1.緒論1.1選題背景與意義汽車領(lǐng)域，以鋰電池為能源的電動車技術(shù)基本成型，同樣從19世紀(jì)50年代后，燃料電池汽車開始得到發(fā)展，海外燃料電池市場也逐漸進(jìn)入商用化階段：日韓、美國和歐洲相關(guān)技術(shù)迅速發(fā)展，基本性能的開發(fā)已經(jīng)完成，核心技術(shù)問題也部分得到了解決，各自生產(chǎn)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(guān)技術(shù)研究，加氫站建設(shè)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(shù)大多還處于試驗(yàn)發(fā)展階段，電池總成和相關(guān)控制模塊多采用進(jìn)口，國內(nèi)生產(chǎn)的相關(guān)零部件和總成規(guī)模小，且易出現(xiàn)各種問題，影響產(chǎn)品的質(zhì)量。據(jù)了解，我國氫燃料電池汽車?yán)塾?jì)推廣應(yīng)用超過2000輛，投入運(yùn)行加氫站有12座，且在北上廣等地均開展了示范應(yīng)用。發(fā)展核心技術(shù)，投入大規(guī)模生產(chǎn)任重而道遠(yuǎn)(王欣怡,劉宇翔,2023)。[2]目前，關(guān)于傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車、電動車的熱管理系統(tǒng)研究不少，針對車用燃料電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的研究部分，大多數(shù)燃料電池的熱管理系統(tǒng)均借鑒內(nèi)燃機(jī)的熱管理設(shè)計(jì)，冷卻水通過電堆內(nèi)流道后由發(fā)動機(jī)前艙散熱模塊進(jìn)行散熱(陳雨澤,趙佳琪,2021)。1.2國內(nèi)外熱管理系統(tǒng)研究現(xiàn)狀溫度是影響燃料電池性能最重要的因素之一，[3]PEMFC的運(yùn)行溫度在60-80°C的時候能保持比較高的能量的轉(zhuǎn)換效率。一般的情況下在40%-60%u左右，高時能到60%。電堆運(yùn)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(cè)氣體通過交換膜直接接觸反應(yīng)，容易造成如燃燒爆炸之類的嚴(yán)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(tǒng)將電堆的廢熱排出(周節(jié),黃亭和,2021)。而相比于內(nèi)燃機(jī)，燃料電池電堆的運(yùn)行環(huán)境更惡劣，散熱難度更大。2.燃料電池水熱管理系統(tǒng)燃料電池?zé)峁芾碇饕菍﹄姸褱囟瓤刂?，有效利用和散發(fā)廢熱，保持電堆內(nèi)熱平衡。低溫時電池內(nèi)各種極化增強(qiáng)，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(xué)反應(yīng)速率和質(zhì)子在膜內(nèi)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(wěn)定的范圍內(nèi)，保證電堆的高效運(yùn)轉(zhuǎn)。其中能看得本章針對電堆做產(chǎn)熱與散熱分析，提出熱管理系統(tǒng)的性能目標(biāo)，為確定電堆的熱管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。在此基礎(chǔ)上通過前艙散熱模塊分布，計(jì)算冷卻流道內(nèi)部對流換熱系數(shù)(劉辰,王樂婷,2021)。2.1燃料電池系統(tǒng)產(chǎn)熱分析燃料電池是由堆內(nèi)氫氣氧氣氧化還原反應(yīng)產(chǎn)生化學(xué)能，只考慮化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電堆輸出的電能和產(chǎn)出的熱能，可以得出(趙晨輝,馬睿杰,2021)：通過熱管理系統(tǒng)需要達(dá)到散熱與產(chǎn)熱平衡：2.1.1電堆生成化學(xué)能由化學(xué)反應(yīng)方程式：可知，單位時間內(nèi)反應(yīng)物消耗量由氫氣消耗速度，結(jié)合每摩爾氫氣反應(yīng)的焓值?H（約為285.8kJ/mol），反應(yīng)化學(xué)能為(單位時間內(nèi)）：2.1.2電堆輸出功率電堆功率可由第二章內(nèi)單電池模型計(jì)算得出：2.1.3尾氣散熱電堆反應(yīng)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(huán)冷卻水散熱量為(李俊杰,張雅楠,2021)：2.2熱管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)性能目標(biāo)目前大功率電堆采用冷卻水循環(huán)系統(tǒng)，電堆熱平衡需要滿足的溫度如下：（1）確定最優(yōu)工作溫度范圍：盡量使燃料電池穩(wěn)定在最佳工作溫度，溫度控制在70°C~80°C范圍內(nèi)，保證穩(wěn)定、高效運(yùn)行(許志鵬,吳雪萍,2021)。（2）勻化溫度水平：這從一個側(cè)面說明了電堆內(nèi)部要求溫度均勻化，以保證其工作性能。本文為提高電堆內(nèi)溫度分布均勻性，要求進(jìn)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(tǒng)大部分部件都要求在某個溫度界限以下工作。若堆內(nèi)局部溫度高于100°C時，膜會出現(xiàn)微孔，容易出現(xiàn)意外導(dǎo)致嚴(yán)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(tǒng)在某些極端低溫環(huán)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(dá)到70-80°C高效率輸出點(diǎn)為最佳。2.3燃料電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)設(shè)計(jì)2.3.1前艙散熱模塊分布在設(shè)計(jì)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(diào)冷凝器，風(fēng)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(jìn)氣格柵，在風(fēng)扇的作用下流動后經(jīng)由散熱器換熱。整個過程中熱管理系統(tǒng)各部件相互影響和干涉，前艙內(nèi)散熱模塊的布置將直接影響整個熱管理系統(tǒng)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(fā)動機(jī)艙熱管理的進(jìn)氣、冷卻液相關(guān)部件的流動系統(tǒng)，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(dá)了它提供了在發(fā)動機(jī)艙的3D環(huán)境內(nèi)構(gòu)建模型的能力，用以解決其內(nèi)部復(fù)雜的流動與傳熱分析。本文利用GT-COOL搭建前艙內(nèi)部與液流和空氣流動相關(guān)的各部件模型，綜合考慮前艙內(nèi)有限的三維空間大小和各部件相對位置，以及空氣側(cè)與液側(cè)流動時耦合的影響關(guān)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(tǒng)結(jié)構(gòu)，汽車前艙內(nèi)部需布置電堆散熱器、動力系統(tǒng)控制單元的散熱器、冷凝器及散熱風(fēng)扇(王詩,楊煜晨,2021)?？梢钥闯?，本研究特別強(qiáng)調(diào)跨學(xué)科的合作，引入了經(jīng)濟(jì)學(xué)和社會學(xué)等相關(guān)領(lǐng)域的理論工具與分析框架，力求多維度地探討研究問題，進(jìn)而充實(shí)和發(fā)展已有理論體系?；谘芯堪l(fā)現(xiàn)的深刻理解，本文提出了實(shí)用性的政策建議或?qū)嵺`指南，期望對行業(yè)發(fā)展、決策過程以及后續(xù)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(xiàn)有結(jié)果足以支持我們推出一般來說，當(dāng)汽車高負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)時，燃料電池電堆的散熱需求要大于傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)的散熱需求，并且在此狀況下，電堆的冷卻水溫度比內(nèi)燃機(jī)要低，這就造成了電堆冷卻水與外界環(huán)境溫差較小，散熱環(huán)境惡劣，所以在進(jìn)行前艙散熱模塊布置時，優(yōu)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(zhì)之間溫差大小和增大換熱面積來提高熱管理系統(tǒng)的換熱能力，直接增大散熱器面積并不現(xiàn)實(shí)，因?yàn)榘l(fā)動機(jī)艙的空間大小十分有限，故通過翅片結(jié)構(gòu)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(shí)了將電堆散熱器布置在最前端，使電堆的換熱器直接與環(huán)境溫度下的冷卻空氣換熱，利于電堆散熱?？照{(diào)冷凝器的換熱需求量小于電堆散熱器，但由于其內(nèi)部冷卻劑R134a與環(huán)境換熱溫差大，故將其布置在FCS散熱器后端，環(huán)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(fā)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(shè)散熱器結(jié)構(gòu)，在電池溫度較高時，采用空調(diào)回路制冷，給蓄電池?fù)Q熱，足以滿足蓄電池散熱需求。最后，兩個冷卻風(fēng)扇布置于整體散熱模塊之后，考慮到進(jìn)風(fēng)均勻性和保持散熱模塊內(nèi)部溫度的均勻性，將兩風(fēng)扇結(jié)構(gòu)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(tǒng)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(nèi)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(chǎn)生的熱量即通過碳板和反應(yīng)氣體傳至冷卻流道，經(jīng)由水道內(nèi)部循環(huán)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(nèi)部對流換熱系數(shù)相對大小(李佳怡,王旭東,2021)。其中能看得循環(huán)冷卻水屬于管道內(nèi)部對流換熱，其流體側(cè)對流換熱系數(shù)計(jì)算：式中，為冷流流道的管道內(nèi)部努塞爾數(shù)；為流體導(dǎo)熱系數(shù)，經(jīng)查詢水的熱物性參數(shù)表，可知水在70°C，1Mpa壓強(qiáng)的條件下熱導(dǎo)率約為0.67W/（m·K）；為管道當(dāng)量直徑（m）。使用Petukhov公式計(jì)算努塞爾數(shù)Nu：式中，為雷諾數(shù)；為普朗特?cái)?shù)；為管內(nèi)摩擦系數(shù)。管內(nèi)湍流流動的達(dá)西阻力系數(shù)(陳和,孫藝璇,2021)：雷諾數(shù)的計(jì)算：式中，為管道內(nèi)循環(huán)水平均流速（m/s），不超過經(jīng)濟(jì)流速2.5m/s；為管道的當(dāng)量直徑（m）；????為介質(zhì)運(yùn)動粘度（m2/s），經(jīng)查水的物理參數(shù)表，可知70°C時水的運(yùn)動粘度為4.06×10-5m2/s。湍流流動????范圍為2300～106。管道當(dāng)量直徑式中，為管道長（m）；為管道寬（m）。因?yàn)槟Ｐ蛢?nèi)冷卻流道采用圓管，管道直徑即為當(dāng)量直徑大小。普朗特?cái)?shù)Pr大小(鄭子韜,周慧琳,2021)：式中，為熱擴(kuò)散系數(shù)（m2/s）；為水的熱導(dǎo)率（m·K）；為介質(zhì)比熱容（kJ/kg·K），經(jīng)查水的熱物性參數(shù)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(jì)算得出水與管壁對流換熱系數(shù)最大可達(dá)3000W/（m2·K），平均值大小約為1500W/（m2·K）。水的強(qiáng)制對流換熱系數(shù)?一般在1000～15000范圍內(nèi)，因此計(jì)算值在合理范圍之內(nèi)(劉佳慧,王一鳴,2021)。2.3.3電堆的熱管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)這在一定層面上傳遞了燃料電池汽車熱管理系統(tǒng)與傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)車相似，汽車負(fù)載工作時電堆產(chǎn)生熱量，散熱回路主要由電堆、散熱器、風(fēng)扇、水泵，補(bǔ)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(huán)，調(diào)整進(jìn)入散熱模塊的冷卻水流量大小。最后，為應(yīng)對車用工況低溫環(huán)境條件下電堆的使用需求，加入PTC輔助加熱設(shè)備。整個系統(tǒng)控制采用各類傳感器及Simulink控制模塊進(jìn)行。電堆熱管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(jié)論還未徹底展開，但已有成果顯示出一定的指導(dǎo)作用。初步研究結(jié)果為理解該領(lǐng)域帶來了新的觀點(diǎn)和見解，幫助識別重要變量及其相互關(guān)系，為進(jìn)一步探索奠定了穩(wěn)固的基礎(chǔ)。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(fā)展提供實(shí)證支持，并促進(jìn)更多的學(xué)術(shù)探討與爭鳴。這在一定層面上揭示熱管理系統(tǒng)工作時循環(huán)水泵持續(xù)工作，冷卻水將電堆電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的熱量帶出，經(jīng)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(nèi)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速，當(dāng)電堆入口水溫較低時，風(fēng)扇不工作，當(dāng)水溫超過入口水溫設(shè)定的限值，現(xiàn)有結(jié)果足以支持我們推出散熱風(fēng)扇開始工作，增大前艙進(jìn)風(fēng)量強(qiáng)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(shè)三通閥與三通管的必要性主要體現(xiàn)在(孫佳琪,李月怡,2021)：三通閥形成冷卻水路不經(jīng)過散熱器的小循環(huán)回路，水流在車輛停止運(yùn)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(huán)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(jīng)過散熱器，在電堆還未到達(dá)入口水溫設(shè)定的目標(biāo)值，散熱器也會因?yàn)楸夤鼙趽Q熱和車輛行駛前艙的進(jìn)風(fēng)量產(chǎn)生一定換熱效果，阻礙了電堆加熱至高效率輸出工作點(diǎn)的升溫過程(黃晨宇,趙佳欣,2021)。圖2.3燃料電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)結(jié)構(gòu)從這些故事中看出在本文所采用的燃料電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)結(jié)構(gòu)中，增加的三通閥與三通管將單一冷卻水路分為大小循環(huán)兩個部分，利用閥門開閉信號進(jìn)行回路開關(guān)控制。因?yàn)槿剂想姵仉姸训某隹谒疁赝ǔ＝频扔诨蛘呗缘陀陔姸褍?nèi)部平均，選取出口水溫信號來調(diào)節(jié)三通閥的開閉(楊穎博,王宏宇,2021)。當(dāng)出口冷卻水溫小于75°C控制三通閥將散熱回路關(guān)閉，冷卻水不經(jīng)過散熱器只通過水泵工作進(jìn)行小循環(huán)，使得電堆在未達(dá)到高效率工作點(diǎn)時保證了其迅速升溫的能力，提高了整個電堆系統(tǒng)的效率。當(dāng)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(jīng)過小循環(huán)，開始在車輛的前艙散熱模塊與空氣強(qiáng)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(jù)會造成閥門頻繁開閉的問題，這里運(yùn)用延遲控制選取65°C作為閥門關(guān)閉時的下限閾值(王梓浩,王子杰,2021),。該結(jié)論與葛飛合教授的研究結(jié)果相符，無論是設(shè)計(jì)流程還是最終分析都表現(xiàn)出了高度的一致性。在設(shè)計(jì)過程中應(yīng)用了系統(tǒng)性的方法，確保了概念形成到實(shí)施方案的每一步都有可靠的依據(jù)。本研究重視理論架構(gòu)的構(gòu)建，不僅為設(shè)計(jì)選擇提供了強(qiáng)有力的理論支持，還促進(jìn)了對相關(guān)因素之間復(fù)雜互動的理解。同時，本研究強(qiáng)調(diào)跨領(lǐng)域合作，通過結(jié)合各領(lǐng)域的專業(yè)見解增強(qiáng)了方案的廣度和新穎性，使研究團(tuán)隊(duì)能快速適應(yīng)新的問題，并靈活調(diào)整策略。即當(dāng)電堆的出口水溫高于75°C時打開三通閥大循環(huán)支路，電堆開始降溫，當(dāng)出口水溫低于75°C時閥門的開閉仍維持之前狀態(tài)，直至電堆出口水溫降低至65°以下，關(guān)閉散熱支路，繼續(xù)使用小循環(huán)維持電堆溫度，其中能看得反復(fù)至下一個循環(huán)。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(diǎn)工作。針對由6節(jié)10kW的FE-1080S電池（40-68V）串聯(lián)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?zé)峁芾硐到y(tǒng)模型如圖2.4所示(李思齊,黃俊凱,2021)。圖2.4整車燃料電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)GT模型2.4熱管理系統(tǒng)控制策略第二章提到，車用燃料電池電堆熱管理系統(tǒng)的性能設(shè)計(jì)目標(biāo)，散熱需求方面，使電堆平均溫度維持在70°C～80°C范圍內(nèi)，保持電堆平穩(wěn)、高效運(yùn)行，并且保證電堆內(nèi)溫度分布均勻性。具體體現(xiàn)在：控制電堆入口水溫在70°C；進(jìn)出口水溫在5°C之內(nèi)。整個電堆熱管理系統(tǒng)具有強(qiáng)耦合、滯后性的特點(diǎn)，由冷卻水泵與散熱器風(fēng)扇控制共同作用，這從一個側(cè)面說明了保證PEMFC的溫度維持在控制目標(biāo)之內(nèi)。控制電堆進(jìn)口水溫在70°C為一定值，進(jìn)出口水溫需要控制在5°C范圍內(nèi)，傳統(tǒng)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(tǒng)PEMFC熱管理系統(tǒng)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(jìn)出口溫差大??；Tset為入口溫度的設(shè)定值大小，為70°C；ΔTset為進(jìn)出口溫差的目標(biāo)值，為5°C。這在一定角度上表達(dá)了由PID控制輸出循環(huán)水泵與散熱風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速大小信號。傳統(tǒng)溫控策略中，由于電堆進(jìn)出口溫差是入口水溫與出口水溫的差值，溫差控制目標(biāo)與入口水溫控制目標(biāo)之間存在強(qiáng)耦合關(guān)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(huán)水泵與散熱風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速，會導(dǎo)致控制目標(biāo)入口水溫和進(jìn)出口溫差的控制超調(diào)量疊加，波動增大，延長了兩個PID控制器的控制調(diào)節(jié)時間。再加上PEMFC熱管理系統(tǒng)本身具有較強(qiáng)滯后性的影響，所以傳統(tǒng)溫控策略最終的控制結(jié)果并不理想(陳雨澤,趙佳琪,2021)。本文針對傳統(tǒng)熱管理溫控策略采用雙PID控制存在的問題，考慮循環(huán)水泵與散熱風(fēng)扇的耦合影響關(guān)系，現(xiàn)有結(jié)果足以支持我們推出雙PID時要達(dá)成兩個控制目標(biāo)較為困難，這里提出一種循環(huán)水泵非PID的單獨(dú)控制策略，改進(jìn)熱管理系統(tǒng)的溫度控制策略如圖2.6所示。在改進(jìn)后的溫控策略中，散熱器風(fēng)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(diào)量波動較大調(diào)節(jié)時間長的問題，這在一定層面上證實(shí)了選用溫差作為調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速的依據(jù)(李飛,孫思琪,2021)，初始轉(zhuǎn)速設(shè)定為500RPM，由第三章匹配計(jì)算結(jié)果得知在電堆60kW散熱極限溫差5°C狀態(tài)下的水泵轉(zhuǎn)速設(shè)定為3000RPM，所以控制設(shè)定在初始轉(zhuǎn)速的基礎(chǔ)上，每上升1°C溫差，水泵轉(zhuǎn)速提升500轉(zhuǎn)，從這些故事中看出即采用電堆進(jìn)出口溫差與系數(shù)500的乘積大小，來調(diào)整循環(huán)水泵轉(zhuǎn)速大小，水泵最大轉(zhuǎn)速達(dá)3000RPM時，也可以滿足維持電堆進(jìn)出口水溫在5°C內(nèi)的散熱需求(周節(jié),黃亭和,2021)。圖2.6本文所用PEMFC熱管理系統(tǒng)控制策略其中能看得電堆超過極限溫度會造成質(zhì)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(qū)，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(tǒng)小循環(huán)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(dá)到70°～80°C最佳輸出工作點(diǎn)。旨在增強(qiáng)研究發(fā)現(xiàn)的穩(wěn)定性和可信度，本文通過搜集并評估國內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域的傳統(tǒng)與新興文獻(xiàn)建立了扎實(shí)的研究背景。此舉不僅明確了本研究對學(xué)術(shù)界的獨(dú)特貢獻(xiàn)，還確保了本文在深入了解已有研究成果的基礎(chǔ)上開展工作。本文參考了多類原始數(shù)據(jù)和二手信息資源，例如相關(guān)論文和政府公告，選擇標(biāo)準(zhǔn)包括資料的權(quán)威性、及時性和典型性，以確保對研究主題進(jìn)行全面且真實(shí)的描繪。2.5本章小結(jié)本章先對電堆做了產(chǎn)熱與散熱分析，提出了本文熱管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)的性能目標(biāo)。分析電堆散熱器在車輛前艙散熱模塊中的分布狀況，并計(jì)算了電堆冷板對流換熱系數(shù)，用于確定GT模型中冷卻流道的對流換熱狀態(tài)。著重介紹了本文所設(shè)計(jì)的電堆熱管理回路，這從一個側(cè)面說明了針對熱管理系統(tǒng)內(nèi)部強(qiáng)耦合、大滯后的特點(diǎn)，對傳統(tǒng)雙PID控制策略存在的問題進(jìn)行改進(jìn)，并且增設(shè)了PTC輔助加熱器與相關(guān)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(tài)(劉辰,王樂婷,2021)。3.熱管理系統(tǒng)各部件參數(shù)匹配3.1熱管理系統(tǒng)各部件參數(shù)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(dǎo)至冷流體一側(cè)，通過冷流體壁面與冷媒（空氣）進(jìn)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(xiàn)有結(jié)果足以支持我們推出增強(qiáng)換熱能力。在建立散熱器模塊時，可以通過性能需求，計(jì)算模塊相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)，如圖3.1所示：圖3.1散熱器扁管、翅片、百葉窗結(jié)構(gòu)參數(shù)這在一定層面上證實(shí)了現(xiàn)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(fā)熱功率約為60kW。根據(jù)熱平衡，=??=60kW。由熱管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)性能目標(biāo)，設(shè)定散熱器（液側(cè)）入口水溫tw,in=75°C，出口水溫tw,out=70°C，可以計(jì)算出系統(tǒng)循環(huán)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(jì)算得：當(dāng)熱交換器液側(cè)管內(nèi)冷卻水流速超過1m/s時，會出現(xiàn)較大的流阻損失，因此選用=1m/s流速計(jì)算散熱管數(shù)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(shè)計(jì)，分四層散熱芯，n≈273，每層扁管數(shù)為69，且采用單通道設(shè)計(jì)，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(cè)考慮環(huán)境溫度較高情況下的散熱，散熱器進(jìn)風(fēng)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(fēng)溫60°C，空氣流量為(許志鵬,吳雪萍,2021)：式中，風(fēng)量大小與???????空氣流速（m/s）均受車速與風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速耦合影響，一般小型車輛進(jìn)風(fēng)風(fēng)速在6～12m/s，這里取=6m/s；則：這確切表明了情況結(jié)合液側(cè)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(jìn)風(fēng)阻力和增大翅片傳熱系數(shù)，選用傾角大小為30°，間距1.6mm。3.3.2風(fēng)扇選?。?）風(fēng)壓風(fēng)壓大小表征風(fēng)扇能將空氣吹動距離的大小，因散熱器氣側(cè)有眾多翅片結(jié)構(gòu)，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(dá)到理想散熱效果，必須保證足夠的風(fēng)壓(周宇,陳慧玲,2021)。該部分內(nèi)容的創(chuàng)作靈感來源于章和寧教授關(guān)于該主題的研究，重點(diǎn)表現(xiàn)在思維模式和技術(shù)手段上。在思維方式上，本文遵循了章教授推崇的系統(tǒng)化和邏輯嚴(yán)謹(jǐn)性的原則。通過細(xì)致探討研究對象的內(nèi)在構(gòu)造和運(yùn)作原理，本研究不僅應(yīng)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(shí)施到實(shí)踐中，以保證研究結(jié)論的廣泛覆蓋和準(zhǔn)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(shù)據(jù)支持和理論指導(dǎo)。風(fēng)壓為靜壓與動壓之和，靜壓是指風(fēng)扇不轉(zhuǎn)動時空氣不規(guī)則運(yùn)動撞擊壁面產(chǎn)生的壓力，計(jì)算時以絕對真空為零點(diǎn)計(jì)算的靜壓稱為絕對靜壓；動壓是指空氣流動時產(chǎn)生的壓力。這從一個側(cè)面說明了氣體流動過程中，靜壓與動壓可以相互轉(zhuǎn)換，兩者之和即為全壓（風(fēng)壓大?。?，也是風(fēng)扇出口截面的總壓與進(jìn)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(jì)算：式中，為靜壓大小，為空氣密度（kg/m3），為風(fēng)速大?。╩/s）。性能曲線選擇風(fēng)扇這在一定層面上揭示散熱風(fēng)扇的設(shè)計(jì)首先需要測量風(fēng)量和風(fēng)壓之間的關(guān)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(fēng)量，這在一定角度上表達(dá)了一種用于風(fēng)洞試驗(yàn)，另一種用于雙箱模式，風(fēng)量和靜壓可以由雙箱模式測量，雙箱可變排氣系統(tǒng)抽取空氣以調(diào)節(jié)空氣密度，打開噴嘴會導(dǎo)致風(fēng)量瞬間變化，現(xiàn)有結(jié)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(fēng)扇特性曲線(張思源,李博文,2021)。3.3.3循環(huán)水泵水泵相似性能換算與風(fēng)扇的風(fēng)量、壓力、功率類似，對于兩臺液流狀態(tài)相同的水泵，葉輪直徑不變時，改變轉(zhuǎn)速，流量、揚(yáng)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(zhuǎn)速的一次方成正比；揚(yáng)程與直徑的平方和轉(zhuǎn)速平方成正比(黃瑜,馬悅琳,2021)；功率與直徑的五次方和轉(zhuǎn)速的三次方成正比。（3）水泵主要參數(shù)選定泵的主要參數(shù)由流量、揚(yáng)程、功率以及效率，這些參數(shù)都與水泵的具體結(jié)構(gòu)尺寸有關(guān)，包括葉輪直徑大小、彎曲程度等。PEMFC熱管理系統(tǒng)的大部分熱量中由冷卻水循環(huán)帶走，所以首先要確定循環(huán)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(jì)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(huán)間隙平均直徑（m），這里取0.0029m；為密封環(huán)間隙寬度（m），這里取0.004mm；為密封環(huán)間隙環(huán)流過的面積（m2）。熱管理系統(tǒng)在車用工況下的仿真研究要滿足熱管理系統(tǒng)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(jù)能量流動途徑制定能量管理策略，適用于熱管理系統(tǒng)在全工況下仿真(李佳怡,王旭東,2021)。燃料電池汽車在實(shí)際運(yùn)行過程中的工況復(fù)雜多變，國內(nèi)地區(qū)某些區(qū)域夏天極端高溫可達(dá)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(yùn)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(nèi)工作是一件并不容易的事情。該部分內(nèi)容的創(chuàng)新之處在于其獨(dú)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(tǒng)研究視角的局限，從更廣泛和具體的角度出發(fā)，既考慮全局走向又關(guān)注個體差異，為解釋復(fù)雜現(xiàn)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(nèi)在運(yùn)作機(jī)制的認(rèn)知，也為應(yīng)對現(xiàn)實(shí)挑戰(zhàn)提出了更具針對性的策略。這在一定層面上證實(shí)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?zé)峁芾硐到y(tǒng)模型進(jìn)行仿真和性能驗(yàn)證，使該系統(tǒng)滿足高低溫、常溫各種狀態(tài)下的熱管理需求。并在仿真研究過程中適當(dāng)調(diào)整模型和優(yōu)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(biāo)。4.1整車能量管理策略建模要驗(yàn)證熱管理系統(tǒng)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(fù)載快速變化時動態(tài)行為滯后的問題，其動態(tài)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(jìn)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(diǎn)，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(shù)如表4.1所示。表4.1所選電堆及動力電池參數(shù)表燃料電池汽車有電堆和動力電池兩個動力源，在復(fù)雜多變的工況下，頻繁啟停變速，由驅(qū)動電機(jī)為整車提供動力，這在一定層面上傳遞了驅(qū)動車輛行駛。燃料電池電堆和動力電池為驅(qū)動電機(jī)提供能量，整車行駛能根據(jù)工況以不同工作模式運(yùn)行，不同工作模式能量流動方向不同，這從一個側(cè)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(chǔ)(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(qū)動與電堆驅(qū)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(tài)處于0.3～0.7范圍內(nèi)，蓄電池可以正常供電，低于0.3下限范圍，電堆單獨(dú)給電機(jī)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(xiàn)有結(jié)果足以支持我們推出根據(jù)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(jié)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(xiàn)選定蓄電池初始狀態(tài)SOC值為0.4，采用NEDC工況仿真5個循環(huán)以上，這在一定層面上證實(shí)了仿真時間選定6000s，觀察仿真結(jié)果。由整車工況需求，即電機(jī)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(dāng)整車功率需求小于10kW時，車輛由純電動驅(qū)動，大于10kW時由燃料電池電堆單獨(dú)驅(qū)動(劉秋婷,周昕悅,2021)。圖4.2NEDC工況下電機(jī)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(fā)現(xiàn)其荷電狀態(tài)由初始的0.4，在整車行駛近3個NEDC循環(huán)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(jī)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(qū)間內(nèi)，保證了整車在其他復(fù)雜工況大功率運(yùn)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(xiàn)出車輛純電動模式、電堆單獨(dú)驅(qū)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?zé)峁芾硐到y(tǒng)的搭建和仿真提供了較好的整車環(huán)境，滿足了驗(yàn)證熱管理系統(tǒng)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(yàn)證車用燃料電池?zé)峁芾砟Ｐ驮诟鞴r下的性能表現(xiàn)，首先考慮極端高溫工況，環(huán)境溫度為40°C的初始條件。這在某種程度上確認(rèn)了高溫工況電堆溫度高，散熱條件惡劣，若所設(shè)計(jì)熱管理溫控系統(tǒng)能滿足整車高溫工況下的散熱需求，在常溫工況下也應(yīng)該有較好表現(xiàn)。為保證電堆輸出功率達(dá)到最大值，需要設(shè)定加速工況與坡度大小增大電機(jī)的功率需求。設(shè)定極端高溫爬坡工況如下圖4.5所示：該工況單個循環(huán)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(tài)，車速為0km/h；10～40s的加速狀態(tài)，車速0～50km/h；40～500s的勻速狀態(tài)，車速50km/h；500～530s的加速狀態(tài)，車速50～90km/h；530～1000s的勻速狀態(tài)，車速90km/h；1000～1030的加速狀態(tài)，車速90～120km/h；1030～1500s的勻速狀態(tài)，車速120km/h；1500～1560s的減速狀態(tài)，車速120～0km/h。其中設(shè)定坡度大小-分別為4%、6%，12%和20%。圖4.5設(shè)定極端高溫爬坡工況燃料電池汽車按照設(shè)定的極端高溫爬坡工況運(yùn)行，驅(qū)動電機(jī)所需牽引功率如圖4.6所示。這在一定角度上表達(dá)了由圖可知(王家偉,邱慧敏,2021)，整個工況下存在驅(qū)動電機(jī)功率超過60kW的情況，可用于驗(yàn)證整車能量分配策略中電堆與動力電池混合驅(qū)動的工作模式。并且電堆輸出功率達(dá)到最大值60kW，現(xiàn)有結(jié)果足以支持我們推出可用于檢驗(yàn)電堆在高溫大功率放電下熱管理系統(tǒng)的散熱性能。圖4.6極端高溫爬坡工況下電機(jī)功率現(xiàn)設(shè)定初始環(huán)境溫度為40°C，極端高溫爬坡工況如上，整車運(yùn)行兩個工況循環(huán)，若初始SOC設(shè)定值低，這在一定層面上證實(shí)了依據(jù)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(jī)功率需求，燃料電池汽車會難以維持上述工況的運(yùn)行(李晨曦,胡曉波,2021)。本研究的結(jié)果與之前的預(yù)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(shè)定的研究目標(biāo)和假設(shè)是有穩(wěn)固基礎(chǔ)的。通過對相關(guān)理論文獻(xiàn)的廣泛探討和已有研究的綜合分析，本文的預(yù)測建立在一個邏輯嚴(yán)密、證據(jù)充分的基礎(chǔ)上，而最終結(jié)果與預(yù)期一致，強(qiáng)化了這些研究工作的有效性。該結(jié)果的一致性還證明了本文采用的方法和技術(shù)是合適且有效的。在研究中，本文遵循嚴(yán)格的學(xué)術(shù)規(guī)范，使用多種驗(yàn)證手段以確保結(jié)論的精確性。因此現(xiàn)將動力電池初始SOC值設(shè)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(chǎn)熱功率如圖4.7所示。圖5.7電堆產(chǎn)熱功率電堆進(jìn)出口水溫信號與閥門開閉狀態(tài)信號傳至Simulink控制模塊，作為水泵轉(zhuǎn)速控制依據(jù)；從這些故事中看出電堆入口水溫信號作為散熱器風(fēng)扇轉(zhuǎn)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(tǒng)控制策略從這些描述中揭示由此控制策略進(jìn)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(jìn)出口水溫結(jié)果如圖4.8所示。圖4.8極端高溫爬坡工況下電堆及進(jìn)出口水溫保持用電堆出口水溫作為三通閥開閉狀態(tài)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(yīng)閥門的不同開度大小，避免系統(tǒng)支路瞬間開閉導(dǎo)致電堆入口水溫驟變的情況。三通閥開度與溫度對應(yīng)關(guān)系如圖4.9所示，這里的開度變化率近似傳統(tǒng)車中的節(jié)溫器，靠近全開閉狀態(tài)時開度變化速率低，這在某種程度上確認(rèn)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(yīng)關(guān)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(qū)，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(yán)重影響電堆壽命。這在一定角度上表達(dá)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(huán)境下由輔助加熱的溫度表現(xiàn)。實(shí)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(shè)定加熱的環(huán)境溫度下限閾值為10°C，現(xiàn)有結(jié)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(guān)閉輔助加熱，維持電堆溫度在70°～80°C范圍內(nèi)波動。為應(yīng)對電堆加熱時大遲滯現(xiàn)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(shí)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(shè)計(jì)整車能量管理策略，并增設(shè)當(dāng)電堆溫度>0°C再啟動整車運(yùn)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(xiàn)如圖4.10所示。圖4.10極端低溫NEDC工況下電堆溫度表現(xiàn)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(yùn)行仿真工況。2000s時電堆平均溫度到達(dá)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(nèi)波動，從這些描述中揭示保證電堆在高效率點(diǎn)工作。由仿真結(jié)果可知，通過輔助加熱手段可以實(shí)現(xiàn)電堆在極端低溫工況下啟動進(jìn)行工作的目標(biāo)，但加熱至0°C以上需514s，2000s到達(dá)較高效率輸出點(diǎn)，仍說明燃料電池汽車在國內(nèi)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(yù)熱時間，啟動后短時間內(nèi)較難達(dá)到電堆最佳工作點(diǎn)。4.4常溫NEDC仿真研究車輛仿真的初始條件，環(huán)境溫度為25°C，保證常溫運(yùn)行，因?yàn)镹EDC工況整車驅(qū)動電機(jī)的需求功率不大，電堆的發(fā)熱量小，所以仿真循環(huán)5個NEDC工況以上，仿真時間6000s，，另外，蓄電池初始SOC設(shè)置為0.4，可以使蓄電池供電不足時，由燃料電池負(fù)擔(dān)功率需求并給動力電池充電，達(dá)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(tài)，電堆溫度及進(jìn)出口水溫的具體表現(xiàn)如圖5.11所示。圖5.11常溫NEDC工況下電堆溫度及進(jìn)出口水溫表現(xiàn)由仿真結(jié)果可知，前三個NEDC循環(huán)中，其中能看得電堆產(chǎn)熱量較小，在電堆溫度未達(dá)到70°C熱管理結(jié)構(gòu)采用小循環(huán)保證電堆溫升，燃料電池溫度和進(jìn)出口水溫一致(吳俊杰,林婷怡,2021)。三個循環(huán)后，動力電池由于初始SOC值低所以耗電量達(dá)到下限值停止供電，由電堆滿足驅(qū)動電機(jī)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(dá)到最大值，電堆迅速溫升，這在一定層面上傳遞了達(dá)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(biāo)范圍內(nèi)。圖5.12為電堆熱管理系統(tǒng)水泵轉(zhuǎn)速和體積流量的表現(xiàn)狀況，冷卻回路采用小循環(huán)時，水泵維持最低轉(zhuǎn)速500RPM，當(dāng)電堆輸出功率大進(jìn)出口水溫溫差較大時，控制水泵轉(zhuǎn)速迅速升高，維持進(jìn)出口水溫溫差在目標(biāo)值5°C之內(nèi)，因電堆充電時溫升較快，水泵轉(zhuǎn)速有“上沖”現(xiàn)象，這在某種程度上確認(rèn)了一瞬間轉(zhuǎn)速到達(dá)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(fù)荷狀態(tài)，有較小波動。圖5.12常溫NEDC工況下水泵的轉(zhuǎn)速和流量狀況圖5.13為前艙散熱模塊風(fēng)扇與進(jìn)風(fēng)量的表現(xiàn)狀況，當(dāng)電堆迅速升溫，進(jìn)口水溫上升超過目標(biāo)溫度70°C，導(dǎo)致風(fēng)扇轉(zhuǎn)速有較大波動，這從一個側(cè)面說明了與車速耦合作用增大進(jìn)風(fēng)量控制電堆入口水溫維持在目標(biāo)值，后電堆溫度趨于穩(wěn)定，所以入口水溫波動值較小，風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的波動也逐漸減小(劉志強(qiáng),孫玲玲,2021)。圖5.13常溫NEDC工況下風(fēng)扇轉(zhuǎn)速與前艙進(jìn)風(fēng)量狀況5.結(jié)論燃料電池汽車是解決能源危機(jī)和環(huán)境污染大前提下電動車應(yīng)用的最終解決方案，而整車在運(yùn)行過程中，質(zhì)子交換膜燃料電池雖然能保持較高的能量轉(zhuǎn)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(zhì)子交換膜，另一方面，環(huán)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(jī)理和結(jié)構(gòu)出發(fā)，通過實(shí)驗(yàn)研究電堆溫度特性。對電堆熱管理系統(tǒng)展開研究，主要根據(jù)電堆功率大小匹配計(jì)算了熱管理系統(tǒng)的各部件參數(shù)，設(shè)計(jì)搭建了一套能滿足各工況溫控性能需求的熱管理系統(tǒng)回路。并針對該結(jié)構(gòu)回路，這在一定角度上表達(dá)了適當(dāng)改進(jìn)控制策略，驗(yàn)證了其性能表現(xiàn)。根據(jù)所搭建的車用燃料電池的熱管理系統(tǒng)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(tǒng)的適用性，引入三通閥開度與溫度對應(yīng)關(guān)系，與傳統(tǒng)控制策略比較，驗(yàn)證了改進(jìn)后水泵與風(fēng)扇控制策略使系統(tǒng)有更好的性能表現(xiàn)。對于極端低溫工況溫控系統(tǒng)能一定程度上滿足加熱需求，電堆溫度與進(jìn)出口水溫能夠控制在在目標(biāo)范圍之內(nèi)，各個散熱部件在常溫工況下運(yùn)行狀態(tài)也較為穩(wěn)定。綜上，通過選型匹配，搭建模型，改進(jìn)控制策略，系統(tǒng)在各個工況下的仿真表現(xiàn)，驗(yàn)