燃料电池汽车整车热管理方案研究

2 008 年第 04 期 汽 车节能 QI CHE JIE NENGQI CHE JIE NENG 燃料电池汽车整车热管理方案研究 李正秋，蒋燕青 （上海汽车股份有限公司技术中心，上海 200129） 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 。本文对国家 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 散热器 、PCU 散热器和空调冷凝器的散热量，并 进行对比分析，得到了最优的热管理系统散热方案 。同时简单介绍了热管理控制策略 。本文的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 。 关键词： 燃料电池轿车；热管理； FCE； PCU；设计方案；控制策略 1 概述 燃料电池汽车 （简称 FCV） 是一种用氢气作为 新能源的新技术汽车，具有节能 、零排放 、无污染 、 效率高 、噪声低 、可靠性高等优点 。燃料电池动力 系统 （简称 FCPS） 的热效率一般为 35%~42%，而传 统的燃油发动机的热效率在 30%以下，在产生相同 功率的情况下，燃料电池汽车比一般的汽车节能 25%左右，可见， FCPS 是十分环保与节能的 [1-3] 。 尽管燃料电池发动机 （简称 FCE） 的效率远高 于传统发动机，但其散热问题却是一个难题 。这是 因为传统发动机的散热， 15%是通过发动机机体散 出， 40%通过排气管以尾气形式排放，只有 8%的热 量通过散热器散出，而 FCE 则不然 。理论上， FCPS 的热效率和散热器散热量均为 41%，有 18%的热量 通过尾气排放 。但在恶劣工况下， FCPS 热效率约为 35%，此时仅有 3%的热量通过尾气排放，其余 62% 的热量需要通过散热器散出，而 FCE 本体一般是对 外绝热的 。由此可见， FCE 的散热量要求远大于内 燃机，这对 FCV 整车的散热系统设计提出了很大的 挑战 [4-6] 。因此 FCV 的热管理也逐渐得到设计者的重 视，甚至专门成立了 FCV 热管理研究部门 。 在传统汽车的设计开发过程中，空调冷凝器和发 动机散热器没有太大的散热冲突，而 FCV 则需要解 决空调冷凝器 、FCE 散热器，电机及控制器 （简称 PCU） 散热器的散热冲突问题，使之能够协调工作 。 2 FCV 热管理系统介绍 2.1 FCE 散热器 FCE 散热器是专门为 FCE 散热的，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， 本项目针对 FCE 散热器专门设计了高压风扇，在下 文中将详细介绍 。 2.2 PCU 散热器 PCU 即动力控制单元，它包括水冷系统控制器 、 空气系统控制器 、空调控制器 、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，而且 31 交 通节能与环保 汽车节能 QI CHE JIE NENGQI CHE JIE NENG 通风条件恶劣 。经试验，旁置冷凝器的散热量最大 约 5kW 左右，不能满足压缩机在 1500rpm 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的方案 。 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，燃料电池轿车上有许多低压电器，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 。这里将该方法描述如下 。 试验方法如图 1 所示 。 图 1 试验方法 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 （ DI water），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 任何外部的污染 。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±0.25l/min，试验时间须在 15min 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 5μs/cm，则满足洁净度要求 。 3 整车热管理方案比较分析 3.1 方案一 本节对四种不同的整车热管理设计方案来计算 FCE 散热器 、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 。 整车热管理方案一如图 2 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 。 图 2 方案一 3.2 方案二 方案二如图 3 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 。 图 3 方案二 32 2 008 年第 04 期 汽 车节能 QI CHE JIE NENGQI CHE JIE NENG 3.3 方案三 方案三如图 4 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 。 图 4 方案三 3.4 方案四 方案四如图 5 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 。 图 5 方案四 3.5 方案比较 通过对以上四种设计方案中 FCE 散热器 、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 。 图 6 给出了上述四个方案中 FCE 散热器在三种 不同车速情况下 （ 0km/h、70km/h 和 150km/h） 的散 热量 。从四个方案的计算结果来看，在不同的车速 时，方案四中 FCE 散热量明显优于其他三个方案 。 图 6 FCE 散热量 图 7 给出了四个方案中 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，但四个方案中 PCU 散热器的散热量均达到了设计要求 。 图 8 给出了四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 。 图 7 PCU 散热量 图 8 冷凝器散热量 由于燃料电池汽车中 FCE 的散热是整车散热最 33 交 通节能与环保 汽车节能 QI CHE JIE NENGQI CHE JIE NENG 重要的地方，它关系到整车的性能，因此它的散热 要求是优先考虑的因素 。通过对以上四个方案中各 个散热器散热量的比较，方案四中 FCE 散热性能是 最好的 。虽然方案四中 PCU 和冷凝器的散热性能并 不是四个方案中最好的，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 。 4 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 制重要的一部分 。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 散热器 、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 压缩机开启的信号，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 能力的值时，电控系统则会根据读取的压力传感器 （中压信号 1.7MPar） 相应的信息，来提高冷却风扇 的转速 。 5 结论 本文首先对燃料电池汽车热管理在整车开发中 的重要性及热管理基本内容进行介绍，然后对国家 863 项目中燃料电池汽车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 散热器 、 PCU 散热器和冷凝器的散热量，并进行了研究和比 较，得到了最优的热管理系统散热方案 。同时简单 介绍了整车热管理控制策略 。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 。 参考文献： [1] 蒋光福 . 汽车发动机舱散热特性研究 [J]．汽车科技， 2006(5):18-23． [2] 赵家宏，潘宏斌，葛建生 ．混合电动汽车用氢镍电池热控制技术研 究 [J]．电池工业， 2005， 10(6):332-335． [3] 付正阳，林成涛，陈全世 ．电动汽车电池组热管理系统的关键技术 [J]．公路交通科技， 2005， 22(3):119-123． [4] 张舟云，徐国卿，沈祥林 ．用于电动汽车的电机和驱动器一体化冷 却系统 [J]．同济大学学报， 2005， 33(10):1367-1371． [5] 张敏 ．汽车散热器的设计及其发展 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