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2025【燃料电池水热管理系统设计与优化研究13000字(论文)】.doc

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燃料电池水热管理系统设计与优化研究

摘要:在全球能源紧缺和气候变暖的大背景下,燃料电池(FuelCell)因为工作温度不高、能量密度也高、可靠性好、加装燃料快速便捷、产物为水无污染等特点,逐步成为车用传统能源的代替动力源。而在整个燃料电池汽车运行的过程中,燃料电池的温度特性对电堆性能表现影响极大,一个性能良好的电堆热管理系统能满足电堆散热和加热需求,保证其在工况运行中维持温度稳定在合理范围之内,从而提高电堆输出功率,延长使用寿命。因此,研究燃料电池热管理系统有着十分重要的意义。

本文以的温度特性、热管理系统模型、控制方法等为切入点介绍国内外研究现状,引出选题意义和主要研究内容。论文依托校企联合项目“天博燃料电池电堆热管理系统匹配”,首先从电堆单电池机理出发,通过燃料电池的活化极化、欧姆极化、浓差极化过电压理论在MATLAB/Simulink平台搭建了电堆的输出电压模型,并通过试实验证明模型准确性,并以此为基础分析电堆的温度特性。[1]

关键词:燃料电池热管理系统;系统管理设计;能源汽车

目录

TOC\o1-3\h\u197891.绪论 1

309391.1选题背景与意义 1

293441.2国内外热管理系统研究现状 1

144522.燃料电池水热管理系统 2

51862.1燃料电池系统产热分析 3

258322.1.1电堆生成化学能 3

171382.1.2电堆输出功率 4

11052.1.3尾气散热 4

29282.1.4冷却水散热 4

151802.2热管理系统设计性能目标 4

100452.3燃料电池热管理系统设计 5

203002.3.1前舱散热模块分布 5

143792.3.2冷却流道内部对流换热 6

113552.3.3电堆的热管理系统结构 8

34762.4热管理系统控制策略 10

46052.5本章小结 11

102963热管理系统各部件参数匹配 12

266433.1热管理系统各部件参数匹配 12

66693.3.1散热器 12

10083.3.2风扇选取 14

24363.3.3循环水泵 15

99834.热管理系统在车用工况下的仿真研究 16

71914.1整车能量管理策略建模 17

29844.2极端高温爬坡工况下仿真研究 20

271584.3极端低温工况下的仿真研究 23

149384.4常温NEDC仿真研究 25

281745.结论 26

28643参考文献 28

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1.绪论

1.1选题背景与意义

汽车领域,以锂电池为能源的电动车技术基本成型,同样从19世纪50年代后,燃料电池汽车开始得到发展,海外燃料电池市场也逐渐进入商用化阶段:日韩、美国和欧洲相关技术迅速发展,基本性能的开发已经完成,核心技术问题也部分得到了解决,各自生产自家的燃料电池汽车,诸如:丰田Mirai、奔驰F-cellEQPower等。各国加快相关技术研究,加氢站建设也在逐渐增多(李晓东,张文博,王俊宇,2022)。而此时中国的燃料电池汽车技术大多还处于试验发展阶段,电池总成和相关控制模块多采用进口,国内生产的相关零部件和总成规模小,且易出现各种问题,影响产品的质量。据了解,我国氢燃料电池汽车累计推广应用超过2000辆,投入运行加氢站有12座,且在北上广等地均开展了示范应用。发展核心技术,投入大规模生产任重而道远(刘思韵,陈晨曦,周子和,2023)。[2]

目前,关于传统内燃机汽车、电动车的热管理系统研究不少,针对车用燃料电池热管理系统的研究部分,大多数燃料电池的热管理系统均借鉴内燃机的热管理设计,冷却水通过电堆内流道后由发动机前舱散热模块进行散热(张志华,李天佑,王怡萱,2021)。

1.2国内外热管理系统研究现状

温度是影响燃料电池性能最重要的因素之一,[3]PEMFC的运行温度在60-80°C的时候能保持比较高的能量的转换效率。一般的情况下在40%-60%u左右,高时能到60%。电堆运行时温度比较低的时候,从这些活动中看出电池的阻抗会变大,极化较大,电堆性能下降,效率降两侧气体通过交换膜直接接触反应,容易造成如燃烧爆炸之类的严重的安全事故。因此为了保持适合的工作温度,需要热管理系统将电堆的废热排出(王紫萱,陈雪婷,李俊杰,2022)。而相比于内燃机,燃料电池电堆的运行环境更恶劣,散热难度更大。

2.燃料电池水热管理系统

燃料电池热管理主要是对电堆温度控制,有效利用和散发废热,保持电堆内热平衡。低温时电池内各种极化增强,欧姆阻抗较大,从这

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