启飞汽车

摘要

    热管理系统的研究在燃料电池汽车的整车开发中有着非常重要的意义。文章对国家“ 863”项目中燃料电池汽车几种不同的整车热管理方案进行了研究,计算出不同设计方案下FCE、PCU散热器和空调冷凝器的散热量,并进行对比分析,得到了较优的热管理系统散热方案,同时介绍了热管理控制策略。研究结果对 燃料电池汽车整车热管理系统的设计具有重要参考价值。

一、FCV热管理系统介绍

1.热管理系统

    FCV热管理系统包括制冷系统和冷却水系统。图1是 “863”项目中 FCV的制冷系统图, 该系统由压缩机、一级冷凝器、二级冷凝器、带温度调节装置的膨胀阀、蒸发器、冷却风扇、制冷剂管路等组成。与前期设计不同的是 ,该系统增加了二级冷凝器。一级冷凝器与二级冷凝器串联以实现FCV空调系统散热量大的要求。冷凝器的散热采用空冷式散热,一级冷凝器增加了一个高压风扇,二级冷凝器自带风扇。制冷系统是一个密封的循环系统, 其中充有制冷剂 R134a。黑色管路中走的是液态制冷剂, 白色管路中走的是气态制冷剂。

 

 
    图2所示是FCV冷却水循环系统图。冷却水系统分为FCE和PCU冷却水循环系统。FCE的冷却水经水泵直接进入FCE主、副散热器 ,经散热器冷却后进入燃料电池(FC),带走FC的热量后又进入水泵进行循环。要注意的是FCE水冷却循环系统要求高压水先经过FCE散热器降压后再进入FC,这是因为目前FC内部所能承受的压力较低 ,一般在52.5～157.5Pa,对于能够承受315Pa水压的 FC可以采用高压水直接进入FC的冷却系统。
 

 
    PCU的冷却水经水泵后分别进入PCU和空压机为其散热,其中从PCU出来的冷却水又进入驱动电机为其散热,然后从空压机和驱动电机出来的冷却水进入暖风散热器,或经过暖风旁通阀直接回流。根据回流冷却水的温度情况, 冷却水经过PCU旁通阀直接进入冷却水泵进行循环,或冷却水经过PCU散热器降低温度后再进入冷却水泵进行循环。

2.散热部件介绍

2.1 FCE散热器

    FCE散热器专用于FCE散热,国家“ 863”项目中 FCE的设计环境温度为40℃,燃料电池冷却水设计进水温度为65℃,出水温度为55℃,设计热负荷为63kW。
    由于FCE散热器是通过空气对燃料电池的冷却水进行冷却散热 ,当环境温度升高时, FCE散热 器的散热量会降低 ,不能满足FCE的设计散热要求 ,即 FCE不能满负荷工作 。这时可以通过增加FCE散热器的换热面积或提高换热系数来增加散热量,而提高换热系数的有效方法是增大散热器风量。为此, 本项目专门为 FCE散热器设计了高压风扇 。

2.2 PCU散热器

    PCU单元包括水冷系统、空气系统、空调、驱动电机控制器等。PCU冷却水进口设计温度为81℃, 出水温度为70℃,设计热负荷为12kW。

2.3 冷凝器

    在本项目中,冷凝器的设计热负荷为9kW。由于FCE散热器进水温度65℃,出水温度55℃,在低风速、环境温度为40℃的条件下,空气经过冷凝器后温度升高为50℃左右,如果冷凝器放置在FCE散热器前,就会提高FCE散热器的进风温度 ,降低FCE散热器的散热量, 进而影响FCE的发电负荷。为此,冷凝器的设计可采取如下方案:
    (1)在车架纵梁左边设计一个带独立风扇的冷凝器
    (2)将冷凝器放置在 FCE散热器的后面
    由于空间限制 ,旁置冷凝器的尺寸偏小 ,通风条件恶劣。经试验 ,旁置冷凝器的散热量最大约 5 kW,不能满足压缩机在 1 500 r/min以上空调制冷要求。为满足空调制冷要求 , 必须增加冷凝器的散热量,于是考虑采用双冷凝器二级冷却方案。

2.4 高压风扇

    本项目独创性地使用了375V的高压风扇,它由燃料电池直接供电。采用高压风扇有很多优点,首先是风量大,可以满足FCE散热器对风量的要求;其次,FCV上有许多低压电器,风扇采用高压可以给其他低压器件让电;而且采用高电压可以开发出大功率风扇电机,电机输入功率达到1600W。

2.5零部件洁净度要求

    在FCV中,所有冷却液流过的零部件(散热器、暖风芯体、管路等)必须满足洁净度的要求,否则会造成FCE中毒。因此,零部件必须进行清洗。另外,零部件所用材料必须为特定的钢、铝合金或非金属材料 。
    关于洁净度的判定标准,国外定义了一种测量方法,即测量零部件充满测试液体后(去离子水 )的电子传导率的方法。
蓄水池中装有测试液体,通过泵使之流过加热器、温度传感器、被测零部件和流量计,整个试验平台所用材料必须满足前述材料要求。这里,测试液体为去离子水,去离子水要完全充满整个被测零部件;流量计测的是流过被测零部件的流量;温度传感器测的是测试液体的温度。
    整个试验必须在完全清洁的条件下进行, 以避免任何外部污染 。环境温度须保持在 18 ～ 27 ℃之间 , 湿度不能超过 70%, 测试液体温度为 60 ±5 ℃,流量为 5 ±0.25 L/min, 试验时间须在 15 min以上 。试验之后 ,立即用电导率仪测量测试液体(60 ℃)的传导率 ,若小于 5 μs/cm,则满足洁净度要求。

二、整车热管理方案比较分析

    本节对4种不同的整车热管理设计方案计算 FCE、PCU散热器和空调冷凝器的散热量 ,并进行对比分析,得出最优的整车热管理系统散热方案。
1.方案一
方案一如图 3所示。方案中一级冷凝器布置 在 FCE散热器后面, 配有独立的高压风扇进行散热 ,一级冷凝器安装在车头位置。二级冷凝器自带风扇 ,布置于车架纵梁右边 。 PCU散热器自带风扇,布置于车架纵梁左边 。
 

2.方案二

    方案二如图 4所示。此方案中采用两个FCE 散热器, 分别称为FCE主 、副散热器。副散热器布置于主散热器后部靠下位置 , 上部布置一级冷凝器 ,有独立的高压风扇 , FCE主、副散热器和一级冷凝器安装于车头。二级冷凝器自带风扇, 布置于车架纵梁右边, PCU散热器自带风扇, 布置于车架纵梁左边。
 

3.方案三

    方案三如图5所示 。此方案中 , FCE副散热器布置于主散热器后面, 带有独立高压风扇, FCE 主 、副散热器安装于车头。PCU散热器自带风扇,布置于车架纵梁右边, 本方案只有一个冷凝器 ,布置于车架纵梁左边 ,自带风扇。
 

4.方案四

    方案四如图6所示。此方案中, PCU散热器布置在燃料电池散热器后部靠下位置, 上部是一级冷凝器 , 带有独立高压风扇, FCE主、副散热器和一级冷凝器安装于车头, FCE副散热器自带风扇 ,布置于车架纵梁右边 ,二级冷凝器自带风扇 , 布置于车架纵梁左边 。
 

5.方案比较

    通过对以上4种设计方案中FCE、PCU散热 器和冷凝器的散热量进行计算 , 比较不同方案各个散热器的散热量是否满足设计要求 。以上各个散热器散热量的计算方法, 采用 Matlab编程计算 。
    图7为4个方案中FCE散热器在 3种不同车速 (0 km/h、70 km/h和 150 km/h)情况下的散热量 。从4个方案的计算结果来看, 在不同车速时 , 方案四中FCE散热量明显优于其他3个方案。
 

    图8给出了4个方案中PCU散热器的散热量 随车速变化的柱状图。从计算结果来看, 方案一 、二和三的FCE的散热量略优于方案四 ,但4个方案中 PCU散热器的散热量均达到了设计要求。
 

    图9给出了4个方案中冷凝器的散热量随车速变化的柱状图。从图中可以看出, 方案一中冷 凝器的散热量最大 ,方案二、四的散热量优于方案三 。从计算结果来看,方案一、二和四的冷凝器散热量均达到了设计要求。
 

    由于FCV中FCE的散热是整车散热最重要的地方, 它关系到汽车的性能, 因此它的散热要求 应该优先考虑 。通过对以上4个方案中各个散热器散热量的比较, 方案四中FCE散热性能最好。 虽然方案四中PCU和冷凝器的散热性能并不是4个方案中最好, 但是它们的散热量已经满足了设计的散热量要求。因此 , 对各种结果综合考虑和比较后 ,本项目最终选择方案四作为 FCV的热管理方案。

三、热管理控制策略

    燃料电池汽车的电器控制目前都采用控制器局域网(CAN)技术 ,其中热管理控制策略是整车控制的重要部分。参与热管理的控制器主要包括:整车管理控制器(VMS)、FCE管理控制器(EMS)、冷却风扇控制器、空调压缩机控制器、空调控制器、水冷系统控制器等。
    燃料电池汽车的散热量较大,而热管理控制策略则可以使整车的散热分配更加合理,当FCE散热器散热困难的时候,VMS和EMS会适时控制空调压缩机控制器并暂停空调的运行,与此同时,水冷系统控制器会得到通讯指令提高冷却水流量,冷却风扇控制器会得到通讯指令提高风扇风量,从而确保FCE散热器的散热量满足动力需求 。
    冷却风扇控制器对冷却风扇进行控制,使冷却风扇在不同的转速下运行。冷却风扇同时肩负FCE、PCU散热器和空调冷凝器的冷却,当来自不同系统的风扇转速要求产生矛盾时,将选用较高的风扇转速。当空调压缩机开启的要求被接受后,如果冷却风扇还没有开启,则 VMS能够检测到空调压缩机的开启信号, 向冷却风扇控制器发送信号 ,使冷却风扇低速运转, 以确保适当的冷却能力。如果制冷剂系统内的压力增加到一个需要更大的冷却能力值时 , 电控系统则会根据读取的压力传感器 (中压信号1.7 MPa)相应的信息, 来提高冷却风扇的转速 。

四、结论和建议

1.结论

    (1)本文采用了增加二级散热器和增大风量的设计方法, 对国家“ 863”项目中FCV几种不同 的热管理设计方案进行了分析, 计算出不同设计结构下 FCE、PCU散热器和冷凝器的散热量, 并进行研究和比较,得到较优的热管理系统散热方案。
    (2)本文阐述了FCV热管理在整车开发中的重要性并对热管理基本内容进行介绍。文中介绍了零部件洁净度的测量方法和整车热管理控制策略 ,强调零部件洁净度和热管理控制策略是整车热管理不可缺少的重要组成部分。

2.建议

    (1)国家“863”项目燃料电池汽车的 FCE散热器散热能力在环境温度 40 ℃条件下仍未达到 要求的指标, 还需要研发更高效的散热器以及更强劲的风扇。
 

作者：李正秋 蒋燕青  来源:上海汽车
 

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