燃料电池电动轿车样车的改进设计和仿真分析

主要介绍针对LN2000燃料电池电动轿车的改进设计方案及基于有关试验数据的仿真分析结果,原有开发的燃料电池电动轿车,在电机电控系统、燃料电池发动机系统和整车控制策略以及安全考虑方面还都有一定的欠缺。本文介绍的燃料电池电动轿车样车方案在上述提及的有关方面都进行了较大的完善,其中包括电池及能量管理系统的匹配设计、电池及控制器的选择、动力总成系统的设计(设计了一种电动轿车用两档行星变速装置,并选用交流电机电控系统,大大改善了燃料电池电动轿车的动力性能和使用经济性)、燃料电池发动机及辅助系统的设计(采用空气压缩机和高集成FCE系统)和整车控制策略分析,这使得完善后的燃料电池电动轿车在系统性能、控制优化和安全控制等方面都有了一定程度的改进。本文详细介绍了上述方案及基于试验数据的详细的设计计算和仿真分析结果。     

含GNs甲醇-水二元工质热虹吸管的动力电池散热特性研究

动力电池工作温度过高和温差过大都会导致其性能快速衰退,有效的热管理系统应将电池最高温度和电池模块表面温差控制在允许范围内。基于石墨烯纳米颗粒的甲醇-水二元混合工质热虹吸管的传热特性研究结果,选用充液率50%、石墨烯含量0.02wt%的甲醇-水二元工质热虹吸管为换热器件,搭建电池热管理实验测试装置,研究了模拟电池在1, 1.5, 2 C三种放电倍率下的散热性能,与自然对流和强制风冷散热进行对比。结果表明,热管散热方式三种放电倍率对应的电池最高温度分别为28.89, 32.12及35.76℃;热管散热方式平均升温速率最低,在2 C放电倍率时仅为0.525℃/min;2 C放电倍率下热管散热系统相比风冷散热方式温度下降了22.48%,相比自然对流温度下降了49.13%;三种放电倍率下热管散热系统的散热效率最高,且均超过了70%。研究结果可为热管散热系统应用于电池热管理系统提供理论依据和数据支撑。     

甲醇双氧水单腔体燃料电池II.不同阴极催化剂下的电池性能研究

分别以MnO₂和合成普鲁士蓝(PB/XC-72R)作为催化剂时，考察其对甲醇和双氧水的催化性能，发现两者均可以实现对双氧水的选择性催化。以开发的Z-NiPt为阳极催化剂，以MnO₂与PB/XC-72R为阴极催化剂，组成甲醇双氧水单腔体电池，并测试电池的性能。结果表明：以PB/XC-72R为阴极的单腔体燃料电池的最大功率可达9.1 mW。该研究验证了甲醇单腔体新型燃料电池的可行性，为后续甲醇双氧水单腔体燃料电池开发奠定了基础。     

重整甲醇高温聚合物电解质膜燃料电池研究进展与展望

甲醇作为一种安全便捷的液态储氢燃料,具有高含氢量以及高体积能量密度,可经重整为富氢气后与燃料电池系统集成为重整甲醇高温聚合物电解质膜燃料电池,从而高效地将甲醇和氧气的化学能转变为电能。本文针对重整甲醇高温聚合物电解质膜燃料电池的不同类型（外置重整型和内置重整型）,分别对其系统集成的实现与发展进行了总结,并介绍了其现阶段在军用和民用方面的应用情况,同时指出了技术研究与应用存在的瓶颈,并对未来的研究方向进行了展望。未来提升重整甲醇高温聚合物电解质膜燃料电池性能的努力在于开发低温工作的高效甲醇重整催化剂,以及高温稳定运行的聚合物电解质膜和非贵金属材料等燃料电池关键材料。     

动力电池组分层风冷式热管理系统仿真

为了强化电池热管理系统的散热能力,提高电池组的温度一致性,提出了反向分层风冷结构。基于电-热耦合生热模型及计算流体动力学,运用Fluent 15.0对风冷式电池热管理系统进行稳态数值仿真计算,并对所提出的散热结构进行了改进和优化。结果表明:使用反向分层风冷结构后各电池温度分布非常均匀,电池组整体最高温度及最大温差均有所下降,电池最大平均温差大幅度降低,电池组的温度场分布明显改善;增设扰流板后电池平均温度下降2.7℃,电池平均温差下降0.6℃,散热能力和温度一致性得到进一步提高,保证电池处于最佳工作温度范围内。     

富氢合成气中杂质气体对质子交换膜燃料电池性能的影响

质子交换膜燃料电池以其高效、清洁的优点在微型热电联产中广泛应用。利用天然气重整反应制氢是燃料电池最经济的氢气来源之一。研究重整合成气中的杂质气体对燃料电池性能的影响至关重要。设计、搭建了测试合成气体中杂质气体成分对质子交换膜燃料电池性能影响的实验测试系统,研究、考察了含氢合成气中杂质气体CO2,CH4,N2对质子交换膜燃料电池性能的影响。测试结果表明：对于所采用的PEM燃料电池及试验所采用的杂质气体的浓度范围,这些气体对于燃料电池的性能都有影响。其中N2对燃料电池的影响是可逆的,CH4和CO2会对电池造成永久性的损坏。     

甲醇重整气为燃料的质子交换膜燃料电池

进行了甲醇重整气与燃料电池的联合试验。与PEMFC配套的甲醇制氢氢源系统运行稳定,出口氢浓度为43-45%,CO含量为0-6ppm,压力控制在0.22~0.25MPa(表压)。单对电池氢的利用率可达到83%,电池排氢浓度为12%以下。不同氢源下PEMFC性能从高到底的顺序为纯氢、甲醇重整气、配气。单电池试验表明,微量的甲醇或二甲醚对电池未发现明显的影响。     

基于热管的圆柱形电池包冷却性能分析

热管理系统结构的合理设计是提高电池冷却性能的关键。针对圆柱形电池包,设计了热管与导热元件复合散热结构,并建立了数值仿真模型。通过实验验证了仿真模型的准确性。模拟分析了导热元件对电池模块冷却性能的影响,结果表明：加入导热元件可增大电池与热管之间的接触面积,显著提高电池模块冷却性能;导热元件与电池接触面的圆周角越大,电池与导热元件的接触面积也越大,电池模块的冷却性能越好,而当圆周角大于95°时,圆周角对电池冷却效果的影响较小;增加导热元件厚度能降低电池模块的温度,但效果不明显,建议厚度控制在4 mm以下为宜。     

基于热管的圆柱形电池包冷却性能分析

热管理系统结构的合理设计是提高电池冷却性能的关键。针对圆柱形电池包,设计了热管与导热元件复合散热结构,并建立了数值仿真模型。通过实验验证了仿真模型的准确性。模拟分析了导热元件对电池模块冷却性能的影响,结果表明:加入导热元件可增大电池与热管之间的接触面积,显著提高电池模块冷却性能;导热元件与电池接触面的圆周角越大,电池与导热元件的接触面积也越大,电池模块的冷却性能越好,而当圆周角大于95°时,圆周角对电池冷却效果的影响较小;增加导热元件厚度能降低电池模块的温度,但效果不明显,建议厚度控制在4 mm以下为宜。     

自呼吸式直接甲醇燃料电池性能及其传质特性

针对有效面积为1 cm2的自呼吸式直接甲醇燃料电池（direct methanol fuel cell,DMFC）单电池,阳极采用燃料罐供液,将阴极侧集流体和夹具设计为一体式结构,并用自制的七合一膜电极组件对其进行测试,讨论了催化剂类型、扩散层材料、集流体结构等因素对其性能的影响,分析了电池内部的传质特性,优化了电池特别是其在中高电流密度条件下的性能。实验结果表明：采用Pt黑、Pt-Ru黑催化剂制作的自呼吸式DMFC能强化反应物的传质;采用碳布制作的膜电极更倾向于获得更高的极限电流密度;低电流密度时,因甲醇渗透电池电压随着甲醇浓度的增加而降低,但在中高电流密度下,电池性能随甲醇浓度的增大先升高后降低;平行集流体有利于阴阳极生成物的排出和反应物的传质,因此易获得较高的电池性能。     

动力电池热管冷却效果实验

基于对动力电池在大负荷运行模式下的产热行为分析,组装了一种采用热管式冷却的电池热管理系统。在空气自然对流、强制对流和热管冷却3种模式下,研究了电池模块中各电池在放电过程的温度变化趋势。结果表明,镍氢MH-Ni动力电池采用热管式冷却方式具有良好的冷却效果,可确保电池在最佳的工作温度范围内运行,并且具有拉平电池温度的能力。与自然冷却及强制对流冷却相比,在3728 mA电流放电情况下,热管冷却方式使电池温升最多可以降低10 ℃左右;持续放电8 min后电池温度也不超过43℃。     

圆柱形锂离子电池模组微通道液冷热模型

针对电动汽车电堆的热管理系统，建立了包含71节18650型锂离子电池的电池模组的微通道液冷热模型。该模型集总处理单电池热过程、电池生热基于实测结果，模型还特别考虑了电池间导热。基于该模型，模拟研究了放电倍率、冷却液入口流速、电池间接触面积以及电池与水冷管外壁接触面积对电池模组热行为的影响。模拟结果证实了该微通道液冷方案对动力电池模组热管理的有效性，并且发现：放电倍率的增加会使电池模组内单电池温度增加、模组内温度一致性变差；增大冷却液流量可以显著降低电池模组的温度，并改善其温度一致性；增大电池间接触面积可略微提升电池模组温度一致性，但对控制其最高温度作用有限；增大电池与液冷管外壁接触面积可显著降低电池模组内电池的最高温度，但会使其温度一致性变差。     

新型蜂巢式液冷动力电池模块传热特性研究

为了维持动力电池的性能、延长其使用寿命,应使电池模块工作过程中的温度和温差维持在适宜的范围之内。为此,提出一种新型蜂巢式液冷动力电池模块,该结构内部设有进/出口导流板且电池呈蜂巢式分布,冷却液体与电池呈360°间接接触,极大强化了换热效果。在单体电池热特性数值模拟与试验验证的基础上,通过计算流体力学平台建立新型蜂巢式液冷电池模块模型,研究了电池模块的热行为,分析了冷却液流量、冷却液温度对电池模块传热性能的影响。结果表明：（1）增加冷却液流量可显著降低电池模块最高温度,改善温度均匀性,当冷却液流量增加到1.5 L/min之后,电池模块最高温度及最大温差趋于稳定;（2）冷却液温度的降低可显著降低电池模块中最高温度,但在一定程度上恶化了模块中的温度均匀性;（3）冷却液流量和温度对电池模块的加热特性影响显著。因此,采用液冷方式是必要的。     

基于热管技术的锂离子动力电池散热系统

基于对大功率锂离子动力电池温升和温度场分布的研究,设计了一种基于热管技术的锂离子动力电池散热模块。实验结果表明,采用所设计的散热模块能够有效降低电池壁面温度,使其壁面最高温度低于40℃,与无热管理条件相比降幅高达10℃,满足锂离子动力电池最佳工作温度范围。对散热模块与纯热管的散热性能进行对比,发现散热模块比单纯使用热管的散热效果和均温效果更好。此外,采用有限元模拟软件Fluent分析复合风冷翅片和U型热管模块蒸发段几何尺寸对散热模块性能的影响,发现复合风冷翅片能够有效提高模块散热性能以及不同的蒸发段几何分布会影响电池壁面温度和温度场分布。当U型热管蒸发段的垂直段和水平段长度比为1时,散热模块散热性能最好。     

基于正交层次法的锂离子电池热管散热模组数值模拟分析

设计了锂离子电池热管-铝板嵌合式散热模组,增大热管与电池接触面积,强化换热。利用数值模拟和正交试验层次分析研究了影响模组散热性能各因素的具体影响权重,进行参数优选。结果表明：各试验方案下电池模组的温差均控制在3℃以内,均温性能优异;各因素对最高温度的影响程度依次为：热管冷凝段对流传热系数>热管冷凝段长度>铝板厚度>热管间距;结合层次分析确定最佳参数组合为热管冷凝段对流传热系数25 W·m^-2·K^-1、热管长度117 mm、铝板厚度2 mm、热管间距20 mm,该方案下电池以2C倍率放电至20%模组的最高温度为41.60℃,温差为1.35℃,满足散热要求。     

基于微小槽道的冷媒直冷电池热管理系统性能研究与优化

本工作以基于微小槽道换热器的小型蒸气压缩系统为研究对象,对冷媒直冷电池热管理系统进行研究。确定了系统最佳冷媒充注量,总结了不同参数对系统热管理性能的影响规律,最后根据模型分析提出降低排气温度的改进方案。基于能效比(COP)最高的指标,确定系统冷媒最佳充注量为250 g。在固定加热功率条件下,随膨胀阀开度(OEV)的增加,微小槽道内的换热系数持续升高,而电池温度出现先降低后升高的趋势,因此存在最佳OEV使得电池温度最低;随电池模组加热功率增加,最佳OEV对应的蒸发器出口干度逐渐降低,虽然微小槽道换热系数有所升高,但是更快的加热功率增大速率使得电池温度升高;环境温度的升高对系统热管理性能产生不利影响,但是在35℃的高温环境下,电池温度依然能够被冷却至环境温度以下。基于AMEsim模型分析表明,增加冷凝器换热面积的方案,能够有效降低排气温度。     

基于热电效应的高效环控系统

部分空间科学实验对环境温度有较高的要求,环境温度高于或低于空间科学系统能够提供的热沉温度,需要有可靠有效的加温降温处理措施。使用可靠性强的热电制冷片作为制冷制热方式和气液换热器二次换热来实现环境温度控制的需求,并对不同流体温度制冷制热效果进行分析,结果表明流体温度和目标温度差越小,热电制冷制热的效果越好。在环境温度制冷工况中,热电单元数量随电流增加先减少后增加,在制热工况中则单调递减,设计中需按照制冷工况进行热电单元数量的确定。当流体温度接近制冷制热的目标温度时,会出现整个系统总效率优于热电系统效率的区间。通过对热电单元和气液换热器的组合系统的性能计算,提供一种适于热电环控系统的计算方法和部件选型思路,对空间站环控系统的设计有重要参考意义。     

翅片式锂电池热管理系统散热性能的实验研究

锂电池在使用时会持续产热,作为电动汽车电源使用时若不采取有效的热管理措施,可能导致其温度过高、电池单体间温差过大,从而影响其性能和寿命.目前电池热管理系统多采用强制风冷、循环液冷、相变冷却、热管冷却等方法,结构复杂且成本较高.本文采用纯铜翅片式电池热管理系统并进行了实验研究,通过改变放电倍率和翅片厚度,研究了电池组在不同工况下的热特性.结果表明:自然对流条件下,加装翅片可显著抑制电池组温度过高,并可改善电池组温度分布的均匀性;增加翅片厚度可满足高放电倍率和深度放电时的温度要求.     

相变材料用于质子交换膜燃料电池的热管理

质子交换膜燃料电池（PEMFC）因能量转化率高且环境友好,成为新一代能源动力的选择。通过分析温度对PEMFC运行性能的重要影响说明对电池进行有效热管理的重要性,按照主动冷却和被动冷却的分类方式对目前PEMFC热管理的研究现状进行归纳和综述,着重介绍运用相变材料的电池热管理系统中材料的选择和强化传热的方法,并对该领域未来研究方向进行了展望。