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燃料電池乘用車散熱水管路設(shè)計(jì)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(duì)一款燃料電池乘用車的散熱水管路進(jìn)行了計(jì)算并分析各自因素對(duì)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(duì)一款燃料電池乘用車的散熱水管路進(jìn)行了計(jì)算并分析各自因素對(duì)摩擦因子及阻力系數(shù)的影響，并進(jìn)行了壓力場和流量的仿真驗(yàn)證，模擬乘用車中真實(shí)的布置，不斷調(diào)整管徑、彎度、長度等，以達(dá)到目標(biāo)流量和壓力，實(shí)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(jì)開發(fā)提供了建議和經(jīng)驗(yàn)。
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(shí)的散發(fā)出去，保證發(fā)動(dòng)機(jī)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(gè)組成部分，其性能的好壞對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)型和可靠性有很大的影響。
無論是湍流流動(dòng)狀態(tài)還是層流流動(dòng)狀態(tài)，由于粘性力的作用，在流動(dòng)的時(shí)候均會(huì)出現(xiàn)機(jī)械能的損失[1]。在水流以層流狀態(tài)流動(dòng)時(shí)，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(duì)工質(zhì)本身在做負(fù)功，工質(zhì)的機(jī)械能大量得被損失[2]，所以研究不同規(guī)格管路引起機(jī)械能損失的大小就顯得格外重要。
目前國內(nèi)外學(xué)者對(duì)水管路水力特性做了相關(guān)的研究，趙寶峰等學(xué)者主要是考慮了突然擴(kuò)大管的局部說頭損失系數(shù)計(jì)算中的沿程損失的影響這一因素，從而結(jié)合實(shí)驗(yàn)對(duì)公式進(jìn)行了修正[3]；賀益英等人通過試驗(yàn)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(duì)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(duì)威斯-達(dá)西公式進(jìn)行了改進(jìn)[5]；茅澤育等通過試驗(yàn)對(duì)管道匯流口局部阻力進(jìn)行了研究[6]；宋長福等對(duì)有連接管的調(diào)壓室水頭損失系數(shù)通過模型試驗(yàn)進(jìn)行了研究[7]；王開等通過模型試驗(yàn)驗(yàn)證考察了不同計(jì)算公式的性能對(duì)倒吸虹有壓彎管的局部水頭損失系數(shù)計(jì)算方法的影響對(duì)其進(jìn)行比較研究[8]。
汽車水管路是將空壓機(jī)、電機(jī)、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(gè)汽車散熱系統(tǒng)的重要組成部分。其中直管與彎頭引起機(jī)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(jì)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(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生出電能來帶動(dòng)電動(dòng)機(jī)工作，由電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)汽車中的機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，進(jìn)而帶動(dòng)汽車的前橋（或后橋）等行走機(jī)械結(jié)構(gòu)工作，從而驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車前進(jìn)。燃料電池的反應(yīng)結(jié)果會(huì)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(duì)燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的性能、壽命和運(yùn)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(jī)機(jī)頭、空壓機(jī)控制器、空壓機(jī)電機(jī)、DCDC、整車電機(jī)、整車電機(jī)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(jì)原理圖見圖 1。根據(jù)每個(gè)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(duì)每個(gè)零部件進(jìn)行選型開發(fā)，連接管路的匹配設(shè)計(jì)等。但在實(shí)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(huì)影響流量的分配，此次仿真模擬真實(shí)的布置，不斷調(diào)整管徑、彎度、長度等，已達(dá)到目的流量和壓力，實(shí)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(jì)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(jī)和空壓機(jī)控制器、空壓機(jī)機(jī)頭、DCDC四個(gè)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(jī)電機(jī)和空壓機(jī)控制器在65℃下分配3-5LPM流量；
④空壓機(jī)機(jī)頭在65℃下分配3-5LPM；
⑤整車電機(jī)要求水流量＞16LPM，冷卻液溫度≤65℃，壓降100MPa@16LPM；
⑥電機(jī)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(gè)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(jì)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(jì)及仿真驗(yàn)證
受限于車身空間及散熱零部件的位置，實(shí)際的水管路從最前的散熱器到中間的空壓機(jī)、DCDC、空壓機(jī)控制器、電機(jī)控制器再到車后的電機(jī)，貫穿整個(gè)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(dòng)下，水泵的揚(yáng)程能大于各個(gè)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(gè)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(duì)每種方案進(jìn)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(jī)機(jī)頭支管路內(nèi)徑14mm；空壓機(jī)電機(jī)與空壓機(jī)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(jī)機(jī)頭支管路內(nèi)徑14mm，流量分配3.7LPM；空壓機(jī)電機(jī)＋空壓機(jī)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(jī)機(jī)頭支管路內(nèi)徑 9mm；空壓機(jī)電機(jī)＋空壓機(jī)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(jī)機(jī)頭支管路內(nèi)徑9mm，流量分配2.38LPM；空壓機(jī)電機(jī)＋空壓機(jī)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(jī)機(jī)頭支管路內(nèi)徑10mm；空壓機(jī)電機(jī)＋空壓機(jī)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(jī)機(jī)頭支管路內(nèi)徑 10mm，流量分配2.8LPM；空壓機(jī)電機(jī)＋空壓機(jī)控制器內(nèi)徑10-14mm變徑,流量分配 3LPM；綜合需求與實(shí)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(jī)機(jī)頭支管路內(nèi)徑10mm；空壓機(jī)電機(jī)＋空壓機(jī)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(diǎn)進(jìn)行壓力驗(yàn)證，仿真結(jié)果見下圖7-方案三中的壓力點(diǎn)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(jī)機(jī)頭支管路2.3Bar；空壓機(jī)電機(jī)＋空壓機(jī)控制器2.32Bar。
從上文可得結(jié)論：空壓機(jī)電機(jī)、空壓機(jī)控制器、空壓機(jī)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(diǎn)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(jī)機(jī)頭支管路內(nèi)徑10mm；空壓機(jī)電機(jī)和空壓機(jī)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(jī)和電機(jī)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(jī)機(jī)頭支管路流量分配2.8LPM，滿足流量要求3～5LPM；空壓機(jī)電機(jī)與空壓機(jī)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(jī)電機(jī)、空壓機(jī)控制器、空壓機(jī)泵頭、DCDC的入液壓力在承受的范圍內(nèi)。
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