【《燃料电池水热管理系统设计的案例分析》4700字】

燃料电池水热管理系统设计的案例分析目录TOC\o"1-3"\h\u8816燃料电池水热管理系统设计的案例分析 1310281.1燃料电池系统产热分析 1252821.1.1电堆生成化学能 28261.1.2电堆输出功率 2221071.1.3尾气散热 270521.1.4冷却水散热 2152761.2热管理系统设计性能目标 3189121.3燃料电池热管理系统设计 3231571.3.1前舱散热模块分布 387881.3.2冷却流道内部对流换热 572491.3.3电堆的热管理系统结构 6159341.4热管理系统控制策略 8燃料电池热管理主要是对电堆温度控制，有效利用和散发废热，保持电堆内热平衡。低温时电池内各种极化增强，欧姆阻抗较大，电池性能恶化；温度升高时，会降低欧姆阻抗，同时较少极化，利于提高电化学反应速率和质子在膜内传递速度，电池性能变好。通过燃料电池的温度特性，可知如果要获得较好的燃料电池输出性能，需要将燃料电池电堆的工作温度控制在一个安全稳定的范围内，保证电堆的高效运转。本章针对电堆做产热与散热分析，提出热管理系统的性能目标，为确定电堆的热管理系统设计提供理论依据。在此基础上通过前舱散热模块分布，计算冷却流道内部对流换热系数。1.1燃料电池系统产热分析燃料电池是由堆内氢气氧气氧化还原反应产生化学能，只考虑化学能转化为电堆输出的电能和产出的热能，可以得出：通过热管理系统需要达到散热与产热平衡：1.1.1电堆生成化学能由化学反应方程式：可知，单位时间内反应物消耗量由氢气消耗速度，结合每摩尔氢气反应的焓值∆H（约为285.8kJ/mol），反应化学能为(单位时间内）：1.1.2电堆输出功率电堆功率可由第二章内单电池模型计算得出：1.1.3尾气散热电堆反应后，部分余热通过生成物带出：1.1.4冷却水散热燃料电池电堆循环冷却水散热量为：1.2热管理系统设计性能目标目前大功率电堆采用冷却水循环系统，电堆热平衡需要满足的温度如下：（1）确定最优工作温度范围：尽量使燃料电池稳定在最佳工作温度，温度控制在70°C~80°C范围内，保证稳定、高效运行。（2）匀化温度水平：电堆内部要求温度均匀化，以保证其工作性能。本文为提高电堆内温度分布均匀性，要求进出电堆冷却水温差小于10°C。，最好小于5°C。（3）控制温度极限：电堆系统大部分部件都要求在某个温度界限以下工作。若堆内局部温度高于100°C时，膜会出现微孔，容易出现意外导致严重的安全事故，因此需要控制温度极限。（4）电堆冷启动：电堆系统在某些极端低温环境下输出效率低，需要尽快依靠辅助加热升至0°C以上，并达到70-80°C高效率输出点为最佳。1.3燃料电池热管理系统设计1.3.1前舱散热模块分布在设计燃料电池汽车时，需要考虑燃料电池电堆（FCS）和动力控制单元（PCU）的散热器、空调冷凝器，风扇、等部件的分布。前舱空间狭小，在整车行驶过程中，气流通过进气格栅，在风扇的作用下流动后经由散热器换热。整个过程中热管理系统各部件相互影响和干涉，前舱内散热模块的布置将直接影响整个热管理系统的散热性能。GT-SUITE提供了GT-COOL工具，可以用来建立三维模型的发动机舱热管理的进气、冷却液相关部件的流动系统，并且能够被离散化，制成一维模型文件与GT-SUITE一同使用，它提供了在发动机舱的3D环境内构建模型的能力，用以解决其内部复杂的流动与传热分析。本文利用GT-COOL搭建前舱内部与液流和空气流动相关的各部件模型，综合考虑前舱内有限的三维空间大小和各部件相对位置，以及空气侧与液侧流动时耦合的影响关系，从而决定散热模块的分布。由燃料电池汽车的热管理系统结构，汽车前舱内部需布置电堆散热器、动力系统控制单元的散热器、冷凝器及散热风扇。本文燃料电池汽车前舱的散热模块布置如图1.1和1.2所示。一般来说，当汽车高负荷运转时，燃料电池电堆的散热需求要大于传统内燃机的散热需求，并且在此状况下，电堆的冷却水温度比内燃机要低，这就造成了电堆冷却水与外界环境温差较小，散热环境恶劣，所以在进行前舱散热模块布置时，优先考虑电堆散热器。一般可以通过提高换热介质之间温差大小和增大换热面积来提高热管理系统的换热能力，直接增大散热器面积并不现实，因为发动机舱的空间大小十分有限，故通过翅片结构增大换热面积以满足电堆高功率的散热需求。另外，将电堆散热器布置在最前端，使电堆的换热器直接与环境温度下的冷却空气换热，利于电堆散热。空调冷凝器的换热需求量小于电堆散热器，但由于其内部冷却剂R134a与环境换热温差大，故将其布置在FCS散热器后端，环境温度下的冷空气通过FCS换热器换热后温度上升，但仍与冷凝器的冷却剂温度有较大温差，仍能够与冷凝器较好的换热。而PCU散热量也相对电堆而言较小，同理将其布置于FCS散热器之后。除上述三个热源之外，蓄电池也会在车辆行驶过程中释放热量，但由于其发热量相对其他热源小得多，同时也是考虑布置空间问题，不再增设散热器结构，在电池温度较高时，采用空调回路制冷，给蓄电池换热，足以满足蓄电池散热需求。最后，两个冷却风扇布置于整体散热模块之后，考虑到进风均匀性和保持散热模块内部温度的均匀性，将两风扇结构分别呈对角线布置于冷凝器与PCU散热器之后。前舱散热模块的分布状况对电堆散热有直接的影响，确定了FCS散热器的分布情况，可作为车用工况下仿真时电堆系统在前舱散热的边界条件。图1.1前舱散热模块布置图1.2前舱散热模块后视图1.3.2冷却流道内部对流换热燃料电池电堆由多个单片电池组装而成，单电池之间布置冷却流道，在膜电极上产生的热量即通过碳板和反应气体传至冷却流道，经由水道内部循环冷却水带出。在建立热管理模型之前，需确定冷却流道内部对流换热系数相对大小。循环冷却水属于管道内部对流换热，其流体侧对流换热系数计算：式中，为冷流流道的管道内部努塞尔数；为流体导热系数，经查询水的热物性参数表，可知水在70°C，1Mpa压强的条件下热导率约为0.67W/（m·K）；为管道当量直径（m）。使用Petukhov公式计算努塞尔数Nu：式中，为雷诺数；为普朗特数；为管内摩擦系数。管内湍流流动的达西阻力系数：雷诺数的计算：式中，为管道内循环水平均流速（m/s），不超过经济流速1.5m/s；为管道的当量直径（m）；𝜐𝑙为介质运动粘度（m2/s），经查水的物理参数表，可知70°C时水的运动粘度为4.06×10-5m2/s。湍流流动𝑅𝑒范围为2300～106。管道当量直径式中，为管道长（m）；为管道宽（m）。因为模型内冷却流道采用圆管，管道直径即为当量直径大小。普朗特数Pr大小：式中，为热扩散系数（m2/s）；为水的热导率（m·K）；为介质比热容（kJ/kg·K），经查水的热物性参数表，可知70°C水的比热容为4.187×103kJ/kg·K。湍流流动𝑃𝑟范围为0.6～105。计算得出水与管壁对流换热系数最大可达3000W/（m2·K），平均值大小约为1500W/（m2·K）。水的强制对流换热系数ℎ一般在1000～15000范围内，因此计算值在合理范围之内。1.3.3电堆的热管理系统结构燃料电池汽车热管理系统与传统内燃机车相似，汽车负载工作时电堆产生热量，散热回路主要由电堆、散热器、风扇、水泵，补水箱组成，此外，加入三通管与三通阀控制冷却回路的大小循环，调整进入散热模块的冷却水流量大小。最后，为应对车用工况低温环境条件下电堆的使用需求，加入PTC辅助加热设备。整个系统控制采用各类传感器及Simulink控制模块进行。电堆热管理系统结构如图1.3所示。热管理系统工作时循环水泵持续工作，冷却水将电堆电化学反应产生的热量带出，经管路流动至前舱散热模块，由电堆入口的温度传感器输出温度信号，控制散热模块内风扇转速，当电堆入口水温较低时，风扇不工作，当水温超过入口水温设定的限值，散热风扇开始工作，增大前舱进风量强制空气与散热器扁管壁对流换热，从而降低散热器出口水温，即电堆的入口水温大小。增设三通阀与三通管的必要性主要体现在：三通阀形成冷却水路不经过散热器的小循环回路，水流在车辆停止运行至再启动过程中对电堆有一定保温效果，这在某些低温环境启动的工况中可以减少散热，一定程度减少短时间停车再启动时加热电堆所需电能。（2）若无三通阀与三通管，单一冷却水回路水泵工作时冷却水必定会经过散热器，在电堆还未到达入口水温设定的目标值，散热器也会因为扁管壁换热和车辆行驶前舱的进风量产生一定换热效果，阻碍了电堆加热至高效率输出工作点的升温过程。图1.3燃料电池热管理系统结构在本文所采用的燃料电池热管理系统结构中，增加的三通阀与三通管将单一冷却水路分为大小循环两个部分，利用阀门开闭信号进行回路开关控制。因为燃料电池电堆的出口水温通常近似等于或者略低于电堆内部平均，选取出口水温信号来调节三通阀的开闭。当出口冷却水温小于75°C控制三通阀将散热回路关闭，冷却水不经过散热器只通过水泵工作进行小循环，使得电堆在未达到高效率工作点时保证了其迅速升温的能力，提高了整个电堆系统的效率。当电堆的出口冷却水温度上升至70°C，控制三通阀打开散热器回路，此时冷却水不再经过小循环，开始在车辆的前舱散热模块与空气强制对流换热，帮助电堆降低温度。但选取某一固定温度作为阀门开闭的依据会造成阀门频繁开闭的问题，这里运用延迟控制选取65°C作为阀门关闭时的下限阈值。即当电堆的出口水温高于75°C时打开三通阀大循环支路，电堆开始降温，当出口水温低于75°C时阀门的开闭仍维持之前状态，直至电堆出口水温降低至65°以下，关闭散热支路，继续使用小循环维持电堆温度，反复至下一个循环。这样就能始终保证电堆不会超过温度上限，也能维持在较高效率的功率输出点工作。针对由6节10kW的FE-1080S电池（40-68V）串联而成的大功率电堆，本文通过GT-Suite平台搭建的车用燃料电池热管理系统模型如图1.4所示。图1.4整车燃料电池热管理系统GT模型1.4热管理系统控制策略第二章提到，车用燃料电池电堆热管理系统的性能设计目标，散热需求方面，使电堆平均温度维持在70°C～80°C范围内，保持电堆平稳、高效运行，并且保证电堆内温度分布均匀性。具体体现在：控制电堆入口水温在70°C；进出口水温在5°C之内。整个电堆热管理系统具有强耦合、滞后性的特点，由冷却水泵与散热器风扇控制共同作用，保证PEMFC的温度维持在控制目标之内。控制电堆进口水温在70°C为一定值，进出口水温需要控制在5°C范围内，传统温控策略采用双PID控制，如图1.5所示.图1.5传统PEMFC热管理系统控制策略图中，Tin为电堆入口水温；Tout为电堆出口水温；ΔT为进出口温差大小；Tset为入口温度的设定值大小，为70°C；ΔTset为进出口温差的目标值，为5°C。由PID控制输出循环水泵与散热风扇的转速大小信号。传统温控策略中，由于电堆进出口温差是入口水温与出口水温的差值，温差控制目标与入口水温控制目标之间存在强耦合关系。在此情况下，用两个PID控制器分别控制循环水泵与散热风扇的转速，会导致控制目标入口水温和进出口温差的控制超调量叠加，波动增大，延长了两个PID控制器的控制调节时间。再加上PEMFC热管理系统本身具有较强滞后性的影响，所以传统温控策略最终的控制结果并不理想。本文针对传统热管理温控策略采用双PID控制存在的问题，考虑循环水泵与散热风扇的耦合影响关系，双PID时要达成两个控制目标较为困难，这里提出一种循环水泵非PID的单独控制策略，改进热管理系统的温度控制策略如图1.6所示。在改进后的温控策略中，散热器风扇仍采用PID控制，维持电堆入口水温在70°C，另一方面，为避免水泵采用PID控制造成超调量波动较大调节时间长的问题，选用温差作为调节水泵转速的依据，初始转速设定为500RPM，由第三章匹配计算结果得知在电堆60kW散热极限温差5°C状态下的水泵转速设定为3000RPM，所以控制设定在初始转速的基础上，每上升1°C温差，水泵转速提升500转，即采用电堆进出口温差与系数500的乘积