车用燃料电池热管理性能仿真与试验研究

doi:10.19562/j.chinasae.qcgc.2021.03.011

摘要/Abstract

摘要：

热管理是影响燃料电池性能与寿命的重要因素之一，其中燃料电池热管理系统设计与建模是研究的难点。首先用理论推导方法建立燃料电池的热模型，并通过台架试验验证该模型的准确性。其次建立整车燃料电池热管理系统一维仿真模型，对影响电堆出水温度的风速和风温两个因素进行灵敏度分析。最后通过仿真计算，分析3种典型工况下电堆的出水温度，并开展整车环模试验进行验证。结果表明，所建立的燃料电池热管理系统模型可以准确分析电堆在不同工况下的出水温度，为整车开发过程中燃料电池热管理性能的分析与优化提供参考，对提高燃料电池汽车热管理水平具有实际的工程意义。

关键词: 燃料电池汽车, 热管理, 热模型, 仿真计算

Abstract:

Thermal management is an important influencing factor of the performance and life of vehicle fuel cell. Designing and modeling of fuel cell thermal management system is the key of thermal management research. Firstly， the thermal model of fuel cell is established by theoretical derivation method， and the accuracy of the model is verified by bench test. Secondly， the one?dimensional simulation model of vehicle fuel cell thermal management system is established to analyze the sensitivity of wind speed and wind temperature affecting the effluent temperature of the stack. Finally， through simulation calculation， the outlet water temperature of the stack under three typical working conditions is analyzed， which is verified by the vehicle ring model test. The results show that the proposed model of fuel cell thermal management system can accurately analyze the outlet water temperature of stack under different working conditions， which provides a reference for the analysis and optimization of fuel cell thermal management performance in vehicle development process， and has practical engineering significance for improving the thermal management level of fuel cell vehicles.

Key words: fuel cell vehicle, thermal management, heat model, simulation calculation

郑文杰,杨径,朱林培,熊飞. 车用燃料电池热管理性能仿真与试验研究[J]. 汽车工程, 2021, 43(3): 381-386.

Wenjie Zheng,Jing Yang,Linpei Zhu,Fei Xiong. Simulation and Experimental Study on Thermal Management System of Vehicle Fuel Cell[J]. Automotive Engineering, 2021, 43(3): 381-386.

图/表 12

图 1

图 2

图 3

表1

表2

图 4

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表3

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参考文献 14

1	王路飞. 燃料电池汽车热管理系统分析与优化［D］.上海：上海交通大学，2012.
	WANG Lufei. Analysis and optimization of fuel cell vehicle thermal management system ［D］. Shanghai： Shanghai Jiaotong University， 2012.
2	唐永华，颜伏伍，侯献军，等. 燃料电池发动机水热管理系统设计研究［J］.华东电力，2005（4）：25-28.
	TANG Yonghua， YAN Fuwu， HOU Xianjun， et al. Design and research of water and heat management system for fuel cell engine ［J］. East China Electric Power， 2005 （4）： 25-28.
3	刘波，赵锋，李骁. 质子交换膜燃料电池热管理技术的进展［J］.电池，2018，48（3）：202-205.
	LIU Bo， ZHAO Feng， LI Xiao. Progress in thermal management technology of proton exchange membrane fuel cell ［J］. Battery， 2018，48 （3）： 202-205.
4	王远，牟连嵩，刘双喜. 国外典型燃料电池汽车水热管理系统解析［J］.内燃机与配件，2019（24）：198-200.
	WANG Yuan， MOU Liansong， LIU Shuangxi. Analysis of hydrothermal management system for typical foreign fuel cell vehicles ［J］. Internal Combustion Engine & Parts， 2019 （24）： 198-200.
5	陈潇，汪茂海，张扬军，等. 车用燃料电池发动机热管理系统研究［J］.车用发动机，2006（6）：12-15.
	CHEN Xiao， WANG maohai， ZHANG Yangjun， et al. Research on thermal management system of automotive fuel cell engine ［J］. Automotive Engine， 2006 （6）： 12-15.
6	ADZAKPA K P，AGBOSSOU K. PEM fuel cells modeling and analysis through current and voltage transient behaviors ［J］. IEEE Transactions on Energy Conversion，2008，23（2）：581.
7	AMPHLETT J C， MANN R F， PEPPLEY B A， et al. A model predictiong transient responses of proton exchange membrane fuel cells［J］. Journal of Power Source， 1996，61（1/2）：183.
8	PUKRUSHPAN J T，STEFANOPOULOU A G， PENG H. Modeling and control for pem fuel cells tack system［C］. Proceedings of the American Control Conference， Anchorage，2002，3117-3122
9	郭爱，陈维荣，刘志祥，等. 车用燃料电池热管理系统模型研究［J］. 电源技术，2014（12）：2278-2282.
	GUO Ai， CHEN Weirong， LIU Zhixiang， et al. Research on thermal management system model of vehicle fuel cell ［J］. Chinese Journal of Power Sources， 2014 （12）： 2278-2282.
10	常国峰，曾辉杰，许思传，等. 燃料电池热管理仿真模型［J］.同济大学学报（自然科学版），2014，42（8）：1216-1220.
	CHANG Guofeng， ZENG Huijie， XU Sichuan， et al. Simulation model of fuel cell thermal management ［J］. Journal of Tongji University （Natural Science Edition）， 2014，42 （8）： 1216-1220.
11	常国峰，曾辉杰，许思传. 燃料电池汽车热管理系统的研究［J］.汽车工程，2015，37（8）：959-963.
	CHANG Guofeng， ZENG Huijie， XU Sichuan. Research on thermal management system of fuel cell vehicle ［J］. Automotive Engineering， 2015，37 （8）： 959-963.
12	丁琰. 电动汽车热管理系统一维非稳态仿真研究［D］. 上海：同济大学， 2014.
	DING Yan. One dimensional unsteady simulation research on thermal management system of electric vehicle ［D］. Shanghai： Tongji University， 2014
13	雷迪·托马斯·B. 电池手册［M］. 北京：化学工业出版社， 2013.
	REDDY T B. Battery manual ［M］. Beijing： Chemical Industry Press， 2013.
14	张宝斌，刘佳鑫，李建功，等.燃料电池冷却方法及热管理控制策略进展［J］.电池，2019，49（2）：158-162.
	ZHANG Baobin， LIU Jiaxin， LI Jiangong， et al. Progress of fuel cell cooling methods and thermal management control strategy ［J］. Battery， 2019，49 （2）： 158-162.

流量/ （L·min^-1）	风速/ （m·s^-1）	实测散热量/ kW	仿真散热量/ kW	仿真误差/ %
50	3	10.03	10.00	0.28
75	3	10.93	10.88	0.45
100	3	11.53	11.42	0.97
120	3	11.83	11.72	0.91
150	3	12.02	12.06	-0.33
50	4	11.93	11.90	0.24
75	4	13.19	13.18	0.08
100	4	14.07	13.98	0.64
120	4	14.55	14.44	0.74
150	4	14.89	14.96	-0.46

试验工况	电堆功率/kW	进水温度/℃	出水温度/℃
中低速爬坡	33.3	72.6	75.1
高速平坦路	44.7	71.4	75.2
高速超速	69.3	73.6	94.5

[1]	孔维峰,方川,刘继红,李建秋,李飞强,黄圣涛,赵兴旺,石焱,袁殿,徐梁飞,孙鹏,周恩飞,欧阳明高. 基于单片阻抗一致性吹扫的燃料电池低温冷启动策略研究[J]. 汽车工程, 2024, 46(2): 260-268.
[2]	李贵敬,谷青锴,杨昊鑫,黄健齐,邸立明. PA/EG耦合风冷电池热管理系统轻量研究[J]. 汽车工程, 2023, 45(2): 209-218.
[3]	朱成,刘頔,滕欣余,张国华,于丹,刘沙,胡苧丹. 新能源汽车综合经济性对比分析及预测研究[J]. 汽车工程, 2023, 45(2): 333-340.
[4]	姜俊昭,杨文豪,彭彬,郭婷,徐业凯,王国卓. 基于能耗加权策略的燃料电池汽车续驶里程预测[J]. 汽车工程, 2023, 45(12): 2357-2365.
[5]	朱仲文,汪鑫,江维海,李丞. 氢燃料电池汽车整车集成式热管理系统研究[J]. 汽车工程, 2023, 45(11): 1991-2000.
[6]	于天蝉,王源,石文星,梁辰吉昱,李先庭,岑俊平,罗敏. 基于三介质换热器的电动汽车热管理系统及其性能分析[J]. 汽车工程, 2023, 45(11): 2001-2013.
[7]	路兴隆,张甫仁,赵海波,孙世政,李雪,赵浩东. 基于同心圆结构的新型液冷板优化设计及其性能研究[J]. 汽车工程, 2023, 45(11): 2058-2069.
[8]	张智明,潘佳琪,章桐. 燃料电池离心式空压机转子临界转速关键影响因素分析[J]. 汽车工程, 2022, 44(9): 1386-1393.
[9]	魏小栋,刘波,冷江昊,周星宇,孙超,孙逢春. 基于凸优化的燃料电池汽车节能驾驶研究[J]. 汽车工程, 2022, 44(6): 851-858.
[10]	张英朝,简杰松,张锦涛,王国华,于远彬. 基于三维/一维强耦合模型的整车热平衡与热系统参数对性能影响的研究[J]. 汽车工程, 2022, 44(6): 936-944.
[11]	马彦,李佳怡,马乾,陈明超. 基于迭代动态规划的动力电池组热管理优化策略[J]. 汽车工程, 2022, 44(5): 709-721.
[12]	方川,袁殿,邵扬斌,徐梁飞,李飞强,胡尊严,李建秋,周宝,戴威. 面向冬奥示范的新一代燃料电池系统技术突破[J]. 汽车工程, 2022, 44(4): 535-544.
[13]	王亚雄,王轲轲,钟顺彬,何洪文,王薛超. 面向耐久性提升的车用燃料电池系统电控技术研究进展[J]. 汽车工程, 2022, 44(4): 545-559.
[14]	韩济泉,孔祥程,冯健美,彭学院. 大功率燃料电池汽车氢循环系统性能分析[J]. 汽车工程, 2022, 44(1): 1-7.
[15]	邱彬,禹如杰,刘勇,赵冬昶,宋健. 基于学习率的纯电动与燃料电池汽车分场景经济性比较研究[J]. 汽车工程, 2021, 43(2): 296-304.