【燃料电池汽车热管理系统冷却流道对流换热分析13000字（论文）】

I燃料电池汽车热管理系统冷却流道对流换热分析摘要：在全球能源紧缺和气候变暖的大背景下，燃料电池(FuelCell)因为本文以的温度特性、热管理系统模型、控制方法等为切入点介绍国内外研欧姆极化、浓差极化过电压理论在MATLAB/Simulink平台搭建了电堆的输出电1.绪论 11.1选题背景与意义 11.2国内外热管理系统研究现状 12.燃料电池水热管理系统 12.1燃料电池系统产热分析 22.1.1电堆生成化学能 22.1.2电堆输出功率 22.1.3尾气散热 22.1.4冷却水散热 32.2热管理系统设计性能目标 32.3燃料电池热管理系统设计 2.3.1前舱散热模块分布 2.3.2冷却流道内部对流换热 52.3.3电堆的热管理系统结构 62.4热管理系统控制策略 82.5本章小结 3热管理系统各部件参数匹配 3.1热管理系统各部件参数匹配 3.3.2风扇选取 3.3.3循环水泵 4.热管理系统在车用工况下的仿真研究 4.1整车能量管理策略建模 154.2极端高温爬坡工况下仿真研究 4.3极端低温工况下的仿真研究 4.4常温NEDC仿真研究 25.结论 参考文献 1汽车领域，以锂电池为能源的电动车技术基本成型，同样从19世纪50年代后，燃料电池汽车开始得到发展，海外燃料电池市场也逐渐进入商用化阶段：cellEQPower等。各国加快相关技术研究，加氢站建设也在逐渐增多(张明杰，2000辆，投入运行加氢站有12座，且在北上广等地均开展了示范应用。发展核温度是影响燃料电池性能最重要的因素之一，[3PEMFC的运行温度在60-80°C的时候能保持比较高的能量的转换效率。一般的情况下在40%-60%u左右，高时能到60%。电堆运行时温度比较低的时候，这在一定角度上表达了电池2应化学能为(单位时间内):Qgas=Tout∑i=2₂N₂O₂oCoutwout-TinZi=B₂N₂O₂H₂oCinwin(3-8)3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(2)匀化温度水平：在这般的框架下电堆内部要求温度均匀化，以保证其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 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与GT-SUITE一同使用，从这些发现中可以看出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-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4的广阔前景与重要性。本文燃料电池汽车前舱的散热模块布置如图2.1和2.2所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散热器冷凝器图2.1前舱散热模块布置风扇口5图2.2前舱散热模块后视图燃料电池电堆由多个单片电池组装而成，单电池电极上产生的热量即通过碳板和反应气体传至冷却流道，经由水道内部却水带出。在这等条件下在建立热管理模型之前，需确N.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/使用Petukhov公式计算努塞尔数Nu:…式中，1为管道内循环水平均流速(m/s),不超过经济流速2.5m/s;li为管道的当量直径(m);□□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□□范围为2300106。管道当量直径：6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hhi一般在1000-15000范围内，因此计算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。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(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车用负载三道阀控制损块前输教热三通管图2.3燃料电池热管理系统结构却水温小于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,在这等条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，从这些态度可以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8图2.4整车燃料电池热管理系统GT模型转速信号下，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，依照已验证的成果能够推导出以下双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，这在一定角度上表达了即采用电堆进出口温差与系数500的乘积大小，来调整循环水泵转速大小，水泵最大转速达3000RPM时，也可以满足维持电堆进出口水命。在我国北方地区，有时冬季气温会降低至-20°C甚至更低(林紫薇，赵彭上升至0°C以上，并达到70°-80°C最佳输出工作点。此发现与预设的理3.热管理系统各部件参数匹配3.1热管理系统各部件参数匹配3.3.1散热器一般小型车辆进风风速在612m/s,这里取air²=6m/s;则：在这种设定里结合液侧散热水管分布，散热器芯部尺寸选用750mm×520mm。本文选用换热器翅片材料为铝，长度10(mm),截距1.9(mm),式中，F₂为翅片厚度(mm);Fh为翅片高度(mm);Fp为翅片间距(mm);空气侧雷诺数计算：式中，ua为扁管间空气流速(m/s),1a为气侧当量直径(m),va为空气的运动粘度(m²/s)。Re在480～2300间，百叶窗倾角可选范围10°35°,同时考虑减小进风阻力和增大翅片传热系数，选用倾角大小为30°,间距1.6mm。(1)风压风压大小表征风扇能将空气吹动距离的大小，因散热器气侧有众多翅片结构，翅片间隙小，从这些报告中推断出会降低散热效果，所以为达到理想散热效果，必须保证足够的风压(蔡宗杰，吴心怡，2020)。上述成果在完备性和逻辑性上均符合要求，彰显了本研究团队的审慎态度与科学精神。经由深度剖析，不仅证实了已构建的理论基石，还揭示了一些新颖的现象与趋向，这些新发现为相关领域的研究开辟了新视野和新路径。在研究进程中，本文细致入微，对每个核心点都实施了严格的审核与验证，以保障研究结论的精确性和可信度。此外，本文还主动与同行沟通，吸纳他们的真知灼见，持续优化研究方法。这种审慎的科学态度与方法，不仅确保了本研究的高品质与高价值，也为后续研究树立了可效仿的标杆。风压为静压与动压之和，静压是指风扇不转动时空气不规则运动撞击壁面产生的压力，计算时以绝对真空为零点计算的静压称为绝对静压；动压是指空气流动时产生的压力。在这般的框架下气体流动过程中，静压与动压可以相总压差值大小，可以表示单位气体的总能量(韩冰雪，唐嘉琪，2020)。 (48) (49)线(P～Q曲线);效率曲线(η);转速曲线(n);功率曲线(单位W);工作点3.3.3循环水泵(1)水泵相似性能换算与风扇的风量Q、压力、功率类似，对于两台液流状态相同的水泵，叶泵的□与叶轮直径的三次方和转速的一次方成正比；扬程与直径的平方和转速(3)水泵主要参数选定配选型已知冷却水的流量大小Vwater=0.00286(m3/s),有公式(刘佳怡，何婷式中，pump为水泵出水量大小(m³/s),nv为水泵容积效率。式中，9为水泵的泄流量(m3/s)。冷却水泄流量决定水泵容积效率，从而影响出水量大小。所以在计算出水量前需要先确定水泵的泄流量q:式中，Dp为水泵密封环间隙平均直径(m),这里取0.0029m;t为密封环间隙宽度(m),这里取0.004mm;Dpt为密封环间隙环流过的面积(m2)。其中，为密封环间隙的流通系数，一般可取0.4～0.7,θ为密封环间隙的圆角系数；λ为密封环间隙的摩擦系数，一般取0.04;为密封环间隙长度(m)。设计点：选用水泵叶轮直径大小为18cm,转速大得出泄流量q为0000318m³/s,容积效率η为09.失功率，由比转速查阅文献可知约为功率N的10%左右，所以由：要满足热管理系统的车用工况条件，需要搭建电-电混合燃料电池汽车整车模型，并根据能量流动途径制定能量管理策略，适用于热管理系统在全工况下仿真(李昊天，高志强，2019)。燃料电池汽车在实际运行过程中的工况复杂多变，国车辆在这两种极端温度工况下运行，仍要保证电堆在合理，安全(崔浩宇，张雯温工况、极端低温工况和常温下普通NEDC工况，对上文如表4.1所示。表4.1所选电堆及动力电池参数表电堆与动力电池参数大小电堆最大功率AW电堆最大效率汽车在怠速启停过程中功率需求低，此时不宜开启电堆供电。本文选用10kW作为纯电动驱动与电堆驱动临界值；在这样的背景下电堆维持60kW工作输出效率高，超出60kW的功率需求时蓄电池作为辅助电源一同供电。动力电池SOC阈值选取30%与70%,在荷电状态处于0.30.7范围内，蓄电池可以正常表4.2整车能量管理策略工作模式纯电动驱动燃料电池驱动混合驱动充电SOC<0.3时，充电至0.7依照已验证的成果能够推导出以下根据整车工作模式确定了车辆在行驶过程中的能量管理策略，并结合此控制，在GT-Suite平台搭建行驶工况下的整车模型如图4.1所示。图4.1整车模型由于所选动力蓄电池容量较大，现选定蓄电池初始状态SOC值为0.4,采用NEDC工况仿真5个循环以上，这在某种程度上标志仿真时间选定6000s,观察仿真结果。由整车工况需求，即电机需求功率，如图4.2所示，对比行车过程中动力电池和燃料电池功率分配状况，如图4.3所示，这在一定角度上表达了40069060图4.3动力电池与燃料电池功率分配状况速变化-010s的怠速状态，车速为0km/h;1040s的加速状态，车速050km/h;40500s的匀速状态，车速50km/h;500530s的加速状态，车速5090km/h;5301000s的匀速状态，车速90km/h;1000～1030的加速状态，车速904%、6%,12%和20%。图4.5设定极端高温爬坡工况下存在驱动电机功率超过60kW的情况，可用于验证整车能量分配策略中电堆与动力电池混合驱动的工作模式。并且电堆输出功率达到最大值60kW,依照已验证的成果能够推导出以下可用于检验电堆在高温大功率放电下热管理系统的图4.6极端高温爬坡工况下电机功率现设定初始环境温度为40°C,极端高温爬坡工况如上，整车运行两个工在60kW最大值输出。而蓄电池因电量不足无法供能，这在一定角度上表达了在整车极端高温工况下超过60kW时难以满足电机功率需求，燃料电池汽车会见解、探究途径和技术工具，研究者能更透彻地把性，进而提出更加精确且高效的解决方案。这种跨领的范畴，还促进了各领域间知识的互通与融合，为科学研究的创新提供了丰富的素材与启迪。通过整合不同学科的理论与手段，研究者能更深入地揭对象的潜在法则与机理。因此现将动力电池初始SOC值设定为1,满足整车高功率下的极端功率需求，行驶时燃料电池的产热功率如图4.7所示。电堆进出口水温信号与阀门开闭状态信号传至Simulink控制模块，作为水表4.3电堆热管理系统控制策略断信号阀口水温电堆出口水温≥75℃,散热支路开启，小循环支路关闭；电堆出口水温≤65℃,开启小循环，关闭系统散热支路；65℃≤电堆出口水温≤75°C,三通阀维持之前开闭状态散热器风扇口水温电堆入口水温信号采用PID控制维持在设定目标水泵出口水温、阀门开闭状态不需散热，小循环回路开启，水泵维持初始转速小循环关闭，开启散热支路，水泵转速根据进出口温差大小变化为500+500△T进行调整电堆温度、进出口水温结果如图4.8所示。图4.9所示，这里的开度变化率近似传统车中的节温器，靠近全开闭状态时开度变化速率低，在这种设定下中间部分变化速率大，对电堆出口水温更为敏感(曹境下由辅助加热的温度表现。实际过程中，燃料电池汽车在低温冷启动时(马天况下蓄电池给PTC供能给电堆加热的过程，设定加热的环境温度下限阈值为10°辅助加热环境温度≤10℃,并且电堆入口水温≤60℃时，开启小循环内的终止加热电堆温度加热至70℃时终止加热状态；环境温度高于10℃时，不采用辅助加热，使用电堆自身产热加热电堆图4.10极端低温NEDC工况下电堆温度表现4.4常温NEDC仿真研究车辆仿真的初始条件，环境温度为25°C,保证常温运行，因为NEDC工况整车驱动电机的需求功率不大，电堆的发热量小，所以仿真循环5个NEDC工况以上，仿真时间6000s,,另外，蓄电池初始SOC设置为0.4,可以使蓄电的条件，便于观察电堆在NEDC工况中的温控状态，电堆温度及进出口水温的具体表现如图5.11所示。由仿真结果可知，前三个NEDC循环中，从这些态度可以明白电堆产热量较小，在电堆温度未达到70°C热管理结构采用小循环保证电堆温升，燃料电图5.12为电堆热管理系统水泵转速和体积流量的表现状况，冷却回路采用小循环时，水泵维持最低转速500RPM,当电堆输出功率大进出口水温温差较大时，控制水泵转速迅速升高，维持进出口水温温差在目标值之后维持整车在NEDC工况下的电堆温控需求，水泵处于较低负荷状态，有较T图5.13为前舱散热模块风扇与进风量的表