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原文传递燃料电池汽车热环境中换热部件及热管理系统性能研究

论文题名：	燃料电池汽车热环境中换热部件及热管理系统性能研究
关键词：	燃料电池汽车;热管理;换热器;流动传热;散热性能
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。
作者：	王婷
专业：	制冷及低温工程
导师：	谷波
授予学位：	博士
授予学位单位：	上海交通大学
学位年度：	2016
正文语种：	中文