1、PAGE 68機(jī) 械 工 程 學(xué) 報第39卷第2期期燃料電池汽車動力控制模塊水冷系統(tǒng)數(shù)值模擬常國峰，許思傳，倪淮生（同濟(jì)大學(xué) 汽車學(xué)院， 上海 200092）摘要：設(shè)計了動力控制模塊的冷卻系統(tǒng)，提出了兩種方案，并對其進(jìn)行了計算校核；在動力控制模塊冷卻系統(tǒng)的關(guān)鍵部件上采用了強(qiáng)化傳熱措施，并應(yīng)用Fluent軟件對冷卻結(jié)構(gòu)進(jìn)行了數(shù)值模擬，根據(jù)模擬的結(jié)果對冷卻結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，動力控制模塊實(shí)際運(yùn)行情況良好。關(guān)鍵詞：燃料電池; 動力控制模塊 ; 數(shù)值模擬 ; 冷卻系統(tǒng)中圖分類號：TM911.4 文獻(xiàn)標(biāo)示碼：A Numerical Simulation on Power Control Module Coo

2、ling Plate of Fuel Cell VehicleCHANG Guofeng ； XU Sichuan；NI Huaisheng； (School of Automotive， Tongji University，Shanghai 200092，China) Abstract: The cooling system of the power control module designed in this paper provides two options, and checks and calculates them. In the cooling system power co

3、ntrol module, the key components are used the forced heat transfer measures, and utilize fluent software to do numerical simulation of cooling structure, according to the results of this simulation, the cooling structure is optimized, the power control module actual operation is good.Key words: fuel

4、 cell ; power control module ; numerical simulation ; cooling system收稿日期：2008-07-01基金項(xiàng)目：國家”八六三”高科技發(fā)展計劃資助項(xiàng)目(2006AA11A101) 作者簡介：常國峰（1976-），男，講師，工學(xué)博士，主要研究方向?yàn)樾履茉磩恿ο到y(tǒng)，E-mail:changguofeng許思傳（1963-），男，教授，博士生導(dǎo)師，工學(xué)博士. 主要研究方向?yàn)樾履茉磩恿ο到y(tǒng)，E-mail:scxu 燃料電池汽車是以氫為能源的新一代新能源轎車，由其工作原理決定其整車熱管理工作較為復(fù)雜1-4。燃料電池汽車平臺的一個重要改進(jìn)就是將

5、直流變換器（DC/DC）,逆變器（DC/AC）等控制器整合在一起，命名為動力控制模塊（power control unit，PCU），PCU內(nèi)都為功率較大的發(fā)熱部件。為了保證燃料電池汽車能夠持久、穩(wěn)定、可靠地工作，必須對發(fā)熱部件進(jìn)行有效冷卻5-7。1 設(shè)計方案1.1 設(shè)計要求在某型燃料電池汽車上，PCU的布置如圖1所示，可以看出，由于DC/DC中部區(qū)域局部發(fā)熱量很大，所以相對于其他區(qū)域，其散熱難度也較大。圖 SEQ 圖 * ARABIC 1 PCU方案及其發(fā)熱模塊分布Fig.1 PCU scheme and emitting heat module distribution本方案的目的就是要設(shè)

6、計出PCU的冷卻水道，使其每個電子元器件產(chǎn)生的熱量能及時地通過冷卻水和散熱器散出，降低DC/DC、DC/AC和電機(jī)驅(qū)動器等元器件溫度，以保證其正常工作。1.2 PCU冷卻系統(tǒng)的設(shè)計計算PCU冷卻系統(tǒng)總體設(shè)計計算分為兩部分，一部分區(qū)域?yàn)榘l(fā)熱模塊安放區(qū)域，這部分散熱要求比較高，采用加肋柱進(jìn)行換熱強(qiáng)化設(shè)計；其余區(qū)域?yàn)樯倭堪l(fā)熱區(qū)域，這部分散熱要求相對較低，不采用肋柱方式，有利于生產(chǎn)加工。首先按照發(fā)熱模塊位置將整個水道分解，各局部散熱能力采用校核計算8，先設(shè)定入口水溫和水流量，將局部發(fā)熱量作為理想水冷換熱量，計算各特征溫度，根據(jù)特征方程求解努謝爾數(shù)、換熱系數(shù)和局部換熱量，比較求解得出的換熱量和理想水冷換

7、熱量的值，如果前者大于后者，則系統(tǒng)達(dá)到散熱要求。然后是阻力計算。根據(jù)水道的初步設(shè)計，包括水流通道形式、肋片形式和水流量等，計算流道內(nèi)的沿程阻力、各彎道處的彎道阻力、變截面的壓力損失，相加得到系統(tǒng)阻力。S1PCU水流道的模型示意圖S2dhb)流道內(nèi)圓柱尺寸示意圖圖 SEQ 圖 * ARABIC 2 PCU水流道結(jié)構(gòu)圖Fig.2 schematic diagram of PCU water channel model水冷通道布置如 REF _Ref196459050 h * MERGEFORMAT 圖2所示。強(qiáng)化肋形式為菱形肋柱，材料為鑄鋁。整個流道形式有兩種：一為強(qiáng)化肋流道；二為矩形通道。 RE

8、F _Ref196459050 h * MERGEFORMAT 圖2表示了各部分的分布情況。2 數(shù)學(xué)模型為更詳細(xì)了解水冷板的溫度場和速度場，并校核設(shè)計計算，采用數(shù)值模擬軟件對所設(shè)計的冷卻板進(jìn)行計算。2.1網(wǎng)格模型建立模型使用的軟件為：CATIA V5R14;Hypermesh v7.0；TGrid3.5.4；Fluent6.2.16以及Tecplot9.0。出口進(jìn)口圖3 冷卻水道網(wǎng)格模型Fig.3 cooling water channel mesh model圖3為冷卻水流道的網(wǎng)格模型，模型的數(shù)量為單元數(shù)820754，節(jié)點(diǎn)數(shù)為198346。2.2邊界條件 根據(jù)PCU冷卻水泵的流量，將流道冷卻

9、水的流量定為0.84 m3h-1，入口邊界定義為壓力入口，邊界條件如表1所示：表 SEQ _表 * ARABIC 1入口邊界條件Table 1 Entrance boundary conditions冷卻水全壓/ pa冷卻水靜壓/pa紊流強(qiáng)度/ %當(dāng)量直徑/mm4410130000515出口邊界同樣定義為壓力出口，邊界條件為表壓為0 pa； 2.3計算方程 由于水是粘性流體，流動基本為湍流流動，選擇K兩方程模型作為湍流模型7。將冷卻水設(shè)定為理想流體。由K方程、方程、動量方程、能量方程、連續(xù)方程一起構(gòu)成流動與換熱的基本控制方程。其通用形式為：（1）式中：流體密度 速度單位體積內(nèi)紊流脈動動能的耗散

10、率 S 源項(xiàng)2.3.1冷卻水流動的控制微分方程連續(xù)性方程： (2)動量守恒方程：(3)能量方程：(4)式(2)-(4)中:為方向的速度,1，2，3；代表三個垂直坐標(biāo)軸坐標(biāo)；為方向的速度；為冷卻水密度；為冷卻水壓力/Pa；為冷卻水流動力粘度；為冷卻水熱膨脹系數(shù)； 為方向之重力加速度；為參考溫度；為冷卻水溫度；為冷卻水定壓比焓值；為冷卻水比定壓熱容。為熱源；為冷卻水導(dǎo)熱系數(shù)； 冷卻水流動的湍流方程K方程：(5)式中k紊流脈動動能；湍流渦粘性系數(shù)， ；t為渦粘性系數(shù)與紊流脈動動能系數(shù)的比值；xi,xj為i,j在x方向的分量；單位體積內(nèi)紊流脈動動能的耗散率。方程：(6)式中: 為湍流動能耗散率的Pra

11、ndtl數(shù)；C1,C2為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，分別取為1.44，1.92；(7)式中：為動力粘度；為平行于固體壁面的脈動速度；為k在x方向的分量計算結(jié)果由PCU系統(tǒng)的冷卻要求，設(shè)計了A方案。經(jīng)過對A方案的數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)A方案中局部凸角處溫度過高，故對A方案進(jìn)行了改進(jìn)，完成了B方案的設(shè)計。3.1 A、B方案流道設(shè)計計算參數(shù)在滿足散熱要求的同時滿足PCU的設(shè)計加工的方便以及使用的安全性，對流道的參數(shù)做出了一些調(diào)整，具體兩方案的設(shè)計計算參數(shù)（參數(shù)位置見圖2）如下表所示。表 SEQ _表 * ARABIC 2流道設(shè)計計算參數(shù)Table 2 channel designs calculation parameter

12、參數(shù)新流道原流道流道入口溫度/7070流道水流量/（m3h-1）0.840.84各發(fā)熱模塊臺面最高溫度設(shè)定/8383底板厚度/mm56S1-相鄰兩圓柱橫向間距/mm1414S2-相鄰兩圓柱縱向間距/mmS1*S1*d -圓柱直徑/mm66h-圓柱高/mm15143.2 A方案的模型與數(shù)值計算圖4 A方案的速度矢量圖Fig.4 A schemes velocity vector figure圖4為計算得到的水冷板內(nèi)冷卻水流速度矢量圖，圖中顏色越黑則表示相應(yīng)速率越大?？梢钥闯觯赫麄€流場比較均勻，在流道突然變化時產(chǎn)生突變。水流道凸出部分流速很低，這部分面積并未因?yàn)樵黾恿藗鳠崦娣e而強(qiáng)化了散熱效果，反而

13、增加了加工的難度。流道寬的地方容易形成死角，不利于傳熱。流道越窄流速越快，且易于傳熱。圖5 A方案的壓力分布（單位：Pa）Fig.5 A schemes pressure distribution figure(unit:Pa)圖5為A方案的壓力分布圖。從圖中可以看出，壓力從流道入口到出口均勻變化，并沒有局部阻力特別大的現(xiàn)象。在考慮元器件發(fā)熱量的狀態(tài)下，重新定義邊界，結(jié)果見圖6。圖6 A方案溫度分布圖Fig.6 A schemes temperature distribution figure從圖6中可以看出，在考慮元器件發(fā)熱量的情況下，流道設(shè)計的散熱量還是基本保持在允許的溫度范圍內(nèi)，從圖6還

14、看出，局部凸角處溫度過高，表現(xiàn)在貼近發(fā)熱面的流道區(qū)域內(nèi)，但在流道的其它區(qū)域內(nèi)，溫度基本保持在允許的穩(wěn)定范圍內(nèi)，沒有溫度過高現(xiàn)象。因此，在A方案的基礎(chǔ)上，又設(shè)計了B方案，并在B方案的設(shè)計中盡量使流道均勻一致，避免出現(xiàn)突變的情況；進(jìn)行流道設(shè)計時取消其中的凸出部分；設(shè)計的流道盡可能窄，避免產(chǎn)生死角，增強(qiáng)換熱；3.3 B方案的模型與數(shù)值計算3.3.1 B方案的流道圖7 B方案元器件分布及流道示意Fig.7 B scheme element distribution and channel schematic figure3.3.2 各分熱區(qū)散熱量及阻力計算（表3） 表 SEQ _表 * ARABIC

15、3 PCU換熱區(qū)溫度與阻力Table 3 Calculation table of PCU heat transfer areas temperature and resistance發(fā)熱區(qū)進(jìn)口水溫/需散熱量/kW出口水溫/散熱能力/kW局部阻力/Pa1701.571.63.41388271.61.573.12.8158830.150.421840.150.3451573.50.5740.62106740.574.50.5210774.50.474.93.01214874.90.475.82.5365由上述阻力模擬計算結(jié)果可看出：冷卻水流道總阻力不超過5642Pa，滿足水冷板設(shè)計阻力要求。3.

16、3.3 網(wǎng)格模型圖8 B方案計算模型網(wǎng)格Fig.8 B schemes calculation model mesh模型的規(guī)模為單元數(shù)114904，節(jié)點(diǎn)數(shù)為30440。邊界條件同樣根據(jù)流道冷卻水流量0.84 m3h-1,定義壓力入口與壓力出口同A方案相同。 3.3.4計算結(jié)果圖9 B方案的速度矢量圖Fig.9 B schemes velocity vector figure從圖9可以看出：液體流速分布比圖4有明顯改善，但也形成了一個渦旋區(qū)，應(yīng)在未來的改進(jìn)設(shè)計中加以重點(diǎn)考慮。流道窄的地方流速高，有利于散熱。因此，在應(yīng)盡可能的滿足各個區(qū)域散熱的同時也應(yīng)滿足各個流道的均勻性，此外，還要考慮到加工的方

17、便及可靠性。圖 10 B方案的壓力分布圖（單位：Pa）Fig.10 B schemes pressure distribution figure（unit：Pa）圖10為B方案水流道內(nèi)的壓力分布，總體來看，從進(jìn)口至出口壓力是均勻變化的，但是在產(chǎn)生渦流的區(qū)域壓力突然變低，隨后又趨于均勻。如圖11所示為改進(jìn)后的B方案的數(shù)模。a PCU水冷板整體三維模型 b PCU水冷板三維模型局部結(jié)構(gòu)圖11 B方案PCU水冷板三維模型Fig.11 B schemes PCU cooling plate numerical model3.3.5 試驗(yàn)結(jié)果PCU冷卻系統(tǒng)系統(tǒng)設(shè)計完成后，進(jìn)行了產(chǎn)品加工和性能試驗(yàn)。試驗(yàn)條

18、件為進(jìn)口水溫70，水流量0.8m3h-1。DC/DC、DC/AC等部分，水冷板零件安裝面的最高溫度低于75，滿足設(shè)計要求。經(jīng)過試驗(yàn)證明，此水冷板的冷卻效果優(yōu)于各個零部件的獨(dú)立冷卻組件，體積減小質(zhì)量減輕。結(jié)論通過數(shù)值模擬計算，在對PCU水冷板A方案設(shè)計中溫度場和流場進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，綜合考慮強(qiáng)化傳熱和降低成本的要求對其進(jìn)行合理優(yōu)化，完成了水冷板系統(tǒng)的B方案設(shè)計；在PCU冷卻水冷板流道設(shè)計中，應(yīng)盡量使流道均勻一致，避免出現(xiàn)突變的情況；設(shè)計的流道應(yīng)盡可能窄，避免產(chǎn)生死角，增強(qiáng)換熱；進(jìn)口水溫70，水流量為0.8m3h-1時，水冷板零件安裝面的最高溫度低于75，達(dá)到設(shè)計要求，并且阻力值在29.4KPa以

19、下。參 考 文 獻(xiàn)1 Tsushima S, Teranishi K, Nishida K, et al. Water content distribution in a polymer electrolyte membrane for advanced fuel cell system with liquid water supplyJ. Magnetic Resonance Imaging, 2005, 23: 255.2 Dohle H, Mergel J, Stolten D. Heat and power management of a direct-methanol-fuel-ce

20、ll(DMFC) systemJ. Journal of Transport phenomena, 2001,3:151.3 Djilali N, Lu D M. Influence of heat transfer on gas and water transport in fuel cellsJ. Int J Therm Sci, 2002,41(1): 29.4 Wang M H, Ma C F. Temperature measurement technologies and their application in the research of fuel cellC./Proceeding of Firsr International Conference on Fuel Cell Science, Engineering and technology. Rochester: ASME, 2003:95-100.5 Allen DA, Lasecki MP. Thermal management evolution and controlled coolant FlowC./ Soc. Automot. Eng.,SAE Paper 2001 - 01 - 1732.6 Djilali N