摘要：本研究以我国自主研发的某款燃料电池轿车为例，设计与优化了燃料电池轿车热管理系统。提出了基于控制器局域网(CAN)的燃料电池主散热风扇控制策略，并进行了热管理系统的重新匹配与仿真验证。结果表明该系统达到了燃料电池功率由48kW提升至55kW的要求。
0 引言
我国燃料电池轿车的设计目前处于起步阶段，在燃料电池动力系统（Fuel Cell Engine，FCE）热管理方面尚无较强的理论研究基础，数据积累较少。
传统内燃机的散热，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％通过散热器散出。而极限工况下燃料电池动力系统FCE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，而燃料电池动力系统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。在传统汽车的设计开发中，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、电机及动力控制模块（Power Control Unit，PCU）散热器的散热冲突问题，使之能够协调工作。本研究针对我国国内某款自主品牌燃料电池汽车的热管理系统进行设计与优化，力求满足整车性能优化，即满足燃料电池功率从48kW提升至55kW的需求。
1 目的和要求
1.1 设计目标
根据需求，设计目标及工作内容为1）建立包含水冷管理系统在内的关键部件性能测试功能，同时具备动力系统联合调试功能的综合性能试验台；2）完成满足整车运行工况的热管理控制策略设计、优化、匹配和评价技术研究；3）完成燃料电池汽车用DC/DC、DC/AC逆变器和电机等部件的冷却系统的设计研制；4）完成热环境条件下热管理系统在整车条件下的实验及性能分析。
1.2 设计要求
设计总体要求为1）系统散热功率小于63kW；2）系统冷却液工作压力2bar；3）所有部件冷却水入口与出口管径均与给定的管接头尺寸相同；4）被冷却部件FCE入口温度不超过55°C。FCE的55kW功率，大约62%通过散热器，加上空调产生的热量，整个散热系统的散热功率定为63kW。FCE冷却系统采用主散热器加辅助散热器形式：主散热器安装于PCU散热器之前，和PCU散热器共用1组电子风扇；辅助散热器安装于左侧，单独使用1个电子风扇。散热器参数如表1所示。最大工况下散热器冷却水入口温度65°C，出口温度不高于55°C。
表1 PCE散热器散热性能参数
FCE主散热器、空调一级冷凝器以及PCU散热器共用2个风扇，风扇至于散热器之后，吸风轴流式；风扇功率为800×2W，安装尺寸不大于730×480mm；FCE副散热器独立使用一个风扇，吸风轴流式，功率为300W。风扇安装示意图如图1所示。
图1 PCE散热器散热性能参数
空调带有2个冷凝器，称为一级冷凝器和二级冷凝器。二级冷凝器散热风扇控制方案是由空调控制器或整车控制器（VehicleManagementSystem，VMS）根据制冷剂压力传感器信号来控制二级冷凝器散热风扇。风扇额定电压为12V，额定功率为300W，最高转速为3400r·min-1。两挡转速控制，控制信号为继电器信号。
冷却水泵在FCE额定功率下流量不小于120L·min-1，压头8bar。膨胀水箱的材料为316L不锈钢，其容积为2.5L，与动力控制单元及电机冷却系统冷却水箱布置在一起（图2）。上液面处于冷却系统最高点，底液面与水泵的进口直接相通，膨胀水箱盖采用承压式压力盖。
图2 PCE散热器散热性能参数
水管的工作要求为1）所有管子材料选用三元乙丙橡胶EPDM；2）管子工作环境温度为80°C；3）管内介质为去离子水，水温为-20～130°C；4）工作时绝对压力为3.5bar；5）管内表面不得有缺陷或表面粗糙。
整个软管区段不允许存在气泡和杂质，针织层不允许有缺陷，软管不允许有缺陷点、光亮点、脱模剂、橡胶微粒、灰膜及晶体析出。具有完好的联接，同时材料不允许发出刺激性气体。
2 燃料电池散热方案设计
2.1 散热方案
根据上述设计要求，结合原型车的尺寸要求和原有部件基础，设计了初步选定散热方案（图3）：PCU散热器布置在原车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3 燃料电池车散热方案示意图
FCE散热器计算参数如表2所示。怠速工况下的理论散热功率为14kW，车速60～75km·h-1工况下的理论散热功率为20.3kW。
表2 FCE散热器散热功率计算参数
冷凝器风扇工作点如图4所示。怠速工况下，冷凝器的流通风速为4.85m·s-1。设计环境温度取为35°C。理论散热能力为7.3kW。此时空调的制冷能力为4.9kW，是原车空调效果的85％。
图4 风扇工作点
PCU散热器的计算参数如表3所示。各散热器的散热能力得到平衡，对原系统的改动也较小，基本可行。
表3 PCU散热器计算参数
2.2 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、FCE管理控制器、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。根据上述方案以及整车对热管理系统的要求，由FCE控制器根据燃料电池冷却水出口处的温度和空调开启信号来同时控制2个FCE主散热风扇，最高转速为4000r·min-1。控制框图如图5所示。
图5 FC主散热风扇控制策略示意图
3 仿真验证
目前设计阶段，采用CFD手段对发动机舱进行散热性能的分析计算，主要包括2个方面：1）通过对发动机舱各发热部件及散热部件的散热量计算（主要是对流和辐射），考察在已知燃料电池、PCU和驱动电机发热量的条件下，在环境温度40°C时，FCE散热器、PCU散热器和空调冷凝器的热量能否得到有效的散失。2）根据计算得到的风场速度矢量图和温度分布图，对发动机舱内各部件的布置情况给出适当的建议。
3.1 模型的建立
采用软件Catia V5R18和Hypermesh7.0，利用IBM6221工作站（3.5GB RAM）建立模型。
建模除考虑了FCE散热器、PCU散热器和空调冷凝器等主要部件外，还包含了发动机舱内的绝大多数部件，仅简化了一小部分的连接件，另外前进风隔栅均采用实体建模，故模型规模较大，其中单元数达到2452932，节点数达到518113，面网格最小尺寸为2mm，面网格最大尺寸为15mm，风流场数值模拟尺寸为6m×3.5m×2m。
3.2 数值模拟结果
发动机舱整体CFD模型图如图6所示。边界条件即进流条件：以车速70km·h-1（19.444m·s-1）为入口风速；出口条件：出口处表压力（Gauge Presssure）为0Pa。
图6 各方案铺设电热丝MEA层温升情况
发动机舱内由散热器、冷凝器、PCU和电机表面产生的热量值如表4所示。对发动机舱散失的热量与产生的热量进行统计，具体如表5所示。
表4 燃料电池发动机舱产生的热量值
表5 系统热平衡统计
上述统计得出有746.13W的热量无法得到有效的散失，但所占比例很小，发动机舱产生的热量基本可以散出。各部件表面最高温度如表6所示。
表6 系统各部件表面最高温度
4 结论
通过理论散热值计算对比，采用主从2个冷凝器、2个FCE散热器和1个PCU散热器，并在主冷凝器和散热器后放置2个风扇的方案，可以满足整车动力系统功率提升后的散热需求。
仿真结果和证明了方案的可行性，燃料电池热系统全负荷时总的发热功率为55909W，总的散热功率为55162W，基本达到热平衡。说明燃料电池、PCU和驱动电机的发热量基本上可以有效的散出，主要部件表面温度均低于设计温度，但前纵梁最高温度较高，有后续改进空间。
在当前燃料电池汽车的研发条件下，先设计出动力系统构型并达到性能要求，然后采用理论设计计算与实验测试验证相结合的技术路线对动力系统热平衡进行优化是可行的，但未来的方向是采取正向开发，由于燃料电池发动机散热系统的特殊性，需要直接从需求入手进行动力系统总体设计，在系统设计时直接进行热管理系统设计，这样能更科学有效地进行热管理。
一文详解：新能源汽车动力电池热仿真一、导读
本案列电池系统采用液冷热管理方式的，如图1和图2所示是电池PACK系统前处理模型，主要包括：上下箱体，液冷板，导热垫、隔热护板、绝缘板、模组等结构，由4个模组成，每个模组由18个50Ah方形电芯组成。
液冷系统采用两进两出的并联方式，箱体采用集成液冷系统设计，通过型材水冷板总成和框架总成通过FDS工艺和涂胶工艺进行固定和密封，该系统优势在于液冷系统的结构组件借用了箱体的结构组件使得电池系统更轻。
利用ANSYS-SCDM软件对电池包PACK建模前处理，以STAR-CCM+软件作为液冷系统流场仿真和PACK热场仿真的工具，建立热流场仿真分析模型，最终实现了对动力电池在低温停车加热工况，常温行车、高温行车等工况PACK内部电池温度变化情况仿真，同时实现了对液冷系统内部压降和流量均匀性仿真，对冷板结构设计提出合理依据。
图1 PACK系统简化数模
二、模型简化
通过分析数模的结构组成及各部件的作用以评估各部分对热系统的影响，进而决定对部件的保留、简化、还是舍弃。模型简化的原则，在尽可能仿真精度的情况下，通过简化减少网格的数量同时提高网格质量，提高计算效率。如图3和图4分别是动力电池模组简化前后得模型。
图3 简化前模组
图4
简化后模组对于流场仿真：在处理几何模型时，应保留所有管道的内径和液冷板内流道尺寸不变，对管路弯曲、管道变径、局部弯头等细节特征保留，水管要做到不扭曲，弯角过度平滑，同时保证简化后接头装配良好，对管路、接头、冷板的外部可进行适度的简化以减少网格量。对于热仿真：模型中的线束、挂耳、螺丝螺套、铜排、bms管理部件等对热管理系统影响较小，可舍弃；对于热管理系统影响较大的零件几何特征可以适当简化，如倒角结构、结构对齐等。简化完成后，检查整个模型是否有干涉和其他问题，如有问题，可用ANSYS-SCDM软件对其进行修复，如无问题，可利用SCDM对模型进行流体域的抽取。
三、热管理设计为了使动力电池保持在合理的温度范围内工作，电池包必须拥有科学和高效的热管理系统。主要如下几项主要功能：
1、电池温度的准确测量和监控；
2、电池组温度过高时的有效散热和通风；
3、低温条件下的快速加热，使电池组能够正常工作；
4、保证电池组温度场的均匀分布。电池热管理系统设计的主要目标是：在考虑空间布置、设计成本、轻量化等条件下，通过加热或冷却控制，保证电池系统工作在相对适宜的工作温度，同时减小单体间温度，保证一致性。热管理系统设计结构图如下：
图5 热管理系统设计结构图
五、 仿真分析
锂电池Pack设计中往往会借助热流体仿真分析来辅助工程师完成pack热管理系统设计，在热管理系统设计阶段，可对Pack、模组或电池进行热场仿真分析，根据仿真结果快速地选择出冷却、加热和保温方式；在冷却子系统设计阶段，可以对Pack、模组或电池（带冷却子系统）进行热场和流场仿真分析，根据仿真结果确定冷却通道设计、冷却介质、冷却入口温度和流量以及风扇或泵的参数等。借助热流体仿真分析工具，大部分的Pack热管理设计工作和部分测试工作都可以在电脑上完成。大量的设计、制造、测试工作可以被省略，Pack设计的成本也会大幅度下降。下面基于案例的方式，介绍一下动力电池热管理仿真分析的基本流程和技巧。该案列液冷系统的设计目标为：在指定工况下运行，电池系统内部电芯的最大温度小于50℃；电芯之间的温差小于等于5℃；液冷系统的压降小于10kPa，依据下图*电芯单体的产热数据，计算在1c满放的情况下电池系统的产热功率。
利用STAR-ccm+软件的VOF模型，清楚的仿真出液冷板内从开始注入冷却液到注满冷却热的过程。设置进口两相材料的体积分数：cooling water：air=1：0
设置出口两相材料的体积分数cooling water：air=0：1
定义进口质量流量值：（4L/min）从云图6中我们可以看到，在不到1min的时间内，冷却液充满整个液冷板内腔。同时在流道的转弯区有漩涡现象，有优化空间。
图6 冷却液流动云图（动图）
图7 1c放电发热功率
图8通过STAR-CCM+仿真工具计算出来的液冷系统的压力云图，从仿真的结果上看，系统的压降为1.8kPa，整个系统采用两进两出的两个并联结构，流量的均匀性必然满足设计要求。
图8
图8为随着时间变化的电池系统的温度云图
该工况模拟了新能源汽车在夏天室外环境曝晒一天后，启动汽车进行高速行驶工况，属于电池系统的高温冷却工况，图10高温冷却电芯温度变化曲线上，分析得出1C满放的工况时，在冷却系统作用下，最高温度40.6℃，电芯间的最大温差1.8℃，满足热设计目标，在曲线末端出现温升现象，由图7可看出电芯在放电末端发热量较大，通过计算，第Ⅱ阶段电芯的平均发热量是第Ⅰ阶段的1.8倍，导致曲线末端出现温升现象。
图9 高温冷却电芯温度变化云图
图10 高温冷却电芯温度变化曲线
图11为在常温高速行车工况电池温度随着时间变化的温度云图，该工况模拟了一般常温条件下，驾驶员在高速上高速行车。
初始环境温度为20℃，当监测点最低温度大于38℃开启冷却系统，冷却液单个进口流量4L/min，入口温度22℃。图14为常温行车电芯监测点温度变化曲线，总个工况分为两个工作过程，分别为0-3368S液冷系统未开启的第Ⅰ阶段和3369s-3600s液冷系统开启的第Ⅱ阶段。
在第Ⅰ阶段，电芯温度随着放电进行持续升高，在第3368s最低温38℃，温差3.1℃，满足系统设计目标5℃；在第Ⅱ阶段的第3369s开始液冷系统进行冷却，但温度还继续升高，一方面由于热惯性的存在，另一方面，由于电芯放电末端发热量倍增，导致开始冷系统后电芯温度继续上升主要因素。
到了3548s由于冷却系统作用电芯的温度出现下降。整个过程最高温度42.7℃，最大温差3.2℃，满足设计目标。
图11 常温高速行车电芯温度变化云图（动图）
图12常温高速行车电芯温度变化曲线
图13为在低温工况电池系统随着时间变化的温度云图，该工况模拟了新能源汽车在冬季寒冷得季节放置车库一夜后，启动汽车把电池加热到能工作温度并进行高速行驶工况。
初始环境温度为-20℃，当监测点最低温度不小于5℃时关闭液冷系统，冷却液单个进口流量4L/min，入口温度30℃。
整个仿真过程包括低温加热和1c放电工况，在低温加热工况下，电芯监测点最高温度10.9℃，最大温差6℃，液冷系统加热速率为1.6℃/min；1c放电工况，检测点最高温度30℃，放电末端温差在3.7℃内。温
差整体先增大后减小，加热拉大电芯温差，放电过程温差减小，主要是由于放电过程中每个电芯发热量一样，发热较电芯底部加热热量更加均匀。
图13低温加热电芯温度变化云图
图14 低温加热电芯温度变化曲线
以上是笔者关于新能源汽车动力电池液冷系统热流体仿真分析，希望对大家有所帮助，如有不当，欢迎批评指正。
作者介绍
LEVEL老师，机械工程专业，硕士学历，整车厂在职电池包热管理工程师，有丰富的动力电池热管理仿真技术与实际测试工作经验。
学习或工作经历：南京工业大学车辆工程专业，硕士学历；主要负担电池包总成仿真分析等。服务过的主要客户主要包括吉敏安、利、江淮、奇瑞、等主机厂项目，拥有2篇动力电池热管理设计专利。
案例：基于目前市场上主流的动力电池的热管理设计都是采用液冷设计，本案列以采用液冷的方式对新能动力电池进行液冷或液热，以ANSYS-SCDM软件做为电池包PACK建模的前处理器，以STAR-CCM+软件作为液冷系统流场仿真和PACK热场仿真的求解器，建立了液冷系统流场仿真和PACK热场仿真分析模型，最终实现了动力电池在低温停车加热工况，常温行车、高温行车工况PACK内部电池温度变化情况，提出合理的对仿真结果评估的方法。
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