摘 要：极端工况下整车的热管理问题是全功率燃料电池汽车面临的主要技术挑战之一。燃料电池汽车中的热源主要来源于电堆、空压机、驱动电机及DC/DC，提出了相应的

摘 要：极端工况下整车的热管理问题是全功率燃料电池汽车面临的主要技术挑战之一。燃料电池汽车中的热源主要来源于电堆、空压机、驱动电机及DC/DC，提出了相应的热管理方式并构建了相应的系统结构，对散热器、水泵、风机等主要部件进行了选型与匹配。利用GT-COOL软件建立了全功率燃料电池汽车热管理系统仿真计算平台，对极端工况下系统的散热性能进行了分析。结果表明，在该工况下电堆温度达到了84.4 ℃，在许用温度范围内，电堆进出口温差为7.6 ℃，满足内部温度均匀性要求，空压机、DC/DC、驱动电机的温度分别为58.4 ℃、59.6 ℃、61.5 ℃，均满足其温度要求。

汽车的大量使用加剧了环境污染及全球变暖等问题，促使人们寻找安全高效的可再生能源。燃料电池作为一种效率高、无污染、可靠性高的能源转换装置，受到了汽车行业的普遍重视。其中，质子交换膜燃料电池具有启动速度快、发电效率高等优点，最适合作为汽车的动力源。为了保证燃料电池汽车的正常工作，对整车进行有效热管理十分必要。研究结果表明，质子交换膜燃料电池工作温度较低，对温度均匀性要求较高，且绝大部分热量（95%）需要冷却液带走，同时，散热器中冷却液与环境的温差小，为整车的热管理带来了挑战。

目前，国内外学者已对燃料电池汽车热管理进行了初步的研究。HASEGAWA等从提高效率和可靠性以及简化燃料电池系统的角度，详细介绍了丰田Mirai的燃料电池热管理系统。郭爱等建立了车用燃料电池热管理模型，研究了电堆电流、冷却液流速、散热片表面风速、旁路阀开度对电堆及散热器入口与出口温度差的影响。丁琰基于AMESim软件平台研究了整车热管理系统的设计方法和策略，考虑了不同环境温度状态下，尤其是极端工况下热管理系统的优化设计。

本文以某全功率燃料电池汽车为研究对象，进行了整车热管理系统的设计匹配及散热性能研究。首先基于各核心部件的散热条件，设计了整车热管理系统，利用仿真软件GT-COOL建立了整车热管理仿真平台，研究了各热源（电堆、DC/DC，空压机、电机）的工作温度、温差分布和冷却液流量要求，验证了其在极端工况下的散热能力。

全功率燃料电池汽车热管理对象主要包括燃料电池电堆、车内其它主要热源（驱动电机、空压机、DC/ DC）。质子交换膜燃料电池是一种低温燃料电池，高效运行时的温度范围为60～85 ℃。主要通过氧化还原反应将化学能转化为电能。其能量流动如图1所示。

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注：产热功率=输出功率/效率-输出功率其中，电堆的最佳工作温度范围为60～85 ℃，需要根据车用工况对电池进行热管理，在高温时通过冷却系统降低电池温度，同时使单电池间的温差尽可能小，进出口温差在5～10 ℃范围内，冷却液流量必须控制在240 L/min以内。为了保证汽车安全和高效运行，需将电机出口冷却液温度控制在65 ℃以内，空压机出口温度控制在100 ℃以内，DC/DC温度控制在 60 ℃以内。2 热管理系统的设计2.1 系统结构设计

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为了验证所建立的燃料电池汽车热管理系统仿真模型的准确性，首先利用30 kW电堆冷却系统的相关参数进行仿真模拟，并与不同工况下的试验数据进行比较。表4为30 kW燃料电池堆在不同条件下的参数。

ntainer css-xi606m style=text-align: center;需要说明的是所建立的仿真模型未考虑以下两个方面带来的影响：一是电堆本身的辐射热，二是尾气带走的热量。仿线%以内，表明所建立的仿真模型具有较高的可信度。

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为验证热管理系统的散热能力，对全功率燃料电池汽车在极端工况下的热管理进行了仿线为仿真工况的相关参数。

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图6为电堆回路仿真结果，由图可知，电堆进出口温差约为7.6 ℃，符合温度均匀性要求。出口温度为84.4 ℃，冷却液流量为238.6 L/min，满足冷却要求但均接近极限值。因此，在极端工况条件下，电堆不宜长时间工作。

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对于另一个冷却回路，在极端工况条件下，冷却液与环境的温差较小，散热条件十分恶劣，3个核心部件的温度和冷却液流量必须控制在允许的范围内，以确保安全运行。图7为DC/DC、驱动电机和空压机在该工况下的冷却剂流量和温度仿真结果。冷却液通过DC/DC、驱动电机和空压机的温度分别为57.7 ℃、63.2 ℃和77.6 ℃，均低于极限温度。流量稳定在15.3～15.5 L/min范围内，均满足部件的冷却要求。

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本文对某全功率燃料电池汽车热管理系统进行了设计，并采用一维仿真软件GT-COOL建立了整车热管理系统仿真平台，对其在极端工况下的运行进行了模拟计算，验证了系统的散热能力。该平台可以对燃料电池汽车热管理系统总体性能指标进行全面分析，为燃料电池汽车热管理系统设计与分析提供依据。