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燃料電池乘用車散熱水管路設(shè)計及仿真
2020-09-01 23:06:50· 來源：汽車熱管理之家 作者：張 君
摘 要：文章設(shè)置了不同的管徑、不同的入口冷卻液流速的直管和不同型式的彎頭，通過 COMSOL對一款燃料電池乘用車的散熱水管路進行了計算并分析各自因素對摩擦因子
摘 要：文章設(shè)置了不同的管徑、不同的入口冷卻液流速的直管和不同型式的彎頭，通過 COMSOL對一款燃料電池乘用車的散熱水管路進行了計算并分析各自因素對摩擦因子及阻力系數(shù)的影響，并進行了壓力場和流量的仿真驗證，模擬乘用車中真實的布置，不斷調(diào)整管徑、彎度、長度等，以達到目標流量和壓力，實現(xiàn)流量的最佳分配，得出最優(yōu)化方案，為散熱系統(tǒng)水管路的設(shè)計開發(fā)提供了建議和經(jīng)驗。
前 言
汽車的散熱系統(tǒng)的作用是將零部件產(chǎn)生的廢熱及時的散發(fā)出去，保證發(fā)動機在最適宜的溫度狀態(tài)下工作，水管是汽車散熱系統(tǒng)不可缺少的一個組成部分，其性能的好壞對發(fā)動機的動力性、經(jīng)濟型和可靠性有很大的影響。
無論是湍流流動狀態(tài)還是層流流動狀態(tài)，由于粘性力的作用，在流動的時候均會出現(xiàn)機械能的損失[1]。在水流以層流狀態(tài)流動時，工質(zhì)冷卻液與水壁之間，工質(zhì)的不同流速的流層之間，在粘性力的作用下，所產(chǎn)生的阻力都是對工質(zhì)本身在做負功，工質(zhì)的機械能大量得被損失[2]，所以研究不同規(guī)格管路引起機械能損失的大小就顯得格外重要。
目前國內(nèi)外學者對水管路水力特性做了相關(guān)的研究，趙寶峰等學者主要是考慮了突然擴大管的局部說頭損失系數(shù)計算中的沿程損失的影響這一因素，從而結(jié)合實驗對公式進行了修正[3]；賀益英等人通過試驗研究了彎管的局部水頭損失系數(shù)并分析輸水管線中彎管局部水頭損失對其附近的水力參數(shù)的影響[4]；Valiantzas通過考慮局部水頭損失和沿程水頭損失的關(guān)系對威斯-達西公式進行了改進[5]；茅澤育等通過試驗對管道匯流口局部阻力進行了研究[6]；宋長福等對有連接管的調(diào)壓室水頭損失系數(shù)通過模型試驗進行了研究[7]；王開等通過模型試驗驗證考察了不同計算公式的性能對倒吸虹有壓彎管的局部水頭損失系數(shù)計算方法的影響對其進行比較研究[8]。
汽車水管路是將空壓機、電機、控制器、換熱器等熱力設(shè)備予以連接并傳輸工質(zhì)的管道及其附件的總稱，是整個汽車散熱系統(tǒng)的重要組成部分。其中直管與彎頭引起機械能損失的大小就顯得格外重要。
1 散熱系統(tǒng)的組成及水管路的設(shè)計要求
燃料電池汽車的工作原理是，作為燃料的氫在汽車搭載的燃料電池中，與大氣中的氧氣發(fā)生氧化還原化學反應(yīng)，產(chǎn)生出電能來帶動電動機工作，由電動機帶動汽車中的機械傳動結(jié)構(gòu)，進而帶動汽車的前橋（或后橋）等行走機械結(jié)構(gòu)工作，從而驅(qū)動電動汽車前進。燃料電池的反應(yīng)結(jié)果會產(chǎn)生極少的二氧化碳和氮氧化物，副產(chǎn)品主要產(chǎn)生水，因此被稱為綠色新型環(huán)保汽車，核心部件是燃料電池，散熱系統(tǒng)對燃料電池發(fā)動機的性能、壽命和運行安全具有決定性影響。
此款燃料電池乘用車的整車散熱系統(tǒng)由散熱器、空壓機機頭、空壓機控制器、空壓機電機、DCDC、整車電機、整車電機控制器、水泵、水箱、水管路等組成，燃料電池乘用車的整車散熱系統(tǒng)設(shè)計原理圖見圖 1。根據(jù)每個零部件的散熱量、流量、阻力、冷卻液入口溫度、冷卻液入口壓力等要求，對每個零部件進行選型開發(fā)，連接管路的匹配設(shè)計等。但在實際裝車過程中，除了零部件自身流阻、管路管徑的大小等因素影響外，管路的長度、彎曲角度、異型管的變徑等都會影響流量的分配，此次仿真模擬真實的布置，不斷調(diào)整管徑、彎度、長度等，已達到目的流量和壓力，實現(xiàn)流量的最佳分配。
圖1 燃料電池乘用車的整車散熱系統(tǒng)設(shè)計原理圖
此套散熱系統(tǒng)要確保散熱效果，須滿足以下流量和壓力分配的要求：
①空壓機和空壓機控制器、空壓機機頭、DCDC四個散熱件三并聯(lián)，總流量18LPM；
②保證DCDC在冷卻液在65℃下分配10 LPM流量；
③空壓機電機和空壓機控制器在65℃下分配3-5LPM流量；
④空壓機機頭在65℃下分配3-5LPM；
⑤整車電機要求水流量＞16LPM，冷卻液溫度≤65℃，壓降100MPa@16LPM；
⑥電機控制器要求水流量＞16LPM，冷卻液溫度≤65℃，壓降35MPa@16LPM；
⑦入液壓力在每個零部件的承壓范圍內(nèi)；
因受布置空間等因素的限制，管路的設(shè)計有很多可能，總的原則是，在允許用的空間內(nèi)，走向及形狀合理的管路，能最大程度的降低系統(tǒng)壓力損失和滿足流量分配要求。
2 散熱系統(tǒng)水管路的布置設(shè)計及仿真驗證
受限于車身空間及散熱零部件的位置，實際的水管路從最前的散熱器到中間的空壓機、DCDC、空壓機控制器、電機控制器再到車后的電機，貫穿整個車底部，見圖2燃料電池乘用車的整車散熱系統(tǒng)圖。保證在水泵驅(qū)動下，水泵的揚程能大于各個零部件的壓阻與水管路的阻力損失之和，且水流量和冷卻液溫度均能滿足每個散熱零部件的要求。
圖2 燃料電池乘用車的整車散熱系統(tǒng)圖
現(xiàn)有以下三種分案，分別對每種方案進行仿真分析。
2.1 方案一
方案一：設(shè)置干路總流量18.4LPM；DCDC支管路內(nèi)徑16mm；空壓機機頭支管路內(nèi)徑14mm；空壓機電機與空壓機控制器內(nèi)徑14mm。結(jié)果見圖3-方案一的體積流量分配圖。
圖3 -方案一的體積流量分配圖
從上文可得結(jié)論：DCDC支管路內(nèi)徑16mm，流量分配10.1LPM；空壓機機頭支管路內(nèi)徑14mm，流量分配3.7LPM；空壓機電機＋空壓機控制器內(nèi)徑14mm，流量分配4.5LPM；
2.2 方案二
方案二：設(shè)置干路總流量18.2LPM；DCDC支管路內(nèi)徑16mm；空壓機機頭支管路內(nèi)徑 9mm；空壓機電機＋空壓機控制器內(nèi)徑9mm。結(jié)果見圖4-方案二的體積流量分配。
從上文可得結(jié)論：DCDC支管路內(nèi)徑16mm，流量分配13.6LPM；空壓機機頭支管路內(nèi)徑9mm，流量分配2.38LPM；空壓機電機＋空壓機控制器內(nèi)徑9mm，流量分配2.25LPM；
圖4 -方案二的體積流量分配圖
2.3 方案三
方案三：設(shè)置干路總流量18.4LPM；DCDC支管路內(nèi)徑16mm；空壓機機頭支管路內(nèi)徑10mm；空壓機電機＋空壓機控制器內(nèi)徑10-14mm變徑。結(jié)果見圖5-方案三的體積流量分配圖。
圖5 -方案三的體積流量分配圖
從上文可得結(jié)論：
干路總流量18.4LPM；DCDC支管路內(nèi)徑16mm，流量分配 11.5LPM；空壓機機頭支管路內(nèi)徑 10mm，流量分配2.8LPM；空壓機電機＋空壓機控制器內(nèi)徑10-14mm變徑,流量分配 3LPM；綜合需求與實際的部件接頭，方案三為最佳的方案，即DCDC支管路內(nèi)徑16mm；空壓機機頭支管路內(nèi)徑10mm；空壓機電機＋空壓機控制器內(nèi)徑10-14mm變徑。方案三的壓力分配圖見圖6。
圖6 -方案三的壓力分配圖
取其中四點進行壓力驗證，仿真結(jié)果見下圖7-方案三中的壓力點值：總管路在18LPM下的總壓降約為2bar@18LPM；DCDC支管路入液壓力2.16Bar；空壓機機頭支管路2.3Bar；空壓機電機＋空壓機控制器2.32Bar。
從上文可得結(jié)論：空壓機電機、空壓機控制器、空壓機泵頭仿真結(jié)果約在 230 KPa，在承受的入液壓力范圍內(nèi)；DCDC的超出了給出的最大的入液壓力 200KPa，超出了16KPa，約8%在DCDC的壓力可承受范圍內(nèi)。
圖7 -方案三中的壓力點值
3 結(jié)論
通過以上三種方案的分析可以看出，方案三的為最優(yōu)化方案，即DCDC支管路內(nèi)徑16mm；空壓機機頭支管路內(nèi)徑10mm；空壓機電機和空壓機控制器內(nèi)徑10mm-14mm變徑。在流量分配上干路總流量18.4LPM，滿足整車電機和電機控制器的流量要求≥16LPM；DCDC支管路流量為11.5LPM，滿足DCDC流量要求≥10LPM；空壓機機頭支管路流量分配2.8LPM，滿足流量要求3～5LPM；空壓機電機與空壓機控制器，流量分配 3LPM，滿足流量要求 3～5LPM；在壓力分配上空壓機電機、空壓機控制器、空壓機泵頭、DCDC的入液壓力在承受的范圍內(nèi)。
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