1.緒論1.1選題背景與意義汽車領域，以鋰電池為能源的電動車技術基本成型，同樣從19世紀50年代后，燃料電池汽車開始得到發展，海外燃料電池市場也逐漸進入商用化階段：日韓、美國和歐洲相關技術迅速發展，基本性能的開發已經完成，核心技術問題也部分得到了解決，各自生產自家的燃料電池汽車，諸如：豐田Mirai、奔馳F-cellEQPower等。各國加快相關技術研究，加氫站建設也在逐漸增多（李天宇,張晨曦,2022)。而此時中國的燃料電池汽車技術大多還處于試驗發展階段，電池總成和相關控制模塊多采用進口，國內生產的相關零部件和總成規模小，且易出現各種問題，影響產品的質量。據了解，我國氫燃料電池汽車累計推廣應用超過2000輛，投入運行加氫站有12座，且在北上廣等地均開展了示范應用。發展核心技術，投入大規模生產任重而道遠(王欣怡,劉宇翔,2023)。[2]目前，關于傳統內燃機汽車、電動車的熱管理系統研究不少，針對車用燃料電池熱管理系統的研究部分，大多數燃料電池的熱管理系統均借鑒內燃機的熱管理設計，冷卻水通過電堆內流道后由發動機前艙散熱模塊進行散熱(陳雨澤,趙佳琪,2021)。1.2國內外熱管理系統研究現狀溫度是影響燃料電池性能最重要的因素之一，[3]PEMFC的運行溫度在60-80°C的時候能保持比較高的能量的轉換效率。一般的情況下在40%-60%u左右，高時能到60%。電堆運行時溫度比較低的時候，從這些故事中看出電池的阻抗會變大，極化較大，電堆性能下降，效率降兩側氣體通過交換膜直接接觸反應，容易造成如燃燒爆炸之類的嚴重的安全事故。因此為了保持適合的工作溫度，需要熱管理系統將電堆的廢熱排出(周節,黃亭和,2021)。而相比于內燃機，燃料電池電堆的運行環境更惡劣，散熱難度更大。2.燃料電池水熱管理系統燃料電池熱管理主要是對電堆溫度控制，有效利用和散發廢熱，保持電堆內熱平衡。低溫時電池內各種極化增強，歐姆阻抗較大，從這些描述中揭示電池性能惡化；溫度升高時，會降低歐姆阻抗，同時較少極化，利于提高電化學反應速率和質子在膜內傳遞速度，電池性能變好(楊浩然,高文博,2021)。通過燃料電池的溫度特性，可知如果要獲得較好的燃料電池輸出性能，需要將燃料電池電堆的工作溫度控制在一個安全穩定的范圍內，保證電堆的高效運轉。其中能看得本章針對電堆做產熱與散熱分析，提出熱管理系統的性能目標，為確定電堆的熱管理系統設計提供理論依據。在此基礎上通過前艙散熱模塊分布，計算冷卻流道內部對流換熱系數(劉辰,王樂婷,2021)。2.1燃料電池系統產熱分析燃料電池是由堆內氫氣氧氣氧化還原反應產生化學能，只考慮化學能轉化為電堆輸出的電能和產出的熱能，可以得出(趙晨輝,馬睿杰,2021)：通過熱管理系統需要達到散熱與產熱平衡：2.1.1電堆生成化學能由化學反應方程式：可知，單位時間內反應物消耗量由氫氣消耗速度，結合每摩爾氫氣反應的焓值?H（約為285.8kJ/mol），反應化學能為(單位時間內）：2.1.2電堆輸出功率電堆功率可由第二章內單電池模型計算得出：2.1.3尾氣散熱電堆反應后，部分余熱通過生成物帶出：2.1.4冷卻水散熱燃料電池電堆循環冷卻水散熱量為(李俊杰,張雅楠,2021)：2.2熱管理系統設計性能目標目前大功率電堆采用冷卻水循環系統，電堆熱平衡需要滿足的溫度如下：（1）確定最優工作溫度范圍：盡量使燃料電池穩定在最佳工作溫度，溫度控制在70°C~80°C范圍內，保證穩定、高效運行(許志鵬,吳雪萍,2021)。（2）勻化溫度水平：這從一個側面說明了電堆內部要求溫度均勻化，以保證其工作性能。本文為提高電堆內溫度分布均勻性，要求進出電堆冷卻水溫差小于10°C。，最好小于5°C。（3）控制溫度極限：電堆系統大部分部件都要求在某個溫度界限以下工作。若堆內局部溫度高于100°C時，膜會出現微孔，容易出現意外導致嚴重的安全事故，因此需要控制溫度極限(陸婉婷,黃昊然,2021)。（4）電堆冷啟動：電堆系統在某些極端低溫環境下輸出效率低，需要盡快依靠輔助加熱升至0°C以上，并達到70-80°C高效率輸出點為最佳。2.3燃料電池熱管理系統設計2.3.1前艙散熱模塊分布在設計燃料電池汽車時，需要考慮燃料電池電堆（FCS）和動力控制單元（PCU）的散熱器、空調冷凝器，風扇、等部件的分布。前艙空間狹小，在整車行駛過程中，氣流通過進氣格柵，在風扇的作用下流動后經由散熱器換熱。整個過程中熱管理系統各部件相互影響和干涉，前艙內散熱模塊的布置將直接影響整個熱管理系統的散熱性能(周宇,陳慧玲,2021)。GT-SUITE提供了GT-COOL工具，可以用來建立三維模型的發動機艙熱管理的進氣、冷卻液相關部件的流動系統，并且能夠被離散化，制成一維模型文件與GT-SUITE一同使用，這在一定角度上表達了它提供了在發動機艙的3D環境內構建模型的能力，用以解決其內部復雜的流動與傳熱分析。本文利用GT-COOL搭建前艙內部與液流和空氣流動相關的各部件模型，綜合考慮前艙內有限的三維空間大小和各部件相對位置，以及空氣側與液側流動時耦合的影響關系，從而決定散熱模塊的分布。由燃料電池汽車的熱管理系統結構，汽車前艙內部需布置電堆散熱器、動力系統控制單元的散熱器、冷凝器及散熱風扇(王詩,楊煜晨,2021)。可以看出，本研究特別強調跨學科的合作，引入了經濟學和社會學等相關領域的理論工具與分析框架，力求多維度地探討研究問題，進而充實和發展已有理論體系。基于研究發現的深刻理解，本文提出了實用性的政策建議或實踐指南，期望對行業發展、決策過程以及后續研究提供有益的影響。本文燃料電池汽車前艙的散熱模塊布置如圖2.1和2.2所示。現有結果足以支持我們推出一般來說，當汽車高負荷運轉時，燃料電池電堆的散熱需求要大于傳統內燃機的散熱需求，并且在此狀況下，電堆的冷卻水溫度比內燃機要低，這就造成了電堆冷卻水與外界環境溫差較小，散熱環境惡劣，所以在進行前艙散熱模塊布置時，優先考慮電堆散熱器(張思源,李博文,2021)。一般可以通過提高換熱介質之間溫差大小和增大換熱面積來提高熱管理系統的換熱能力，直接增大散熱器面積并不現實，因為發動機艙的空間大小十分有限，故通過翅片結構增大換熱面積以滿足電堆高功率的散熱需求。另外，這在一定層面上證實了將電堆散熱器布置在最前端，使電堆的換熱器直接與環境溫度下的冷卻空氣換熱，利于電堆散熱。空調冷凝器的換熱需求量小于電堆散熱器，但由于其內部冷卻劑R134a與環境換熱溫差大，故將其布置在FCS散熱器后端，環境溫度下的冷空氣通過FCS換熱器換熱后溫度上升，但仍與冷凝器的冷卻劑溫度有較大溫差，仍能夠與冷凝器較好的換熱(黃瑜,馬悅琳,2021)。而PCU散熱量也相對電堆而言較小，同理將其布置于FCS散熱器之后。除上述三個熱源之外，從這些故事中看出蓄電池也會在車輛行駛過程中釋放熱量，但由于其發熱量相對其他熱源小得多，同時也是考慮布置空間問題，不再增設散熱器結構，在電池溫度較高時，采用空調回路制冷，給蓄電池換熱，足以滿足蓄電池散熱需求。最后，兩個冷卻風扇布置于整體散熱模塊之后，考慮到進風均勻性和保持散熱模塊內部溫度的均勻性，將兩風扇結構分別呈對角線布置于冷凝器與PCU散熱器之后(趙雅慧,劉弘宇,2021)。前艙散熱模塊的分布狀況對電堆散熱有直接的影響，確定了FCS散熱器的分布情況，可作為車用工況下仿真時電堆系統在前艙散熱的邊界條件。圖2.1前艙散熱模塊布置圖2.2前艙散熱模塊后視圖2.3.2冷卻流道內部對流換熱燃料電池電堆由多個單片電池組裝而成，單電池之間布置冷卻流道，在膜電極上產生的熱量即通過碳板和反應氣體傳至冷卻流道，經由水道內部循環冷卻水帶出。從這些描述中揭示在建立熱管理模型之前，需確定冷卻流道內部對流換熱系數相對大小(李佳怡,王旭東,2021)。其中能看得循環冷卻水屬于管道內部對流換熱，其流體側對流換熱系數計算：式中，為冷流流道的管道內部努塞爾數；為流體導熱系數，經查詢水的熱物性參數表，可知水在70°C，1Mpa壓強的條件下熱導率約為0.67W/（m·K）；為管道當量直徑（m）。使用Petukhov公式計算努塞爾數Nu：式中，為雷諾數；為普朗特數；為管內摩擦系數。管內湍流流動的達西阻力系數(陳和,孫藝璇,2021)：雷諾數的計算：式中，為管道內循環水平均流速（m/s），不超過經濟流速2.5m/s；為管道的當量直徑（m）；????為介質運動粘度（m2/s），經查水的物理參數表，可知70°C時水的運動粘度為4.06×10-5m2/s。湍流流動????范圍為2300～106。管道當量直徑式中，為管道長（m）；為管道寬（m）。因為模型內冷卻流道采用圓管，管道直徑即為當量直徑大小。普朗特數Pr大小(鄭子韜,周慧琳,2021)：式中，為熱擴散系數（m2/s）；為水的熱導率（m·K）；為介質比熱容（kJ/kg·K），經查水的熱物性參數表，可知70°C水的比熱容為4.187×103kJ/kg·K。湍流流動????范圍為0.6～105。計算得出水與管壁對流換熱系數最大可達3000W/（m2·K），平均值大小約為1500W/（m2·K）。水的強制對流換熱系數?一般在1000～15000范圍內，因此計算值在合理范圍之內(劉佳慧,王一鳴,2021)。2.3.3電堆的熱管理系統結構這在一定層面上傳遞了燃料電池汽車熱管理系統與傳統內燃機車相似，汽車負載工作時電堆產生熱量，散熱回路主要由電堆、散熱器、風扇、水泵，補水箱組成，此外，加入三通管與三通閥控制冷卻回路的大小循環，調整進入散熱模塊的冷卻水流量大小。最后，為應對車用工況低溫環境條件下電堆的使用需求，加入PTC輔助加熱設備。整個系統控制采用各類傳感器及Simulink控制模塊進行。電堆熱管理系統結構如圖2.3所示(吳思雨,張語嫣,2021)。雖然本文對這部分的研究結論還未徹底展開，但已有成果顯示出一定的指導作用。初步研究結果為理解該領域帶來了新的觀點和見解，幫助識別重要變量及其相互關系，為進一步探索奠定了穩固的基礎。此外，這些研究成果揭示了一些潛在的趨勢和模式，可以為理論發展提供實證支持，并促進更多的學術探討與爭鳴。這在一定層面上揭示熱管理系統工作時循環水泵持續工作，冷卻水將電堆電化學反應產生的熱量帶出，經管路流動至前艙散熱模塊，由電堆入口的溫度傳感器輸出溫度信號，控制散熱模塊內風扇轉速，當電堆入口水溫較低時，風扇不工作，當水溫超過入口水溫設定的限值，現有結果足以支持我們推出散熱風扇開始工作，增大前艙進風量強制空氣與散熱器扁管壁對流換熱，從而降低散熱器出口水溫，即電堆的入口水溫大小。增設三通閥與三通管的必要性主要體現在(孫佳琪,李月怡,2021)：三通閥形成冷卻水路不經過散熱器的小循環回路，水流在車輛停止運行至再啟動過程中對電堆有一定保溫效果，這在某些低溫環境啟動的工況中可以減少散熱，一定程度減少短時間停車再啟動時加熱電堆所需電能。（2）若無三通閥與三通管，單一冷卻水回路水泵工作時冷卻水必定會經過散熱器，在電堆還未到達入口水溫設定的目標值，散熱器也會因為扁管壁換熱和車輛行駛前艙的進風量產生一定換熱效果，阻礙了電堆加熱至高效率輸出工作點的升溫過程(黃晨宇,趙佳欣,2021)。圖2.3燃料電池熱管理系統結構從這些故事中看出在本文所采用的燃料電池熱管理系統結構中，增加的三通閥與三通管將單一冷卻水路分為大小循環兩個部分，利用閥門開閉信號進行回路開關控制。因為燃料電池電堆的出口水溫通常近似等于或者略低于電堆內部平均，選取出口水溫信號來調節三通閥的開閉(楊穎博,王宏宇,2021)。當出口冷卻水溫小于75°C控制三通閥將散熱回路關閉，冷卻水不經過散熱器只通過水泵工作進行小循環，使得電堆在未達到高效率工作點時保證了其迅速升溫的能力，提高了整個電堆系統的效率。當電堆的出口冷卻水溫度上升至70°C，從這些描述中揭示控制三通閥打開散熱器回路，此時冷卻水不再經過小循環，開始在車輛的前艙散熱模塊與空氣強制對流換熱，幫助電堆降低溫度。但選取某一固定溫度作為閥門開閉的依據會造成閥門頻繁開閉的問題，這里運用延遲控制選取65°C作為閥門關閉時的下限閾值(王梓浩,王子杰,2021),。該結論與葛飛合教授的研究結果相符，無論是設計流程還是最終分析都表現出了高度的一致性。在設計過程中應用了系統性的方法，確保了概念形成到實施方案的每一步都有可靠的依據。本研究重視理論架構的構建，不僅為設計選擇提供了強有力的理論支持，還促進了對相關因素之間復雜互動的理解。同時，本研究強調跨領域合作，通過結合各領域的專業見解增強了方案的廣度和新穎性，使研究團隊能快速適應新的問題，并靈活調整策略。即當電堆的出口水溫高于75°C時打開三通閥大循環支路，電堆開始降溫，當出口水溫低于75°C時閥門的開閉仍維持之前狀態，直至電堆出口水溫降低至65°以下，關閉散熱支路，繼續使用小循環維持電堆溫度，其中能看得反復至下一個循環。這樣就能始終保證電堆不會超過溫度上限，也能維持在較高效率的功率輸出點工作。針對由6節10kW的FE-1080S電池（40-68V）串聯而成的大功率電堆，本文通過GT-Suite平臺搭建的車用燃料電池熱管理系統模型如圖2.4所示(李思齊,黃俊凱,2021)。圖2.4整車燃料電池熱管理系統GT模型2.4熱管理系統控制策略第二章提到，車用燃料電池電堆熱管理系統的性能設計目標，散熱需求方面，使電堆平均溫度維持在70°C～80°C范圍內，保持電堆平穩、高效運行，并且保證電堆內溫度分布均勻性。具體體現在：控制電堆入口水溫在70°C；進出口水溫在5°C之內。整個電堆熱管理系統具有強耦合、滯后性的特點，由冷卻水泵與散熱器風扇控制共同作用，這從一個側面說明了保證PEMFC的溫度維持在控制目標之內。控制電堆進口水溫在70°C為一定值，進出口水溫需要控制在5°C范圍內，傳統溫控策略采用雙PID控制，如圖2.5所示（李天宇,張晨曦,2022).圖2.5傳統PEMFC熱管理系統控制策略圖中，Tin為電堆入口水溫；Tout為電堆出口水溫；ΔT為進出口溫差大小；Tset為入口溫度的設定值大小，為70°C；ΔTset為進出口溫差的目標值，為5°C。這在一定角度上表達了由PID控制輸出循環水泵與散熱風扇的轉速大小信號。傳統溫控策略中，由于電堆進出口溫差是入口水溫與出口水溫的差值，溫差控制目標與入口水溫控制目標之間存在強耦合關系(王欣怡,劉宇翔,2023)。在此情況下，用兩個PID控制器分別控制循環水泵與散熱風扇的轉速，會導致控制目標入口水溫和進出口溫差的控制超調量疊加，波動增大，延長了兩個PID控制器的控制調節時間。再加上PEMFC熱管理系統本身具有較強滯后性的影響，所以傳統溫控策略最終的控制結果并不理想(陳雨澤,趙佳琪,2021)。本文針對傳統熱管理溫控策略采用雙PID控制存在的問題，考慮循環水泵與散熱風扇的耦合影響關系，現有結果足以支持我們推出雙PID時要達成兩個控制目標較為困難，這里提出一種循環水泵非PID的單獨控制策略，改進熱管理系統的溫度控制策略如圖2.6所示。在改進后的溫控策略中，散熱器風扇仍采用PID控制，維持電堆入口水溫在70°C，另一方面，為避免水泵采用PID控制造成超調量波動較大調節時間長的問題，這在一定層面上證實了選用溫差作為調節水泵轉速的依據(李飛,孫思琪,2021)，初始轉速設定為500RPM，由第三章匹配計算結果得知在電堆60kW散熱極限溫差5°C狀態下的水泵轉速設定為3000RPM，所以控制設定在初始轉速的基礎上，每上升1°C溫差，水泵轉速提升500轉，從這些故事中看出即采用電堆進出口溫差與系數500的乘積大小，來調整循環水泵轉速大小，水泵最大轉速達3000RPM時，也可以滿足維持電堆進出口水溫在5°C內的散熱需求(周節,黃亭和,2021)。圖2.6本文所用PEMFC熱管理系統控制策略其中能看得電堆超過極限溫度會造成質子交換膜穿孔甚至破裂，除需要滿足散熱需求外，車輛長時間在某些極端低溫工況下行駛同樣會影響電堆壽命。在我國北方地區，有時冬季氣溫會降低至-20°C甚至更低(楊浩然,高文博,2021)。因此，有必要在熱管理系統小循環回路附加輔助散熱器PTC，滿足電堆在低溫工況下的加熱需求，依靠車載動力蓄電池輸出功率輔助加熱使電堆盡快上升至0°C以上，并達到70°～80°C最佳輸出工作點。旨在增強研究發現的穩定性和可信度，本文通過搜集并評估國內外相關領域的傳統與新興文獻建立了扎實的研究背景。此舉不僅明確了本研究對學術界的獨特貢獻，還確保了本文在深入了解已有研究成果的基礎上開展工作。本文參考了多類原始數據和二手信息資源，例如相關論文和政府公告，選擇標準包括資料的權威性、及時性和典型性，以確保對研究主題進行全面且真實的描繪。2.5本章小結本章先對電堆做了產熱與散熱分析，提出了本文熱管理系統設計的性能目標。分析電堆散熱器在車輛前艙散熱模塊中的分布狀況，并計算了電堆冷板對流換熱系數，用于確定GT模型中冷卻流道的對流換熱狀態。著重介紹了本文所設計的電堆熱管理回路，這從一個側面說明了針對熱管理系統內部強耦合、大滯后的特點，對傳統雙PID控制策略存在的問題進行改進，并且增設了PTC輔助加熱器與相關控制使車輛滿足在低溫工況下的行駛條件，這在一定層面上揭示用于測試在低溫工況下電堆溫升狀態(劉辰,王樂婷,2021)。3.熱管理系統各部件參數匹配3.1熱管理系統各部件參數匹配3.3.1散熱器氣-液熱交換器中，熱流體中熱量通過散熱器的金屬管壁傳導至冷流體一側，通過冷流體壁面與冷媒（空氣）進行熱交換，從而將熱量帶走。冷流體壁面通過增加翅片以增大換熱器傳熱面積，現有結果足以支持我們推出增強換熱能力。在建立散熱器模塊時，可以通過性能需求，計算模塊相關結構參數，如圖3.1所示：圖3.1散熱器扁管、翅片、百葉窗結構參數這在一定層面上證實了現取用額定功率60kW車用燃料電池電堆，已知額定輸出效率為50%，可知電堆發熱功率約為60kW。根據熱平衡，=??=60kW。由熱管理系統設計性能目標，設定散熱器（液側）入口水溫tw,in=75°C，出口水溫tw,out=70°C，可以計算出系統循環冷卻水流量，如下式(趙晨輝,馬睿杰,2021)：式中，為冷卻水體積流量（L/s），為水的密度（kg/L）,為水的比熱容，取值4.2（kJ/kg°C）。由計算得：當熱交換器液側管內冷卻水流速超過1m/s時，會出現較大的流阻損失，因此選用=1m/s流速計算散熱管數量：式中，為扁管單流道截面的長（mm），為流道截面寬（mm）。本文選用管單流道截面為14×2.5（mm2）,壁厚0.15（mm）。考慮前艙空間大小，散熱器采用單管三流道設計，分四層散熱芯，n≈273，每層扁管數為69，且采用單通道設計，避免占用較大空間(李俊杰,張雅楠,2021)。從這些故事中看出空氣側考慮環境溫度較高情況下的散熱，散熱器進風前取40°C，從這些描述中揭示平均溫升15°C，取5°C安全余量，出口風溫60°C，空氣流量為(許志鵬,吳雪萍,2021)：式中，風量大小與???????空氣流速（m/s）均受車速與風機轉速耦合影響，一般小型車輛進風風速在6～12m/s，這里取=6m/s；則：這確切表明了情況結合液側散熱水管分布，散熱器芯部尺寸選用750mm×520mm。本文選用換熱器翅片材料為鋁，長度10（mm），截距1.9（mm），高度為8（mm），厚度為0.06（mm），有散熱表面積近似等于翅片表面積(陸婉婷,黃昊然,2021)：在480～2300間，百葉窗傾角可選范圍10°～35°，同時考慮減小進風阻力和增大翅片傳熱系數，選用傾角大小為30°，間距1.6mm。3.3.2風扇選取（1）風壓風壓大小表征風扇能將空氣吹動距離的大小，因散熱器氣側有眾多翅片結構，翅片間隙小，這在一定層面上傳遞了會降低散熱效果，所以為達到理想散熱效果，必須保證足夠的風壓(周宇,陳慧玲,2021)。該部分內容的創作靈感來源于章和寧教授關于該主題的研究，重點表現在思維模式和技術手段上。在思維方式上，本文遵循了章教授推崇的系統化和邏輯嚴謹性的原則。通過細致探討研究對象的內在構造和運作原理，本研究不僅應用了章教授提倡的多層次、多角度分析方法，還將這些理念具體實施到實踐中，以保證研究結論的廣泛覆蓋和準確性。在方法選擇上，本文采用了章教授建議的定量與定性融合的方式，為研究提供了可靠的數據支持和理論指導。風壓為靜壓與動壓之和，靜壓是指風扇不轉動時空氣不規則運動撞擊壁面產生的壓力，計算時以絕對真空為零點計算的靜壓稱為絕對靜壓；動壓是指空氣流動時產生的壓力。這從一個側面說明了氣體流動過程中，靜壓與動壓可以相互轉換，兩者之和即為全壓（風壓大小），也是風扇出口截面的總壓與進口截面總壓差值大小，可以表示單位氣體的總能量(王詩,楊煜晨,2021)。全壓及動壓計算：式中，為靜壓大小，為空氣密度（kg/m3），為風速大小（m/s）。性能曲線選擇風扇這在一定層面上揭示散熱風扇的設計首先需要測量風量和風壓之間的關系，測量氣流特性一般比較困難，目前有兩種方法可以測量靜壓和風量，這在一定角度上表達了一種用于風洞試驗，另一種用于雙箱模式，風量和靜壓可以由雙箱模式測量，雙箱可變排氣系統抽取空氣以調節空氣密度，打開噴嘴會導致風量瞬間變化，現有結果足以支持我們推出然后讀取儀表上各個靜壓大小，得出風扇特性曲線(張思源,李博文,2021)。3.3.3循環水泵水泵相似性能換算與風扇的風量、壓力、功率類似，對于兩臺液流狀態相同的水泵，葉輪直徑不變時，改變轉速，流量、揚程功率同樣適用于相似定律。兩相似水泵的??與葉輪直徑的三次方和轉速的一次方成正比；揚程與直徑的平方和轉速平方成正比(黃瑜,馬悅琳,2021)；功率與直徑的五次方和轉速的三次方成正比。（3）水泵主要參數選定泵的主要參數由流量、揚程、功率以及效率，這些參數都與水泵的具體結構尺寸有關，包括葉輪直徑大小、彎曲程度等。PEMFC熱管理系統的大部分熱量中由冷卻水循環帶走，所以首先要確定循環水泵的出水量大小。通過散熱器的匹配選型已知冷卻水的流量大小Vwater=0.00286（m3/s），有公式(趙雅慧,劉弘宇,2021)：式中，為水泵的泄流量（m3/s）。冷卻水泄流量決定水泵容積效率，從而影響出水量大小。所以在計算出水量前需要先確定水泵的泄流量q：式中，為水泵密封環間隙平均直徑（m），這里取0.0029m；為密封環間隙寬度（m），這里取0.004mm；為密封環間隙環流過的面積（m2）。熱管理系統在車用工況下的仿真研究要滿足熱管理系統的車用工況條件，需要搭建電-電混合燃料電池汽車整車模型，并根據能量流動途徑制定能量管理策略，適用于熱管理系統在全工況下仿真(李佳怡,王旭東,2021)。燃料電池汽車在實際運行過程中的工況復雜多變，國內地區某些區域夏天極端高溫可達40°C以上，冬季極端低溫低至-20°C以下，車輛在這兩種極端溫度工況下運行，仍要保證電堆在合理，安全(陳和,孫藝璇,2021)，甚至高效的溫度范圍內工作是一件并不容易的事情。該部分內容的創新之處在于其獨特的視角選擇，特別反映在對研究問題的新穎切入方式上。本研究跳出了傳統研究視角的局限，從更廣泛和具體的角度出發，既考慮全局走向又關注個體差異，為解釋復雜現象提供了新穎的思路。這種雙重視角不僅深化了對研究對象內在運作機制的認知，也為應對現實挑戰提出了更具針對性的策略。這在一定層面上證實了本章將選取三種工況，即極端高溫工況、極端低溫工況和常溫下普通NEDC工況，對上文所搭建燃料電池熱管理系統模型進行仿真和性能驗證，使該系統滿足高低溫、常溫各種狀態下的熱管理需求。并在仿真研究過程中適當調整模型和優化控制策略，從這些故事中看出使之更好地滿足控制性能目標。4.1整車能量管理策略建模要驗證熱管理系統在整車工況下的性能，需要搭建整車模型并確定車輛在工況下行駛過程中的能量流動途徑。從這些描述中揭示燃料電池存在負載快速變化時動態行為滯后的問題，其動態性能較差，另一方面，這確切表明了情況電堆在整車行駛過程中無法進行制動能量回收，且具有在某些低功率工況下有電堆輸出效率低的缺點，因此目前燃料電池汽車一般都會采用動力電池作為整車第二動力源，滿足制動能量回收及某些電堆低效率時輸出的要求。本文選用電堆及動力蓄電池參數如表4.1所示。表4.1所選電堆及動力電池參數表燃料電池汽車有電堆和動力電池兩個動力源，在復雜多變的工況下，頻繁啟停變速，由驅動電機為整車提供動力，這在一定層面上傳遞了驅動車輛行駛。燃料電池電堆和動力電池為驅動電機提供能量，整車行駛能根據工況以不同工作模式運行，不同工作模式能量流動方向不同，這從一個側面說明了因此有必要考慮整車能量流動途徑，作為能量管理策略的基礎(鄭子韜,周慧琳,2021)。汽車在怠速啟停過程中功率需求低，此時不宜開啟電堆供電。本文選用10kW作為純電動驅動與電堆驅動臨界值；這在一定層面上揭示電堆維持60kW工作輸出效率高，超出60kW的功率需求時蓄電池作為輔助電源一同供電。動力電池SOC閾值選取30%與70%，在荷電狀態處于0.3～0.7范圍內，蓄電池可以正常供電，低于0.3下限范圍，電堆單獨給電機提供電能并且提供額外功率為動力電池充電。具體能量管理策略如下所示(劉佳慧,王一鳴,2021)。表4.2整車能量管理策略現有結果足以支持我們推出根據整車工作模式確定了車輛在行駛過程中的能量管理策略，并結合此控制，在GT-Suite平臺搭建行駛工況下的整車模型如圖4.1所示。圖4.1整車模型由于所選動力蓄電池容量較大，現選定蓄電池初始狀態SOC值為0.4，采用NEDC工況仿真5個循環以上，這在一定層面上證實了仿真時間選定6000s，觀察仿真結果。由整車工況需求，即電機需求功率，如圖4.2所示，對比行車過程中動力電池和燃料電池功率分配狀況，如圖4.3所示，從這些故事中看出可知當整車功率需求小于10kW時，車輛由純電動驅動，大于10kW時由燃料電池電堆單獨驅動(劉秋婷,周昕悅,2021)。圖4.2NEDC工況下電機需求功率圖4.3動力電池與燃料電池功率分配狀況觀察動力電池SOC變化情況，發現其荷電狀態由初始的0.4，在整車行駛近3個NEDC循環后，這確切表明了情況下降至SOC下限閾值，之后整車由燃料電池電堆給電機供電，并將多余電量用于蓄電池充電，使動力電池SOC充至上限0.7后停止，電池SOC值始終維持在0.3至0.7工作區間內，保證了整車在其他復雜工況大功率運行的需求。由此可見，其中能看得整車模型在NEDC工況中低功率輸出的情況下，能夠很好的體現出車輛純電動模式、電堆單獨驅動及充電模式的能量管理策略要求。該整車模型為下文燃料電池熱管理系統的搭建和仿真提供了較好的整車環境，滿足了驗證熱管理系統性能的車用條件(陳浩宇,王思博,2021)。圖4.4動力電池SOC變化4.2極端高溫爬坡工況下仿真研究要驗證車用燃料電池熱管理模型在各工況下的性能表現，首先考慮極端高溫工況，環境溫度為40°C的初始條件。這在某種程度上確認了高溫工況電堆溫度高，散熱條件惡劣，若所設計熱管理溫控系統能滿足整車高溫工況下的散熱需求，在常溫工況下也應該有較好表現。為保證電堆輸出功率達到最大值，需要設定加速工況與坡度大小增大電機的功率需求。設定極端高溫爬坡工況如下圖4.5所示：該工況單個循環共1560s，這在一定層面上揭示依次包括(林思哲,楊俊杰,2021)：車速變化-0～10s的怠速狀態，車速為0km/h；10～40s的加速狀態，車速0～50km/h；40～500s的勻速狀態，車速50km/h；500～530s的加速狀態，車速50～90km/h；530～1000s的勻速狀態，車速90km/h；1000～1030的加速狀態，車速90～120km/h；1030～1500s的勻速狀態，車速120km/h；1500～1560s的減速狀態，車速120～0km/h。其中設定坡度大小-分別為4%、6%，12%和20%。圖4.5設定極端高溫爬坡工況燃料電池汽車按照設定的極端高溫爬坡工況運行，驅動電機所需牽引功率如圖4.6所示。這在一定角度上表達了由圖可知(王家偉,邱慧敏,2021)，整個工況下存在驅動電機功率超過60kW的情況，可用于驗證整車能量分配策略中電堆與動力電池混合驅動的工作模式。并且電堆輸出功率達到最大值60kW，現有結果足以支持我們推出可用于檢驗電堆在高溫大功率放電下熱管理系統的散熱性能。圖4.6極端高溫爬坡工況下電機功率現設定初始環境溫度為40°C，極端高溫爬坡工況如上，整車運行兩個工況循環，若初始SOC設定值低，這在一定層面上證實了依據整車能量管理策略，電堆功率除滿足整車行駛需求外，剩余電量供蓄電池充電，電堆始終維持在60kW最大值輸出。而蓄電池因電量不足無法供能，從這些故事中看出在整車極端高溫工況下超過60kW時難以滿足電機功率需求，燃料電池汽車會難以維持上述工況的運行(李晨曦,胡曉波,2021)。本研究的結果與之前的預測相符，這在一定程度上反映了研究路徑的正確性。首先，這種一致性表明了初期設定的研究目標和假設是有穩固基礎的。通過對相關理論文獻的廣泛探討和已有研究的綜合分析，本文的預測建立在一個邏輯嚴密、證據充分的基礎上，而最終結果與預期一致，強化了這些研究工作的有效性。該結果的一致性還證明了本文采用的方法和技術是合適且有效的。在研究中，本文遵循嚴格的學術規范，使用多種驗證手段以確保結論的精確性。因此現將動力電池初始SOC值設定為1，滿足整車高功率下的極端功率需求，行駛時燃料電池的產熱功率如圖4.7所示。圖5.7電堆產熱功率電堆進出口水溫信號與閥門開閉狀態信號傳至Simulink控制模塊，作為水泵轉速控制依據；從這些故事中看出電堆入口水溫信號作為散熱器風扇轉速控制的判斷條件。具體控制策略如表4.3所示(趙和,范佳慧,2021)。表4.3電堆熱管理系統控制策略從這些描述中揭示由此控制策略進行燃料電池汽車在極端高溫爬坡工況下的仿真，其電堆溫度、進出口水溫結果如圖4.8所示。圖4.8極端高溫爬坡工況下電堆及進出口水溫保持用電堆出口水溫作為三通閥開閉狀態控制信號不變，這確切表明了情況引入隨溫度變化的三通閥開度(何博文,張夢婷,2021)。即由溫度傳感器將電堆出口水溫傳遞至三通閥，其中能看得不同溫度對應閥門的不同開度大小，避免系統支路瞬間開閉導致電堆入口水溫驟變的情況。三通閥開度與溫度對應關系如圖4.9所示，這里的開度變化率近似傳統車中的節溫器，靠近全開閉狀態時開度變化速率低，這在某種程度上確認了中間部分變化速率大，對電堆出口水溫更為敏感(王浩然,楊雪麗,2021)。圖4.9三通閥開度與出口水溫對應關系4.3極端低溫工況下的仿真研究堆性能影響極大，這在一定層面上揭示我國北方地區，冬季時氣溫會下降至-20°C甚至更低，在這樣的極端低溫工況下燃料電池不僅輸出效率極低，且存在啟動困難等問題，電堆長期處在低溫條件下放電也會嚴重影響電堆壽命。這在一定角度上表達了本章選取的第二種仿真工況為極端低溫工況，用于研究電堆在低溫環境下由輔助加熱的溫度表現。實際過程中，燃料電池汽車在低溫冷啟動時(張亭合,劉妍妍,2021)，蓄電池先給PTC提供能量給自身加熱。而本文僅考慮低溫工況下蓄電池給PTC供能給電堆加熱的過程，設定加熱的環境溫度下限閾值為10°C，現有結果足以支持我們推出并采用延遲控制滿足燃料電池入口水溫低于60°C時開啟PTC加熱，電堆溫度高于70°C時關閉輔助加熱，維持電堆溫度在70°～80°C范圍內波動。為應對電堆加熱時大遲滯現象，水溫的改變總是慢于電堆溫度的改變，這在一定層面上證實了選用入口水溫作為開啟PTC加熱條件，電堆溫度作為PTC終止加熱條件。具體判斷條件如表4.4所示。表4.4PTC加熱控制判斷條件從這些故事中看出采用第四章所設計整車能量管理策略，并增設當電堆溫度>0°C再啟動整車運行仿真工況的判斷控制條件(陳偉杰,王瑾萱,2021)。具體仿真加熱表現如圖4.10所示。圖4.10極端低溫NEDC工況下電堆溫度表現由圖可知，電堆在0°C以下未啟動，在514s加熱至0°C以上車輛開始運行仿真工況。2000s時電堆平均溫度到達60°C左右，之后由PTC開閉控制維持電堆溫度在60～70°C范圍內波動，從這些描述中揭示保證電堆在高效率點工作。由仿真結果可知，通過輔助加熱手段可以實現電堆在極端低溫工況下啟動進行工作的目標，但加熱至0°C以上需514s，2000s到達較高效率輸出點，仍說明燃料電池汽車在國內某些極低溫工況下下冷啟動困難，條件惡劣(趙宇豪,許婉,2021)。這確切表明了情況一般需要較長預熱時間，啟動后短時間內較難達到電堆最佳工作點。4.4常溫NEDC仿真研究車輛仿真的初始條件，環境溫度為25°C，保證常溫運行，因為NEDC工況整車驅動電機的需求功率不大，電堆的發熱量小，所以仿真循環5個NEDC工況以上，仿真時間6000s，，另外，蓄電池初始SOC設置為0.4，可以使蓄電池供電不足時，由燃料電池負擔功率需求并給動力電池充電，達到電堆快速溫升的條件，便于觀察電堆在NEDC工況中的溫控狀態，電堆溫度及進出口水溫的具體表現如圖5.11所示。圖5.11常溫NEDC工況下電堆溫度及進出口水溫表現由仿真結果可知，前三個NEDC循環中，其中能看得電堆產熱量較小，在電堆溫度未達到70°C熱管理結構采用小循環保證電堆溫升，燃料電池溫度和進出口水溫一致(吳俊杰,林婷怡,2021)。三個循環后，動力電池由于初始SOC值低所以耗電量達到下限值停止供電，由電堆滿足驅動電機的需求功率并將多余電量給蓄電池充電，此時電堆輸出功率達到最大值，電堆迅速溫升，這在一定層面上傳遞了達到開啟散熱支路的溫度限值后，由散熱模塊幫助散熱，控制電堆溫度維持在目標范圍內。圖5.12為電堆熱管理系統水泵轉速和體積流量的表現狀況，冷卻回路采用小循環時，水泵維持最低轉速500RPM，當電堆輸出功率大進出口水溫溫差較大時，控制水泵轉速迅速升高，維持進出口水溫溫差在目標值5°C之內，因電堆充電時溫升較快，水泵轉速有“上沖”現象，這在某種程度上確認了一瞬間轉速到達最高值3000RPM，之后降至2600RPM左右，以滿足溫控需求(許天翔,鄭曉晴,2021)。之后維持整車在NEDC工況下的電堆溫控需求，水泵處于較低負荷狀態，有較小波動。圖5.12常溫NEDC工況下水泵的轉速和流量狀況圖5.13為前艙散熱模塊風扇與進風量的表現狀況，當電堆迅速升溫，進口水溫上升超過目標溫度70°C，導致風扇轉速有較大波動，這從一個側面說明了與車速耦合作用增大進風量控制電堆入口水溫維持在目標值，后電堆溫度趨于穩定，所以入口水溫波動值較小，風扇轉速的波動也逐漸減小(劉志強,孫玲玲,2021)。圖5.13常溫NEDC工況下風扇轉速與前艙進風量狀況5.結論燃料電池汽車是解決能源危機和環境污染大前提下電動車應用的最終解決方案，而整車在運行過程中，質子交換膜燃料電池雖然能保持較高的能量轉換效率，隨之也帶來了極大的生熱量。這在一定層面上揭示電堆溫度過高，會損壞質子交換膜，另一方面，環境溫度過低，也會造成電堆啟動困難，降低電池壽命，電堆溫度對燃料電池汽車的工作會造成極大的影響。為此，本文從電池單體機理和結構出發，通過實驗研究電堆溫度特性。對電堆熱管理系統展開研究，主要根據電堆功率大小匹配計算了熱管理系統的各部件參數，設計搭建了一套能滿足各工況溫控性能需求的熱管理系統回路。并針對該結構回路，這在一定角度上表達了適當改進控制策略，驗證了其性能表現。根據所搭建的車用燃料電池的熱管理系統模型，研究整車在極端高溫爬坡工況、極端低溫工況以及常溫NEDC工況下熱管理系統的適用性，引入三通閥開度與溫度對應關系，與傳統控制策略比較，驗證了改進后水泵與風扇控制策略使系統有更好的性能表現。對于極端低溫工況溫控系統能一定程度上滿足加熱需求，電堆溫度與進出口水溫能夠控制在在目標范圍之內，各個散熱部件在常溫工況下運行狀態也較為穩定。綜上，通過選型匹配，搭建模型，改進控制策略，系統在各個工況下的仿真表現，驗