与圆管相比在相同流量下有更大的散热面积[31]图STYLEREF1\s3.SEQ图\*ARABIC\s11管片、管带式散热芯结构冷凝器选型图STYLEREF1\s3.SEQ图\*ARABIC\s12平行流式冷凝器冷凝器一般有管带式、管片式、平行流式，其中平行流式散热器，如图3.2，可以使图STYLEREF1\s3.SEQ图\*ARABIC\s12平行流式冷凝器电堆散热器匹配设计完成散热器选型，图STYLEREF1\s3.SEQ图\*ARABIC\s13图STYLEREF1\s3.SEQ图\*ARABIC\s13散热器设计流程图设计基础参数确定已知FCE散热器对应散热元件为电堆，散热量100kW。参考文献[13,31]设计计算流程如下：冷却水循环量Vw冷却水循环所需量VwV（3.1）式中：QE为电堆散热量，100kW；∆tw为冷去水循环温升，取10℃；γw为水的密度，取平均水温70℃，近似取978kg/m3；cw计算得冷却水循环流量Vw=0.00245mm（3.2）计算得2.389kg/s。冷却空气量Va循环所需冷却空气量VaV（3.3）式中：QE为电堆散热量，100kW；∆ta为空气温升，取经验值15℃；γa为空气的密度，取平均温度47.5℃，近似取1.10kg/m3；cw计算得空气流量Va=m（3.4）计算得6.634kg/s散热器芯正面积F计算散热器迎风方向正面积如下式：F（3.5）式中：Va为循环冷却空气量，m3/s；va为散热器迎面空气流速，一般轿车取12m/散热器芯体总散热面积F散热器散热面积包括水管和散热带两部分，是芯体与空气接触的总面积。其算式如下：F=（3.6）式中：β为散热面积储备系数，一般轿车取1.1；K为散热器传热系数，是评价散热性能的重要参数，与散热器结构、材料、流体流速等因素有关，通常管带式散热器可取K=93-125W/(m2·℃)，计算取K=108W/(m2·℃)；∆tm平均温差计算式如下：∆（3.7）式中：∆tmax—在进口与出口冷却水和冷却空气的两个温度差中的大值；∆t即：冷却水进出口温度分别为tw1=75℃、tw2=65℃、∆tw=10℃，冷却空气进出口温度分别为ta1=40℃、ta2=55℃、∆t代入公式（3.7）计算得∆t由于散热过程包括两种流体(空气及冷却水)互不混合的交叉流式换热，故需修正系数对平均温差进行修正，一般可取0.95-0.98[33]，则取φ=综上，计算得F=53.14m2最终基础参数如下表3.1所示：表STYLEREF1\s3.SEQ表\*ARABIC\s11电堆散热器基础参数项目公式或参数结果单位备注散热量Q100100kW或kJ/s以50%效率计算冷却水循环量VV0.00245m3∆10℃冷却水温升γ978kg/m水的密度c4.187kJ/（kg·℃）水的比热冷却空气量VaVa=6.031m3∆15℃取经验值γ1.10kg/m空气密度c1.005kJ/（kg·℃）空气定压比热散热器芯体正面积FrF0.503mv12m/s空气流速，轿车取12散热器散热面积FF=53.14mβ1.1储备系数K108W/m2取93-120∆19.96℃冷却水和冷却空气平均温差t35℃冷却水和冷却空气进口温差（75-40）t10℃冷却水和冷却空气出口温差（65-55）φ0.96修正系数尺寸参数设计及校核完成基础参数计算，接着进行散热器尺寸设计。散热带和水管参数确定图STYLEREF1\s3.4C型管带芯子参数图管带式散热器散热芯尺寸主要由散热带和水管决定，其尺寸设计参考C型结构如图3.4图STYLEREF1\s3.4C型管带芯子参数图图STYLEREF1\s3图STYLEREF1\s3.5散热芯尺寸示意图得到参数如下表：表STYLEREF1\s3.SEQ表\*ARABIC\s12水管、散热带参数表水管参数（mm）水管高度a水管宽度b水管中心距c水管边距d水管排数水管行数2.514188nm散热带参数（mm）散热带高度Hf散热带片距f·p散热带波距B（2f·p）散热带厚度Y散热带行数1024（n-1）*18+2*8m+1散热芯尺寸确定确定散热芯尺寸即确定其高度H、宽度W、厚度Y(同散热带厚度)。可得算式：H=a·m+WY=c（3.8）（3.9）（3.10）式中：a为水管高度，2.5mm；m为水管行数；Hf为散热带高度，10mm；m+1为散热带行数；x为任意整数；B为散热带波距，4mm；c为水管中心距，18mm；d为水管边距，8mm。带入数值得：

H=2.5m+10WY=考虑一般轿车前舱空间受限情况，拟定散热器H*W尺寸不超过700*900；并且在允许的情况下尽量有大的散热器芯体正面积，以达到更好的散热性能。拟定尺寸H*W*Y为660*880*52（mm）。水管排数n=3；水管行数m=52；散热带行数m+1=53.校核散热面积根据所得数据，计算散热器芯体实际正面积Fr0（m2）和散热器芯体散热面积FFFF（3.11）（3.12）（3.13）F（3.14）式中：Fw为散热水管（水侧）散热面积，m2；Fa为散热带（空气侧）散热面积，m2；C为水管周长，C=π·a+2（b-a）计算并校核得：Fr0=可以看出实际散热面积比理论值大，满足要求。整合FCE散热器参数如下表：表STYLEREF1\s3.SEQ表\*ARABIC\s13水管、散热带尺寸参数表水管参数（mm）水管高度a水管宽度b水管中心距c水管边距d水管排数水管行数2.514188352散热带参数（mm）散热带高度Hf散热带片距f·p散热带波距B（2f·p）散热带厚度Y散热带行数10245253表STYLEREF1\s3.SEQ表\*ARABIC\s14散热芯尺寸参数散热芯参数（mm）散热芯高度H散热芯宽度W散热带厚度Y66088052一维仿真本文用GT-SUITE软件中的GT-COOL系统完成一维仿真。GT-COOL模型库中包含散热系统所需模块，如发动机、散热器、水泵、水箱、风扇、连接管路等[34]。组成系统时需对流体水和空气进行定义，输入初始状态数据，并对建立的各个模块进行赋值。在建模界面将各个模块布置并连接，形成完整回路，模拟发动机工作状态。本节将根据计算得到的基本散热参数，匹配水泵、风扇的流量、压力等参数，完成散热系统目标。首先打开运行程序GT-ISE，点击File/New，GTProjectMap(.gtm)，在对话框内选择打开CoolingSystemsandThermalManagemen，打开新的模块，可见左侧显示一列GT-COOL图STYLEREF1\s3图STYLEREF1\s3.6模型库建模步骤如下：热源与水泵模块燃料电池发动机建模不同于燃油机，简化系统不考虑燃料电池堆内部的传热，且热量直接由冷却液带走，用热源模块建立电堆模型，输入散热负荷[35]。图STYLEREF1\s3.8热源与水泵模块图STYLEREF1\s3.7水泵参数设置考虑循环水阻力、压降等因素，实际流量约为额定流量的1.2倍[13]，即2.39-2.86kg/s图STYLEREF1\s3.8热源与水泵模块图STYLEREF1\s3.7水泵参数设置散热器与风扇模块散热器模型由两模块“HxMaster”和“HxSlave”组成。前者是模拟散热器水侧热量交换，后者是模拟空气侧热量交换，分别设置散热对象与参数[36]。如图3.9将散热器相关尺寸数据输入。设置两种流体相应进口温度参数分别为75℃（348K）以及40℃（313K）。图STYLEREF1\s3.9散热器参数设置图STYLEREF1\s3.11膨胀水箱模块图STYLEREF1\s3.10散热器及风扇模块考虑风扇的容积效率，通常在0.7-0.9[13]，实际风扇流量大于额定空气流量，即7.37-9.47图STYLEREF1\s3.9散热器参数设置图STYLEREF1\s3.11膨胀水箱模块图STYLEREF1\s3.10散热器及风扇模块膨胀水箱模块膨胀水箱与散热器盖相连，当水温升高时，压力增大，部分冷却液溢出到膨胀水箱，温度降低时又可流回冷却回路。模块如图3.11。整体模型将以上模块连接，最终构建整体回路如图3.12,3.13所示：仿真结果设置模拟运行时间600s之后，得到结果如下：图STYLEREF1\s3.12模型建立图STYLEREF1\s3.13模型管路示意对于电堆，需满足温差控制在10°以内，温度结果如图3.14，显示电堆进出口温度64.8-74.7℃，与计算结果基本相符，且符合温差要求；图3.15显示此时换热量100kW，且实际水管也有一定散热，整体满足散热量设计需求。观察散热量与流量曲线如图3.16，其中MasterFlow代表冷却液流量，SlaveMassFlow代表风扇流量，可见在系统运行时，实际风扇与水泵流量与系统相调适，散热量可达设计要求，与图3图STYLEREF1\s3.12模型建立图STYLEREF1\s3.13模型管路示意图STYLEREF1\s3.15图STYLEREF1\s3.15热量交换图图STYLEREF1\s3.14流体温度分布图图STYLEREF1\s3.16散热量与流量关系图图STYLEREF1\s3.16散热量与流量关系图设计基础参数确定基础参数如下表所示：表STYLEREF1\s3.SEQ表\*ARABIC\s15动力系统散热器基础参数表计算项目参数结果单位备注散热量Q1414kW或kJ/s冷却水循环量VV0.000228m3质量流量0.223kg/s∆15℃冷却水温升γ980kg/m水的密度（67℃时）c4.183kJ/（kg·℃）水的比热冷却空气量VaVa=1.741m3质量流量1.563kg/s∆8℃取经验值γ1.114kg/m空气比重（44℃时）c1.005kJ/（kg·℃）空气定压比热散热器芯体正面积FrF0.1503mv10.4m/s侧置30°，进风速度影响散热器散热面积FF=6.198mβ1.1储备系数K118W/m2取93-125∆21.486℃冷却水和冷却空气平均温差t35℃冷却水和冷却空气进口温差（75-40）t12℃冷却水和冷却空气出口温差（60-48）φ0.98修正系数尺寸参数设计及校核计算实际散热面积并校核：FrF0结果如下表：表STYLEREF1\s3.SEQ表\*ARABIC\s16水管、散热带尺寸参数水管参数（mm）水管高度a水管宽度b水管中心距c水管边距d水管排数水管行数2.514188148散热带参数（mm）散热带高度Hf散热带片距f·p散热带波距B（2f·p）散热带厚度Y散热带行数10241649表STYLEREF1\s3.SEQ表\*ARABIC\s17散热芯尺寸参数散热芯参数（mm）散热芯高度H散热芯宽度W散热带厚度Y61038016一维仿真图STYLEREF1\s3.17散热量与流量关系图同样建散热系统模型，改变散热量为14kW，调节风扇、水泵流量，得到散热量曲线如下图3.17.可见在在实际水泵流量0.232-0.267kg/s及风扇流量1.563-1.954kg/s下，散热量达标，即热负荷得以散出，系统图STYLEREF1\s3.17散热量与流量关系图冷凝器匹配设计已知冷凝器工况参数为：过冷度为5℃，冷凝温度t=60℃，排气温度85℃，环境温度40℃，迎风风速10m/s。参考文献[29-30]计算步骤如下：流量参数确定根据工况参数查得R134a热力性质，按公式计算制冷剂质量流量mR，计算空气体积流量VmV（3.15）（3.16）式中：QL为冷凝负荷，9kW；hd--排气比焓，456.5kJ/kg∆ta为空气进出口温差，取经验值12℃；γa为空气密度，按平均温度46℃，461.107kg/m3；ca为空气比热容，1.005kJ/（算得：mR=0.0506kg/s尺寸参数确定结构设计采用平行流式冷凝器，由集流管、多孔扁管和百叶窗翅片构成，如图3.17所示，通常结构如下：图STYLEREF1\s3.18冷凝器结构示意图多孔扁管共有四个内孔，内孔高2mm，外壁高3mm，宽度16mm；翅片高8.1mm，宽16mm，片距2.8mm；其上百叶窗高6.5mm，间距1.1mm。扁管分三个流程，数量依次为24，16，10，扁管数共图STYLEREF1\s3.18冷凝器结构示意图可得下列参数：表STYLEREF1\s3.SEQ表\*ARABIC\s18冷凝器散热面积参数参数每米扁管内表面积（m2每米扁管外表面积（m2每米翅片表面积（m2每米总外表面积A（m2数值0.04280.0380.1850.223散热面积根据公式计算所需散热面积F：F=∆（3.17）（3.18）式中:Q—冷凝器冷凝负荷，9kW；K—传热系数，与空气、制冷剂侧传热系数有关，取165W/m2·℃；∆tm—对数平均温差，℃；∆ta2—空气出口温度，52℃；∆ta1—计算得到∆tm=13.1℃扁管尺寸故所需扁管长度L为：L=（3.19）式中：n为扁管排数，24+16+10，50；A为每米总外表面积，包括扁管与翅片面积，0.223m2算得：L=0.373m。故取冷凝器长度380mm。

三维模型建立散热器及风扇总成建立散热器模型时也需考虑风扇装配，故通常一起建模。以电堆散热器为例，用CATIA建立模型如下，动力系统散热器结构类似。散热器总成散热芯散热器主片与护板、水管及散热带相连接，形成散热器芯体。图STYLEREF1\s4.2散热带及百叶窗示意图图STYLEREF1\s4.1散热水管散热水管共3排，单排水管长898mm，高2.5mm，宽14mm，共52行；散热带长880mm，宽52mm，高10mm，共53行，散热带其上开有百叶窗，角度一般为21-28图STYLEREF1\s4.2散热带及百叶窗示意图图STYLEREF1\s4.1散热水管主片，如图4.3，与水管需要经过钎焊，消除间隙，并使得水管和散热带稳定成型[37]为保证水管插入平稳，且与主片有足够的接触面积进行钎焊，水管孔上有突起结构。此外，主片与护板以扣压的方式进行装配，如图4.4。散热器芯体与水室之间的装配采用机械方式，也是利用主片对水室边缘的压扣。要求对水室的咬合深度在2.0-2.8mm之间[38]。若咬合度过大，容易产生裂纹等不良影响，若过低则不能很好地固定水室，故本结构中取图STYLEREF1\s4.3主片图STYLEREF1\s4图STYLEREF1\s4.3主片图STYLEREF1\s4.4主片与护板配合在横流式散热器中，护板除了与主片配合，其上还有风扇耳（与风扇架相配合，用螺栓固定）以及安装杆（与安装胶垫与支架配合，固定在车体内），如图4.5。图STYLEREF1\s4.5护板图STYLEREF1\s4图STYLEREF1\s4.5护板图STYLEREF1\s4.6散热芯左右水室图STYLEREF1\s4.7左水室图STYLEREF1\s4.8右水室左水室上部有进水口，下部有放水口，配合放水栓；右水室上部有散热器盖，其上出气孔与膨胀水箱软管相连，用于吸收冷却液升温膨胀部分。水室边缘有平台结构，与主片咬合。水室的常见材料是尼龙图STYLEREF1\s4.7左水室图STYLEREF1\s4.8右水室带风扇总成风扇有吸风式和吹风式如图4.9，即分别在散热器迎风后和迎风前。因吸风式通风阻力小和车外噪音小[39]，采用吸风式结构。本结构选用电动风扇，可根据温度和热负荷的不同对转速进行调节，更合理的利用能量[40]。风扇总成由风扇架、电动风扇两部分组成，螺钉连接。参考文献[13,40]可用风扇直径D的计算公式：D=（4.1）式中：Fr——散热器芯正面积，0.58mv——风扇叶轮内外半径之比，通常可取0.3~0.4，这里取0.30。图STYLEREF1\s4.9吸风式与吹风式算得D=0.582mm，为保证风量，风扇面积尽可能大，取外径D=600mm，内径d=210mm图STYLEREF1\s4.9吸风式与吹风式图STYLEREF1\s4.11散热器带风扇总成图STYLEREF1\s4.11散热器带风扇总成图STYLEREF1\s4.10风扇总成冷凝器总成图STYLEREF1\s4.14冷凝器带风扇总成图STYLEREF1\s4.13冷凝器总成图STYLEREF1\s图STYLEREF1\s4.14冷凝器带风扇总成图STYLEREF1\s4.13冷凝器总成图STYLEREF1\s4.12多孔扁管散热件总布置由于整车布置空间的限制，散热件的布置十分紧凑，电堆散热器散热要求最高，且高度最大，布置在中间，动力系统散热器与冷凝器分别侧置如图4.15，可根据车头造型调节侧置角度与高度。本设计中侧置30°即与电堆平面夹角30°，最终布置长度约1780mm，最高约710mm，在正常轿车空间图STYLEREF1\s4图STYLEREF1\s4.15总布置图

总结与展望本文对100kW燃料电池汽车热管理进行研究，将整车热管理分为燃料电池散热、动力系统散热、空调冷凝三个部分，分别确定散热参数，并设计整车布置方案，采用电堆散热器正置，动力系统散热器、冷凝器分别侧置的方式。选用管带式散热器和平行流式冷凝器，给出详细的结构尺寸匹配设计流程，并用GT-COOL对散热系统进行一维仿真，结果满足相应设计要求，表明设计合理。最后对散热器、冷凝器等主件三维建模，完成装配与布置。当然本次设计还有许多不足的地方，在将来的学习与工作中，通过应用更加先进的技术与方法，深入分析散热器参数，如材料、尺寸、角度等的选取对于散热器换热系数以及散热性能的影响。也可以利用实验条件，对散热系统进行验证，在整车布置方面多维分析，对布置方案优化处理，更好的管理热量，使得空间更加紧凑、合理。

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