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基于Simscape物理仿真的发动机热管理系统及控制特性研究

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合肥工业大学学报（自然科学版） 2023年第10期46卷 1343-1348,1361页

作者：刘如佳刘向农李晓萍孙东方何睿琪董婷合肥工业大学汽车与交通工程学院安徽合肥230009

文章基于Simscape一维物理仿真软件,使用热流体模型和热力模型分别模拟冷却液的流动和热量的传递,开发一套包括散热器、离心水泵、蓄液罐和发动机管段传热模块的发动机热管理系统仿真模型。通过修改模块代码,将单根传热管道模块改编成... 详细信息

文章基于Simscape一维物理仿真软件,使用热流体模型和热力模型分别模拟冷却液的流动和热量的传递,开发一套包括散热器、离心水泵、蓄液罐和发动机管段传热模块的发动机热管理系统仿真模型。通过修改模块代码,将单根传热管道模块改编成多管段的管带式散热器模块和发动机管段传热模块。与实验数据对比验证,模型的散热器传热系数和发动机出口水温的最大误差均不超过10%。在此模型基础上,建立水泵挡位控制和散热器风扇启停调节系统,使发动机出口温度在发动机发热量阶跃变化的情况下,上下波动不超过2 K。该研究为热管理系统一维物理仿真和控制策略研究提供了新方法。

关键词：热管理系统散热器 Simscape物理仿真软件控制系统

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基于Mxene/石蜡CPCM的锂电池热管理系统

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电源技术 2023年第5期47卷 627-631页

作者：贺春敏杨翼蔡天鏖沈雪阳南京邮电大学电子与光学工程学院柔性电子(未来技术)学院江苏南京210000

为了确保锂离子电池的安全稳定运行,可靠的电池热管理系统(BTMS)在处理电池热相关问题和确保动力电池的性能、安全以及寿命方面都起着不可或缺的作用。相变材料冷却结构简单、冷却效率高,具有较好的温度平衡性能,而新型纳米材料Mxene的... 详细信息

为了确保锂离子电池的安全稳定运行,可靠的电池热管理系统(BTMS)在处理电池热相关问题和确保动力电池的性能、安全以及寿命方面都起着不可或缺的作用。相变材料冷却结构简单、冷却效率高,具有较好的温度平衡性能,而新型纳米材料Mxene的导热系数高达55.8 W/(m·K),因此首次将Mxene和石蜡结合构建复合相变材料(CPCM),在方形锂离子电池组基础上建立了以Mxene/石蜡为CPCM的电池热管理系统,研究Mxene的质量分数对电池组温度分布的影响,并进一步对电池组仿真模型进行研究,探讨电池间距、环境温度和对流传热系数对电池组散热性能的影响。研究表明:当石蜡和Mxene质量比为1∶1,X轴和Y轴方向电池组的间距分别为20和10 mm,环境温度控制在34℃之内,对流传热系数为4 W/(m·K)时,该电池组的散热效果最好。

关键词：锂离子电池相变冷却热管理系统

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质子交换膜燃料电池热管理系统动态建模与控制策略研究

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质子交换膜燃料电池热管理系统动态建模与控制策略研究

作者：赵安电子科技大学

学位级别：硕士

氢能作为我国能源转型过程中的重要新能源载体,具有来源广泛、高效灵活、低碳环保等诸多优势,可以同时满足新时代下资源、环境和可持续发展的多元化需求,是最具发展潜力的清洁能源之一。在氢能产业链用氢端的关键环节,质子交换膜燃料电... 详细信息

氢能作为我国能源转型过程中的重要新能源载体,具有来源广泛、高效灵活、低碳环保等诸多优势,可以同时满足新时代下资源、环境和可持续发展的多元化需求,是最具发展潜力的清洁能源之一。在氢能产业链用氢端的关键环节,质子交换膜燃料电池由于高能量转换效率、高功率密度、排放清洁等特点,近年来发展迅猛,广泛应用于交通、发电、工业、便携式能源等多个领域。质子交换膜燃料电池作为一种重要的低温燃料电池,其热力学行为及内部过程的热管理对于系统的性能、寿命以及可靠性至关重要。此外,燃料电池热力学行为在电堆内部,电堆与周围环境之间以及电堆与热管理系统之间存在多重耦合关系,且温度的动态响应存在大滞后效应,这为质子交换膜燃料电池的精准动态热管理带来重要技术挑战。本文将基于燃料电池电堆、辅助部件及系统各层级的物理过程,构建一套燃料电池系统热力学机理动态模型,并通过燃料电池系统多工况实验设计进行多角度验证;在此基础上,结合粒子群优化以及神经网络方法,设计出一套燃料电池热管理动态复合控制策略,为燃料电池系统的温度精准调控提供技术基础与理论参考。本文的主要工作如下:1.从燃料电池热管理冷却方式、热管理系统模型以及热管理控制策略综述了燃料电池热管理的研究现状,阐述了本文实验所用的燃料电池实验系统以及热管理系统结构,设计多种工况下的实验对燃料电池电压输出特性、温度分布特性以及热管理系统温度动态特性进行研究。2.结合燃料电池机理方程以及热管理系统各辅助部件热力学方程建立了一套燃料电池系统动态模型,并结合实验测试结果进行了多角度验证。在该模型基础上设计基于燃料电池工况的仿真实验,研究不同工况条件下的电堆与系统热力学行为及其关键影响因素。3.基于所建立的燃料电池热力学模型,设计了面向燃料电池进出口温差参数的前馈控制策略,将其与电堆的工作温度参数在控制上进行解耦,设计了基于粒子群寻优算法优化的PID控制策略,实现了热管理系统温度的精确动态调控,并提出基于神经网络的控制参数预测模型,大幅提高基于模型的预测器运行效率,为热管理系统控制器的在线应用提供基础。

关键词：质子交换膜燃料电池热管理系统热力学机理模型粒子群算法复合PID控制策略

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燃料电池热管理系统的动态仿真及控制

电池 2023年第6期53卷 600-604页

作者：王星孙俊张振东周宜安武汉理工大学船海与能源动力工程学院湖北武汉430063

质子交换膜燃料电池(PEMFC)在常温启动阶段的电堆升温较慢,性能低效,且冷却液流量与散热空气流量的控制有耦合作用。针对常温启动升温较慢的问题,合理设计热管理系统,提高输出性能;针对冷却液流量与散热空气流量控制存在耦合关系,提出... 详细信息

质子交换膜燃料电池(PEMFC)在常温启动阶段的电堆升温较慢,性能低效,且冷却液流量与散热空气流量的控制有耦合作用。针对常温启动升温较慢的问题,合理设计热管理系统,提高输出性能;针对冷却液流量与散热空气流量控制存在耦合关系,提出冷却液流量跟随热量控制,线性自抗扰控制空气流量的联合控制策略,实现水泵流量和散热空气流量控制的解耦。仿真结果表明,联合控制策略能够在100 s内将电堆温度从常温升到80℃,且冷却液出入堆温差稳定在5℃;面对输入扰动时,电堆温度的超调量仅为0.5%,且在50 s内电堆温度再次稳定在80℃,超调量仅为比例-积分-微分控制器(PID)的8.82%,响应速度提升50 s。该控制策略能较好地控制电堆温度及冷却液出入堆温差。

关键词：燃料电池质子交换膜燃料电池(PEMFC) 热管理系统常温启动流量跟随自抗扰控制

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动力电池组热管理系统仿真与优化研究

动力电池组热管理系统仿真与优化研究

作者：周大翰沈阳大学

学位级别：硕士

随着新能源汽车向高安全性、高续航里程等方向发展,动力电池组的性能和寿命成为关键制约因素。所以,设计了合理的动力电池组热管理系统,使其能够在高温环境中对锂离子电池组进行散热,低温环境时对锂离子电池组进行加热,以提升动力电池... 详细信息

随着新能源汽车向高安全性、高续航里程等方向发展,动力电池组的性能和寿命成为关键制约因素。所以,设计了合理的动力电池组热管理系统,使其能够在高温环境中对锂离子电池组进行散热,低温环境时对锂离子电池组进行加热,以提升动力电池组的性能,保证其最大的工作寿命,对提升新能源汽车的行驶里程至关重要。对于高效的电池组热管理系统,应在各种工况下,将电池组温度快速控制在合理区间,同时均衡各单体电池的温度差异,使电池始终工作在最佳状态。为此本文提出一种采用液冷板与平板热管相结合的电池组热管理系统,平板热管可以平衡电池组内温度的不均匀性与液冷板可以降低电池温度峰值的作用相结合,并以电池最高温度和最大温差作为热管理系统性能的优化指标进行仿真研究。首先,对锂离子单体电池的结构和工作原理进行分析,依据单体电池的生热、传热等物性参数,利用Solidworks软件对动力电池组模型进行搭建。模型包括上盖板、电池组、液冷板、保温棉和下托盘,该电池组由多个三元锂单体电池串并联而成,使整个动力电池达到容量和电压需求,保证电动汽车的续驶里程。两块液冷装置通过管路并行连接,可以分别降低在其上方的电池组温度。在液冷板与下托盘之间增加保温棉,减少液冷板散热能力的流失,保证液冷板的散热能力。将平板热管蒸发端连接到电池上,冷凝端与电池液冷系统相连接,在冷凝端与液冷板进行换热,使管中液体蒸汽能够快速的液化,回到蒸发端继续工作,有利于提高热管的换热能力。然后,对动力电池组热管理系统结构进行优化研究。液冷板中冷却管道的合理配置,对于液冷板高效的散热影响极大。因此,应用Solidworks建模,采用CFD软件STAR-CCM+进行热仿真,通过建立电池组外流场求解计算域,设定传热工况及初始条件、电池组放电的极限边界工况,计算发热功率,获得模组的温度温升曲线,将求解结果表达为温度等物理量的云图。对不同冷却剂流道布置的电池组的仿真结果进行了比较,筛选出散热效率最优的纵向蛇型结构方案,该结构满足最高温度和最大温差要求,同时流道间隙处的温度较低。由于冷却液流道管径宽度与冷却液的流动特性和散热效率关系密切,液冷板内流道的宽度对电池组的温度极值和差值影响较大,故对管径尺寸进行了研究。对联合冷却方案中的平板热管冷却装置出入口直径和平板热管的数量进行优化研究,选用单体电池之间均设有一根热管。最后,对比了系统中有无平板热管的热管理性能,研究表明在液冷系统中加入平板热管将电池组的温度极值和差值分别降低16.32%和47.09%,电池组的最高温度收敛至32℃,由此可见在热管理系统中增加平板热管对电池的散热起到了积极的作用。并对热管理系统的控制参数进行优化研究。将热管理系统冷却液流速、冷却液温度、初始环境温度等因素进行优化匹配。研究了不同工况下,环境温度不同时,冷却液入口流速和温度参数的最优组合。

关键词：锂离子电池液冷板平板热管热管理系统混合热管理系统

船用质子交换膜燃料电池热管理系统设计及换热器性能强化研究

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船用质子交换膜燃料电池热管理系统设计及换热器性能强化研究

作者：许懿婧大连海事大学

学位级别：硕士

质子交换膜燃料电池因其效率高、噪声低、工作温度区间适用性广等优势,迅速成为新能源船舶领域的一大热点研究方向。然而,由于船用燃料电池对散热量的需求远大于普通船舶发动机,现有热管理系统存在着结构笨重、能耗高等缺点,因此亟需对... 详细信息

质子交换膜燃料电池因其效率高、噪声低、工作温度区间适用性广等优势,迅速成为新能源船舶领域的一大热点研究方向。然而,由于船用燃料电池对散热量的需求远大于普通船舶发动机,现有热管理系统存在着结构笨重、能耗高等缺点,因此亟需对热管理系统进行研究和改进设计。本文以船用燃料电池热管理系统为研究对象,通过数值模拟方法,研究热管理系统冷却回路中的燃料电池内部冷却流道与外部换热器的流动与传热特性,并进行结构优化,从而改善热管理系统的换热效果。本文主要研究内容如下:(1)为了解决大功率质子交换膜燃料电池内部的过热问题,提出热管理系统冷却流道优化方案,探究多通道构型下直流道、波浪流道和Z形流道的最高温度、温度均匀性和压降特性,并研究入口冷却液流量及热流密度对流道换热性能的影响。计算结果表明,在入口流量为7.5×10m/s时,波浪流道设计符合热管理需求,可将冷却板表面最高温度控制在340 K左右,进出口最大温差控制在7 K以内。(2)基于热管理系统的散热需求,设计船用燃料电池热管理系统,并从船舶航行的实际工况出发,将原管式换热器改进为箱式换热器,引入自流海水与冷却回路上的换热器进行热量交换,从而降低热管理系统功耗过大导致燃料电池输出功率减小的风险。在此基础上对换热器进行整体建模与仿真模拟,数值计算结果表明:箱式换热器整体换热均匀,压力表现稳定,满足热管理系统的散热需求。(3)对箱式换热器的换热管进行螺旋波纹管参数化设计,提出一种无量纲波纹参数设计方案,重点研究换热器内螺旋波纹管的流动换热特性。基于湍流强化换热机理与场协同原理,对比分析无量纲波高、无量纲波宽、无量纲螺距这三种结构参数对换热管传热和流动特性的影响,结果表明,当螺旋波纹管的无量纲波高为0.05,无量纲波宽为0.15与无量纲螺距为0.4时,综合换热效果最好。本文所做的工作对质子交换膜燃料电池热管理系统在船舶领域的应用,提供了一定的工程价值和理论参考。

关键词：质子交换膜燃料电池热管理系统冷却流道换热器强化换热

客车燃料电池热管理系统的冷却及加热特性研究

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客车燃料电池热管理系统的冷却及加热特性研究

作者：周鹏山东理工大学

学位级别：硕士

随着氢燃料电池在商用车领域应用的不断深入,氢燃料电池客车正逐步成为城市客车的主流。本文以氢燃料电池(80 k W)+动力电池(105 k Wh)驱动的城市客车为研究对象,对其燃料电池热管理系统(电堆和电堆辅件热管理系统)开展了冷却和加热特... 详细信息

随着氢燃料电池在商用车领域应用的不断深入,氢燃料电池客车正逐步成为城市客车的主流。本文以氢燃料电池(80 k W)+动力电池(105 k Wh)驱动的城市客车为研究对象,对其燃料电池热管理系统(电堆和电堆辅件热管理系统)开展了冷却和加热特性的研究。同时,针对电堆车顶散热器开展了散热特性分析及改进研究。首先,明确了客车动力系统的构成和能量管理策略,通过理论分析得到了主要产热部件的产热功率,并根据设计要求明确了燃料电池热管理系统的结构。为热管理系统模型的搭建和特性研究奠定了基础。其次,基于AMESim平台完成了客车动力系统和燃料电池热管理系统模型的搭建,并验证了模型的有效性。研究了串并联方案对电堆辅件热管理系统冷却性能的影响,基于所确定的电堆辅件较优热管理方案,对燃料电池热管理系统开展了冷却性能和能耗研究,主要分析了动力电池初始SOC(荷电状态)以及车辆负载的影响特性。研究发现,当选用串联方案时,中冷器应当在空压机前部,当选用并联方案时,应控制好中冷器的冷却液流量;相比动力电池初始SOC为100%时,车辆在动力电池初始SOC为20%状态下行驶,部件的最大温升达到10.3%,热管理系统的能耗增加幅度达到185.3%;车辆负载对部件温度的影响不明显,但对热管理系统能耗有较大影响,最大升幅达到30.6%。再次,基于AMESim平台建立了电堆外部辅助加热和内部自启加热模型,对比了不同加热模式把电堆从-30℃加热到10℃的加热性能。研究发现,对于外部辅助加热模式,气液加热具有最短加热时间,同时具有最好的均温性;对于内部自启加热,虽然恒流方式比恒压方式的耗氢量稍大,但是完成加热所需时间更短,因此恒流自启具有更强的实际应用性;当采用液体加热和内部恒流自启混合加热时,恒流自启对应的电堆温度越低,加热时间越短;当采用液体加热和恒流自启同步加热方式时,液体加热功率越高,加热时间越短,能耗相对更低。最后,基于多孔介质与密布翅片的等效特性,利用Fluent平台建立了电堆热管理系统的车顶散热器模型。研究了散热器与车顶间距对空气质量流量和冷却液温度的影响。自主设计和搭建了实验台,验证了模型的有效性。通过加入车顶导流带对低间距散热器性能不能充分发挥问题进行了改进,并结合AMESim中燃料电池热管理系统模型,对比了优化前后散热器的冷却效果。研究发现,随着散热器与车顶间距的缩小,散热器翅片通道可出现气流缺失,空气质量流量逐渐缩小,冷却液温度逐渐升高,导致散热器换热能力不能充分发挥;通过加入车顶导流带的方式,可以在降低车顶与散热器间距的同时,保证散热器的换热效果。

关键词：氢燃料电池客车热管理系统冷却加热车顶散热器

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燃料电池客车热管理系统仿真及改进研究

燃料电池客车热管理系统仿真及改进研究

作者：李龙飞山东理工大学

学位级别：硕士

燃料电池汽车具有效率高、无污染、可再生等优点,被认为是未来新能源汽车的终极发展方向。燃料电池客车具有动力系统部件多、座舱容积大、温控差异大的复杂性,使整车热管理系统的设计难度大幅提升,因此,在保证不同部件温控效果的同时降... 详细信息

燃料电池汽车具有效率高、无污染、可再生等优点,被认为是未来新能源汽车的终极发展方向。燃料电池客车具有动力系统部件多、座舱容积大、温控差异大的复杂性,使整车热管理系统的设计难度大幅提升,因此,在保证不同部件温控效果的同时降低整车能耗成为整车热管理系统的研究热点。本文着眼于某款燃料电池客车整车热管理系统的设计和仿真研究,通过对燃料电池、动力电池和电机的热特性以及车舱的热负荷进行分析,分别制定了独立式和集成式的整车热管理方案,对两类热管理方案在极低温、低温、常温和高温环境工况下的温度管控特性和能耗特性进行了研究,验证所设计热管理系统方案的合理性。主要研究内容和结论如下:首先,对燃料电池、动力电池和电机的产热和散热机理以及车舱的热负荷进行分析,明确各部件的热量组成、理论计算方法以及热管理系统的控制目标,建立各部件的生热模型,为热管理系统方案设计和仿真分析提供基础。其次,基于AMESim建立独立式整车热管理系统模型,设计整车热管理系统的控制方案,制定热管理系统的运行模式以及整车动力源的功率分配策略,同时明确热管理系统中关键部件水泵、风扇、电子膨胀阀的控制方法。在不同环境温度下,基于中国城市客车行驶工况(China heavy-duty commercial vehicle test cycle for bus,CHTC-B)对所建立的独立式整车热管理系统模型进行仿真分析。结果表明,所设计的独立式整车热管理系统温控效果良好。整车能耗受环境温度影响明显,环境温度由34°C升至37°C,整车能耗增加4.5%,由37°C升至40°C,能耗增加6.71%。低温环境下,车舱供暖能耗占比较大、且随环温降低而逐渐增大,-30°C时可达到27.74%。最后,在独立式整车热管理系统的基础上构建集成式热管理系统:将电机热管理和燃料电池热管理并联至同一热管理系统,由电机支路设置的比例阀控制流经电机的冷却液流量;车舱热管理系统与动力电池热管理系统有机结合,可通过空调系统对动力电池进行温度管控;建立燃料电池和电机热管理系统与车舱的联系,可利用燃料电池和电机的余热为车舱供暖。制定集成式热管理系统的工作模式及控制方案,在典型CHTC-B工况下对集成式整车热管理系统进行不同环境温度下的性能仿真。结果表明,集成式热管理系统的控制效果良好。通过制冷系统,在高温环境下可将动力电池温度控制在28～32°C。耦合回收利用余热量时,当环境温度高于-15°C时可满足座舱的加热需求,环境温度低于-20°C则需通过PTC补热。对于整车能耗,随着环境温度从5°C降至-30°C,集成式热管理系统较之独立式热管理系统的耗氢量可降低5.50%～13.76%。

关键词：燃料电池客车热管理系统 AMESim 仿真建模能耗对比

车载氢燃料电池变载工况热管理系统控制策略设计

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车载氢燃料电池变载工况热管理系统控制策略设计

作者：朱灵重庆理工大学

学位级别：硕士

中国巨大的燃油汽车保有量是导致能源危机和环境问题的重要因素,氢能以其能量密度大,无污染,无碳排等特点,是解决能源和环境问题的最佳方案。质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell,PEMFC)以其能量转化率高,环境适应... 详细信息

中国巨大的燃油汽车保有量是导致能源危机和环境问题的重要因素,氢能以其能量密度大,无污染,无碳排等特点,是解决能源和环境问题的最佳方案。质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell,PEMFC)以其能量转化率高,环境适应能力强,是当下备受关注的车用动力源的发展与研究方向之一。其中,热管理系统是车载质子交换膜燃料电池系统的重要组成部分,合理的热管理系统能够保证其内部运行温度的稳定性,提高其输出性能,相对延长其工作寿命,是车辆稳定运行的有效保障之一,由此,对车载质子交换膜燃料电池热管理系统进行研究具有重要意义。根据车载质子交换膜燃料电池系统内部电化学反应原理,传热学原理与质量守恒定律,结合质子交换膜燃料电池电堆与热管理系统部件热传递特性,搭建包括电堆电压模型、能量模型、热管理系统部件模型在内的车载质子交换膜燃料电池集总参数动态模型。基于建立的集总参数模型,对环境温度在0～10℃与30～40℃温度区间中,车载燃料电池分别进行两种不同工况运行,分析其散热部件中关于冷却水箱与散热器不同排布顺序下质子交换膜燃料电池冷却液温度与输出电压变化规律,以系统电堆冷却液进口温度,出口温度,进出口温度差与电堆输出电压等参数进行研究,确定在环境温度变化下,不同工况下的适宜的不同热管理部件排布顺序。分析车载质子交换膜燃料电池热管理系统冷却液流量与冷却空气流量对电堆温度控制的重要性,选取模糊PID控制,调节控制参数,制定模糊控制规则,并推导自适应控制公式,以电堆冷却液出口温度与散热器冷却液出口温度为控制目标,搭建燃料电池热管理系统流量控制器模型。通过热功率阶跃工况分别选取自适应控制与模糊PID控制作为热管理系统冷却液流量控制器与散热器冷却空气流量控制器。并在对应工况下热管理系统中不同位置的冷却液温度与电堆输出电压等参数曲线对相应控制器效果进行分析,结果表明相关参数皆在合理范围内出现的合理变化,满足相应控制要求。

关键词：质子交换膜燃料电池热管理系统变载工况散热部件排布温度控制