燃料电池发动机主要热特性试验研究

这是一篇关于燃料电池,测试平台,热管理,温度分布的论文, 主要内容为全球能源清洁变革的浪潮下,我国在“双碳”战略目标的指引下,不断推进能源绿色转型。其中,氢能和燃料电池作为清洁高效的能量储存与利用方式而被寄予厚望,燃料电池汽车的推广应用将有力助推交通领域的降碳减排。燃料电池汽车在补能速度、能量密度和低温适应性等方面优势显著,特别适用于长途重载的商用车。同时,在“柴改氢”需求和国家“以奖代补”政策的刺激下,燃料电池发动机正不断向大功率迈进。大功率燃料电池发动机堆叠单体数激增,导致温度分布不均影响性能输出与使用寿命,需针对性地进行热管理优化。散热负荷大且对温度敏感的燃料电池有苛刻的热管理要求,燃料电池发动机功率、效率以及寿命等指标的提升离不开均衡高效散热以及余热利用等先进热管理技术的突破。热管理研究以管理对象的热特性为基础,但现有研究尚未探明大功率燃料电池发动机各工况下的温度分布等热特性,缺乏对大功率燃料电池发动机进行热特性测试的有效手段与应用于热管理优化的可靠数据。本文通过开发燃料电池发动机热特性测试平台并开展热特性试验研究弥补上述不足,旨在为先进热管理技术的研究提供测试手段与数据基础,对推进氢燃料电池汽车的高效化具有重要意义。围绕上述目标,本文主要开展了以下研究工作:(1)基于大功率化的发展趋势,通过分析产散热原理与热特性测试需求,明确主要测量参数及其测量方法,其中采用红外热像仪联合热电偶阵列全面精确地测量表面温度分布,并综合整理得出测试平台的总体架构设计。(2)按总体架构开展设备选型安装等硬件系统搭建工作,使用Lab VIEW开发了集信号采集、监测控制、能量分析为一体的软件系统,进而集成软硬件进行调试与性能分析,验证测试平台的可靠性。所开发的测试平台具有模块化、易扩展的特点,为大功率燃料电池发动机的温度分布等热特性研究提供有效试验手段。(3)应用开发的测试平台,以合作企业某款大功率燃料电池发动机为对象开展热特性试验研究,获得各工况下表征热状态和电堆表面温度分布情况的数据,定位局部高温区,并评估变载条件下的热管理效果,为大功率燃料电池发动机堆内冷却流道的优化设计以及热管理策略的优化指明方向。(4)开展大功率燃料电池发动机热管理策略研究,通过能量流分析得到各工况散热需求和可回收利用热量值,并针对热管理中的前馈控制部分,通过调控冷却水泵和散热风扇制定了考虑温度分布和部件能耗的热管理MAP策略,为大功率燃料电池发动机高效均衡的先进热管理技术研究提供参考。

动力电池直冷直热板的设计及优化研究

这是一篇关于动力电池,热管理,微通道,冷媒直冷,冷媒直热的论文, 主要内容为动力电池作为纯电动汽车的核心零部件,决定了纯电动汽车的续航里程及用车安全。设计开发一套高效且安全的动力电池热管理系统,可以有效提高动力电池的充放电性能,从而保证纯电动汽车的充电体验、续航里程和安全性能。本文基于冷媒直冷直热传热特性研究,设计开发了适用于动力电池的冷媒直冷直热板。首先,本文搭建了口琴管式直冷直热板的冷媒相变传热实验系统,针对口琴管式直冷直热板的蒸发和冷凝传热特性展开了研究。实验结果表明,对于采用R134a冷媒的口琴管式直冷直热板,在直冷工况下,其沸腾传热系数沿着冷媒流动方向呈下降趋势,随着直冷直热板宽度及质量流率的增加而增大。在冷媒流动过程中干度不断增加,沸腾传热系数先增大后减小。在中低干度下,沸腾传热系数随热流密度的增大而增大,在高干度下则随热流密度的增大而减小。直冷直热板压降随制冷剂干度、热流密度及蒸发温度的增大而增大,而随直冷直热板宽度的增加而减小;在直热工况下,其冷凝传热系数沿着冷媒流动方向呈下降趋势,随着直冷直热板宽度及质量流率的增加而增大。其次,针对某方形磷酸铁锂动力电池,对其产热及温度场特性进行了研究。该方形磷酸铁锂电池结构扁长,正负极柱在电芯两端引出,在恒倍率充电测试中发现电芯两端产热大温升高,而电芯中部则产热小温升低。基于此型电芯产热及温度场特性,结合口琴管式直冷直热板的蒸发和冷凝换热特性,本文通过口琴管合理布置及分汇流管设计,开发了适用于该型动力电池的口琴管式直冷直热板。通过压降及流量分配仿真分析可知,该直冷直热板设计合理,压降控制在180kPa范围内,流量分配均匀。在整车级充电测试中,该直冷直热板表现出了较高的换热性能,可满足整车不同工况下的充电控温需求。最后,为进一步提升用户充电体验,缩短整车常温和高温充电时间,本文在原设计基础上对口琴管式直冷直热板进行了优化。通过将电芯两端的口琴管加宽来强化电芯端部冷却,降低电芯端部温升速率,从而实现系统冷量按需分配,提升冷板整体冷却性能。整车验证结果表明,将电芯端部口琴管由原53mm加宽至65mm,在高温充电、常温充电,以及低温充电工况下,满充时长分别为74min、66.5min、110min,比原设计状态分别减少了 4min、1.5min、2min,优化切实可行。

燃料电池发动机主要热特性试验研究

这是一篇关于燃料电池,测试平台,热管理,温度分布的论文, 主要内容为全球能源清洁变革的浪潮下,我国在“双碳”战略目标的指引下,不断推进能源绿色转型。其中,氢能和燃料电池作为清洁高效的能量储存与利用方式而被寄予厚望,燃料电池汽车的推广应用将有力助推交通领域的降碳减排。燃料电池汽车在补能速度、能量密度和低温适应性等方面优势显著,特别适用于长途重载的商用车。同时,在“柴改氢”需求和国家“以奖代补”政策的刺激下,燃料电池发动机正不断向大功率迈进。大功率燃料电池发动机堆叠单体数激增,导致温度分布不均影响性能输出与使用寿命,需针对性地进行热管理优化。散热负荷大且对温度敏感的燃料电池有苛刻的热管理要求,燃料电池发动机功率、效率以及寿命等指标的提升离不开均衡高效散热以及余热利用等先进热管理技术的突破。热管理研究以管理对象的热特性为基础,但现有研究尚未探明大功率燃料电池发动机各工况下的温度分布等热特性,缺乏对大功率燃料电池发动机进行热特性测试的有效手段与应用于热管理优化的可靠数据。本文通过开发燃料电池发动机热特性测试平台并开展热特性试验研究弥补上述不足,旨在为先进热管理技术的研究提供测试手段与数据基础,对推进氢燃料电池汽车的高效化具有重要意义。围绕上述目标,本文主要开展了以下研究工作:(1)基于大功率化的发展趋势,通过分析产散热原理与热特性测试需求,明确主要测量参数及其测量方法,其中采用红外热像仪联合热电偶阵列全面精确地测量表面温度分布,并综合整理得出测试平台的总体架构设计。(2)按总体架构开展设备选型安装等硬件系统搭建工作,使用Lab VIEW开发了集信号采集、监测控制、能量分析为一体的软件系统,进而集成软硬件进行调试与性能分析,验证测试平台的可靠性。所开发的测试平台具有模块化、易扩展的特点,为大功率燃料电池发动机的温度分布等热特性研究提供有效试验手段。(3)应用开发的测试平台,以合作企业某款大功率燃料电池发动机为对象开展热特性试验研究,获得各工况下表征热状态和电堆表面温度分布情况的数据,定位局部高温区,并评估变载条件下的热管理效果,为大功率燃料电池发动机堆内冷却流道的优化设计以及热管理策略的优化指明方向。(4)开展大功率燃料电池发动机热管理策略研究,通过能量流分析得到各工况散热需求和可回收利用热量值,并针对热管理中的前馈控制部分,通过调控冷却水泵和散热风扇制定了考虑温度分布和部件能耗的热管理MAP策略,为大功率燃料电池发动机高效均衡的先进热管理技术研究提供参考。

多芯片电子系统的内嵌式微流散热关键技术研究

这是一篇关于高热流密度,热管理,内嵌式微流道,歧管,芯片阵列,热测试芯片的论文, 主要内容为随着电子系统集成度的不断提升以及对高运算性能的追求,致使电子芯片的工作频率与热耗散功率同步增加,热流密度已经超过1000 W/cm2,电子芯片的散热已经成为制约其性能输出的瓶颈之一。近期,随着具有优良性能多芯片组件系统的广泛应用,进一步加剧了电子系统的散热难度。例如,AMD公司的服务器芯片AMD EPYC 7002采用64核128线程,最大工作频率为3.4 GHz,热功耗达到了280 W。特斯拉的AI芯片Dojo由25个芯片组成,热功耗已经达到了10 k W。传统多芯片组件系统散热是一种基于间接式的热管理技术,如空气冷却、间接液体冷却,其散热能力被限制在了100 W/cm2左右。这些方法都存在以下几点问题:(1)电子芯片通过热界面材料与外置散热器粘接成一体,严重限制了散热器与热源之间的热传递能力。(2)针对不同电子系统的散热需求进行定制化的散热系统设计,以至于无法采用一种通用的散热方案实现热管理,实际应用效率低。(3)在整个液冷循环系统中,若一体化模块中某段流道出现阻塞或损坏,则会对整个电子系统造成不可逆的损伤。因此,亟待开发一种针对多芯片组件系统具有高效换热能力、可更换性、可配置性的散热方法。内嵌式冷却是针对高热流密度芯片一种非常具有吸引力的散热方法,与传统的间接式散热方法相比,突破了散热器与电子芯片之间热界面材料层的热阻限制,并且具有集成化、小型化、高效率散热等优点。本文对具有多个高功率芯片电子系统的散热需求进行了分析,并针对此需求进行了相关散热研究,创新性的提出通过将单个芯片的内嵌式歧管微流道散热方法与拼图式组装方式相结合,从而实现了一种可用于多芯片组件系统并且兼具可配置性和可更换性的内嵌式冷却方法。首先,本文针对独立的高热流密度芯片开展了内嵌式歧管微流道散热研究。采用液冷循环测试平台对换热结构的热工水力性能进行实验评估。结果显示,在器件热流密度和冷却液流量分别为1200 W/cm2和400 m L/min的条件下,集成有8×-50(歧管分液流道数量为8个;内嵌式微流道宽度为50μm)冷却结构的热测试芯片表面温度均匀性(阵列温度标准差)和最大温度能够被控制在1.88℃和69℃以内,从而验证了内嵌式歧管微流道散热方法能够实现对高热流密度芯片的有效热管理。针对多芯片组件系统的散热特性研究,采用尺寸为70mm×88 mm×9 mm的内嵌式冷却模块对3×3芯片阵列进行散热以验证多芯片内嵌式冷却方法的可行性。实验结果表明,3×3芯片阵列中每个芯片被独立冷却,彼此之间没有热耦合干扰。在400 W/cm2和500 m L/min的条件下,温度均匀性为2.59℃,芯片阵列中最大芯片温度低于58.3℃。在相同测试条件下,探究了三种不同排列方式芯片阵列的散热特性。结果显示,冷却模块之间的压降差异和芯片温度的最大波动范围分别小于1.6 k Pa和5.58℃,验证了冷却模块可以满足不同排布方式的芯片阵列散热需求。此外,冷却模块中的单个芯片经过反复组装拆卸后散热性能保持不变,验证了该冷却方法的可更换性。因此,本论文提出的针对多芯片组件系统的冷却方法具备未来应用于高性能处理器、相控阵雷达阵列、AI运算组件以及DC/DC电源转换器等系统中的前景。

多芯片电子系统的内嵌式微流散热关键技术研究

这是一篇关于高热流密度,热管理,内嵌式微流道,歧管,芯片阵列,热测试芯片的论文, 主要内容为随着电子系统集成度的不断提升以及对高运算性能的追求,致使电子芯片的工作频率与热耗散功率同步增加,热流密度已经超过1000 W/cm2,电子芯片的散热已经成为制约其性能输出的瓶颈之一。近期,随着具有优良性能多芯片组件系统的广泛应用,进一步加剧了电子系统的散热难度。例如,AMD公司的服务器芯片AMD EPYC 7002采用64核128线程,最大工作频率为3.4 GHz,热功耗达到了280 W。特斯拉的AI芯片Dojo由25个芯片组成,热功耗已经达到了10 k W。传统多芯片组件系统散热是一种基于间接式的热管理技术,如空气冷却、间接液体冷却,其散热能力被限制在了100 W/cm2左右。这些方法都存在以下几点问题:(1)电子芯片通过热界面材料与外置散热器粘接成一体,严重限制了散热器与热源之间的热传递能力。(2)针对不同电子系统的散热需求进行定制化的散热系统设计,以至于无法采用一种通用的散热方案实现热管理,实际应用效率低。(3)在整个液冷循环系统中,若一体化模块中某段流道出现阻塞或损坏,则会对整个电子系统造成不可逆的损伤。因此,亟待开发一种针对多芯片组件系统具有高效换热能力、可更换性、可配置性的散热方法。内嵌式冷却是针对高热流密度芯片一种非常具有吸引力的散热方法,与传统的间接式散热方法相比,突破了散热器与电子芯片之间热界面材料层的热阻限制,并且具有集成化、小型化、高效率散热等优点。本文对具有多个高功率芯片电子系统的散热需求进行了分析,并针对此需求进行了相关散热研究,创新性的提出通过将单个芯片的内嵌式歧管微流道散热方法与拼图式组装方式相结合,从而实现了一种可用于多芯片组件系统并且兼具可配置性和可更换性的内嵌式冷却方法。首先,本文针对独立的高热流密度芯片开展了内嵌式歧管微流道散热研究。采用液冷循环测试平台对换热结构的热工水力性能进行实验评估。结果显示,在器件热流密度和冷却液流量分别为1200 W/cm2和400 m L/min的条件下,集成有8×-50(歧管分液流道数量为8个;内嵌式微流道宽度为50μm)冷却结构的热测试芯片表面温度均匀性(阵列温度标准差)和最大温度能够被控制在1.88℃和69℃以内,从而验证了内嵌式歧管微流道散热方法能够实现对高热流密度芯片的有效热管理。针对多芯片组件系统的散热特性研究,采用尺寸为70mm×88 mm×9 mm的内嵌式冷却模块对3×3芯片阵列进行散热以验证多芯片内嵌式冷却方法的可行性。实验结果表明,3×3芯片阵列中每个芯片被独立冷却,彼此之间没有热耦合干扰。在400 W/cm2和500 m L/min的条件下,温度均匀性为2.59℃,芯片阵列中最大芯片温度低于58.3℃。在相同测试条件下,探究了三种不同排列方式芯片阵列的散热特性。结果显示,冷却模块之间的压降差异和芯片温度的最大波动范围分别小于1.6 k Pa和5.58℃,验证了冷却模块可以满足不同排布方式的芯片阵列散热需求。此外,冷却模块中的单个芯片经过反复组装拆卸后散热性能保持不变,验证了该冷却方法的可更换性。因此,本论文提出的针对多芯片组件系统的冷却方法具备未来应用于高性能处理器、相控阵雷达阵列、AI运算组件以及DC/DC电源转换器等系统中的前景。

锂离子电池微通道冷板优化设计及换热性能研究

这是一篇关于锂离子电池,热管理,微通道冷板,特斯拉阀,多目标优化的论文, 主要内容为车用锂离子电池的性能对温度较为敏感,开发高效节能的电池热管理技术,确保锂离子电池运行在15～35℃的最佳范围内,对锂离子电池意义重大。微通道冷板因体积小且换热系数大等优势广泛应用于车用锂离子电池冷却,冷板结构、通道形状和数量的优化研究是改善其换热性能的关键。本文针对方形电池设计了一种特斯拉阀型通道冷板,在建立的高精度电池热模型基础上开展液冷仿真,优化冷板配置参数,并通过液冷循环实验研究了冷板的换热性能。基于搭建的电池特性测试实验平台,设计并开展了一系列锂离子电池特性实验,包括放电温升实验、开路电压与端电压测试、混合动力脉冲能力特性实验和熵热系数实验,分析处理实验结果,获取了电池温升特性、开路电压与端电压特性、内阻特性和熵热系数特性,为后续电池热模型的建立与仿真提供了重要依据。根据电池产热和传热机理建立了电池三维三源项热模型。开展了绝热条件下方形和圆形电热片加热实验,辨识了电池内核比热容和各向导热系数;根据Bernardi产热模型和焦耳定律分别获取了电池内核区时变产热率和正负极区恒定产热率;使用Fluent开展了电池产热模拟,温升仿真与实验相对误差维持在3.57%以内,电池热模型精度较高,为液冷结构的优化设计提供了模型参考。设计了一种具有特斯拉阀型通道的冷板,建立了电池液冷有限元模型,针对电池3C放电工况开展了液冷仿真,发现与Z型通道相比,特斯拉阀型通道内冷却液正向和逆向流动时冷却效率分别提高了约4.5%和17.6%,特斯拉阀的分叉结构造成的湍流扰动增强了冷板的换热能力,改善了电池温均性。分析了冷板特征参数和冷却液流速改变对电池冷却效果的影响,通过中心复合设计响应面法获取了三个评价指标代理模型,设计了期望函数进行多目标优化,结果表明特斯拉阀夹角为120°、特斯拉阀间距为23.1mm、通道间距为28mm、冷却液进口速度为0.83m/s的冷板在换热性能与能耗之间取得了良好的平衡,最优配置下电池最高温度控制在30.5℃以内,且通道压降较低。基于搭建的液冷系统实验平台开展了电池液冷循环实验,检验了仿真的合理性与准确性,最优配置下液冷仿真与实验最大误差不超过1.25℃,证明了冷板参数优化设计的可信度较高。通过实验分析了冷板换热性能随冷却液进口流量和温度的变化规律,发现冷却液进口流量超过398m L/min时,电池冷却效果和温均性的改善逐渐趋于饱和状态;而冷却液进口温度的确定应考虑环境因素,进口温度过高或过低会造成冷板性能不均衡。

基于相变材料的电池包传热数值模拟及实验研究

这是一篇关于电池包,热管理,相变材料,数值模拟,参数研究的论文, 主要内容为电池包中的锂离子电池其性能与温度息息相关,只有在合适的温度范围内,电池的性能才能得到充分的利用。此外,还要降低电池模组整体温差,才能保持电池间具有良好的一致性。与传统风冷、液冷不同,本文采用相变材料对电池包进行热管理的研究,结合实验与数值仿真的方法,得到了很好的电池热管理性能。包含以下几部分研究结果:1.对电池单体进行充放电实验,在锂离子电池不同放电倍率工况下,观测18650电池温升情况,计算估测电池放热功率,建立放电电流与电池表面温升之间的关系,为后续的数值仿真分析提供依据。在高倍率9C放电时,只经过了400s左右,电池温度就超过了80℃,此时发热功率约6.9W,充分说明对电池包进行热管理的必要性。2.数值研究了基于相变材料设计电池单体的散热系统,以铝制仿形电池与加热棒模拟电池发热系统,降低研究难度。监测电池壁面温度,发现温升曲线会形成一段温度平台,但平台温度高于相变材料熔点温度9℃以上。在相变材料中添加金属泡沫后,温度平台现象消失,但电池温升速率进一步降低。3.建立小型电池包模型,对电池包温度分布进行仿真研究,有效运用数值仿真效率高的特性,进行大量参数研究。对散热系统多种参数进行了分析比较,发现对电池最终温度影响最大的为相变材料熔点,最小的为相变材料比热容。对电池包散热结构优化分析发现,添加翅片的电池控温效果更好,添加4个翅片后,相对于无翅片情形,最高温度降低超过5℃,然而椭圆翅片与直翅片效果相差不大。4.通过实验,观察电池包散热系统的控温效果,发现使用相变材料有效的降低了电池单体间温差,电池3.2W发热时,整个电池发热过程中,温差最高时只有3.3℃,低于空冷时的5℃,且电池最终温度为44℃远低于空冷时的64℃。比较实验数据与数值结果,发现吻合良好,也验证了前面的电池包数值分析结果的准确性。

锂离子电池微通道冷板优化设计及换热性能研究

这是一篇关于锂离子电池,热管理,微通道冷板,特斯拉阀,多目标优化的论文, 主要内容为车用锂离子电池的性能对温度较为敏感,开发高效节能的电池热管理技术,确保锂离子电池运行在15～35℃的最佳范围内,对锂离子电池意义重大。微通道冷板因体积小且换热系数大等优势广泛应用于车用锂离子电池冷却,冷板结构、通道形状和数量的优化研究是改善其换热性能的关键。本文针对方形电池设计了一种特斯拉阀型通道冷板,在建立的高精度电池热模型基础上开展液冷仿真,优化冷板配置参数,并通过液冷循环实验研究了冷板的换热性能。基于搭建的电池特性测试实验平台,设计并开展了一系列锂离子电池特性实验,包括放电温升实验、开路电压与端电压测试、混合动力脉冲能力特性实验和熵热系数实验,分析处理实验结果,获取了电池温升特性、开路电压与端电压特性、内阻特性和熵热系数特性,为后续电池热模型的建立与仿真提供了重要依据。根据电池产热和传热机理建立了电池三维三源项热模型。开展了绝热条件下方形和圆形电热片加热实验,辨识了电池内核比热容和各向导热系数;根据Bernardi产热模型和焦耳定律分别获取了电池内核区时变产热率和正负极区恒定产热率;使用Fluent开展了电池产热模拟,温升仿真与实验相对误差维持在3.57%以内,电池热模型精度较高,为液冷结构的优化设计提供了模型参考。设计了一种具有特斯拉阀型通道的冷板,建立了电池液冷有限元模型,针对电池3C放电工况开展了液冷仿真,发现与Z型通道相比,特斯拉阀型通道内冷却液正向和逆向流动时冷却效率分别提高了约4.5%和17.6%,特斯拉阀的分叉结构造成的湍流扰动增强了冷板的换热能力,改善了电池温均性。分析了冷板特征参数和冷却液流速改变对电池冷却效果的影响,通过中心复合设计响应面法获取了三个评价指标代理模型,设计了期望函数进行多目标优化,结果表明特斯拉阀夹角为120°、特斯拉阀间距为23.1mm、通道间距为28mm、冷却液进口速度为0.83m/s的冷板在换热性能与能耗之间取得了良好的平衡,最优配置下电池最高温度控制在30.5℃以内,且通道压降较低。基于搭建的液冷系统实验平台开展了电池液冷循环实验,检验了仿真的合理性与准确性,最优配置下液冷仿真与实验最大误差不超过1.25℃,证明了冷板参数优化设计的可信度较高。通过实验分析了冷板换热性能随冷却液进口流量和温度的变化规律,发现冷却液进口流量超过398m L/min时,电池冷却效果和温均性的改善逐渐趋于饱和状态;而冷却液进口温度的确定应考虑环境因素,进口温度过高或过低会造成冷板性能不均衡。