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（1mm　　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。

目录

声明

主要符号说明

第一章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究进展

1.3 本文主要研究内容

第二章 换热部件基础模型研究与实验验证

2.1 动力控制单元冷板的仿真与优化

2.2 单元平行流换热器的实验与建模

2.3 多元平行流冷凝器的模型与实验验证

2.4 板翅式液-空中冷器的实验与建模

2.5 本章小结

第三章 散热模块的集成性能分析与实验验证

3.1 散热模块的分布参数模型

3.2 散热模块的性能实验及模型验证

3.3 散热模块在汽车前舱的空气流场分析

3.4 散热模块多维模型与前舱实验验证

3.5 基于前舱流场的散热模块性能分析与优化

3.6 本章小结

第四章 燃料电池汽车热管理系统建模分析与实验验证

4.1 燃料电池汽车功耗模型

4.2 燃料电池汽车热源模型

4.3 燃料电池汽车冷却系统模型

4.4 燃料电池汽车空调系统模型

4.5 基于“热平衡车速”的热管理系统性能评估

4.6 燃料电池汽车热管理系统性能实验与模型验证

4.7 本章小结

第五章 总结与展望

5.1 工作总结

5.2 创新点

5.3 后续工作展望

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及科研成果

致谢