氢能重卡的高效热管理方法—蒸发相变冷却

通过收集燃料电池堆的电化学反应产物水，并向车辆的散热器进行喷淋水雾实现蒸发相变冷却，可以有效提升氢能重卡燃料电池系统的散热能力。本文分享现代汽车公司搭载NEXO燃料电池车辆进行的蒸发冷却方法验证。

图1 现代汽车公司HTWO燃料电池系统

01技术背景

在燃料电池汽车中，热管理的对象是燃料电池堆。有效的热管理对于提升系统整体效率、延长材料寿命进而提升整车寿命至关重要。即使在高功率运行条件下，也必须高效调节冷却系统以保持电堆内整个发电面积的温度均匀分布和在规定的最高运行温度范围内。

图3 现代氢能重卡燃料电池系统

相比传统内燃机，因燃料电池的常用工作温度要低40℃左右，燃料电池汽车散热器内冷却液和外部环境空气温差大约要比传统燃油车小50%。因此，为了达到与内燃机相同的性能，有必要根据温差将散热器的冷却能力提高两倍。关于热管理，在当前商业领域，研究和开发重点是扩大散热器的尺寸来增加换热面积，提高冷却风扇能力来增加空气换热流量，增加冷却液流量来促进热传递。

蒸发相变冷却以其冷却方法的高效而闻名，广泛应用于大型热交换设施，如轧钢、涡轮机等。目前，蒸发相变冷却这项技术已被汽车行业采用，通过在高性能汽车的中冷器上喷水来提高散热性能。然而，它的缺点是需要持续的供水进行喷淋。燃料电池的原理是氢气和氧气通过电化学反应产生水。因此，利用燃料电池汽车的独特属性，可以开发一个系统来回收产物水并对散热器进行喷淋实现蒸发冷却。现代汽车公司的FCEV清洁车已有一个开发案例，它通过收集水和使用便携式洗脸盆来改善工人的卫生条件。在这种情况下，向散热器喷淋燃料电池堆的产物水进行蒸发冷却是一种合适的方法，解决了燃料电池车辆在高温环境下高负载条件下出现的冷却能力不足问题。

图4 现代汽车公司搭载NEXO回收水和蒸发冷却系统

现代汽车公司本次研究旨在确定影响蒸发冷却系统冷却性能的变量，为开发新型冷却系统进行储备。首先，针对喷淋面积，通过数值分析研究了喷淋角度、喷淋位置和喷淋速度的影响。其次，通过搭载NEXO车辆改变喷淋角度、喷嘴位置、喷淋流量和喷淋压力，实际验证了蒸发冷却性能的定量改善。

图5 现代汽车公司搭载FCEV蒸发冷却系统实验

为了便于喷嘴安装和测试评估，现代汽车公司在NEXO上搭建了上图5所示的蒸发冷却系统。喷嘴位置见下图6所示，距离散热器距离为50 mm，其中A面向散热器高温区域，B面向整体。试验环境条件参考北美沙漠地区的环境，设定为室温45°C，湿度20%，太阳辐射1000 W/m2。为了防止FCEV电堆过载，电堆冷却剂温度只允许升高到85°，如果超过85℃，输出功率将受限制以防止过载，行驶速度也降低。因此，实验在输出功率不受限制的最大负载下运行，散热器入口温度即电堆出口温度为85°C。因此，基于85°C的参考温度对车辆施加了1850 N的牵引力。此外，评估是在车辆以100 km/h的速度在室内行驶的条件下进行的。

图6 现代汽车公司搭载FCEV蒸发冷却系统实验

通过对喷淋角度、喷淋压力、喷淋质量流量和喷淋位置的评估，现代汽车公司分析了各因素对蒸发冷却性能的影响。通过比较喷淋前后散热器入口温度，验证了蒸发冷却系统的性能。喷淋前的散热器入口温度在表中通过“initial”表示，喷淋后的温度通过“final”表示。为定量比较，两者间温差ΔT被用作评价指标，用来表示由于喷淋效应带来的冷却性能提升。

表1 蒸发冷却性能评估案例

下图7为喷淋角度对蒸发冷却性能的影响，case1、2和3的喷淋角度分别为110、95和80°。可以看到，随着喷淋角度增加，冷却性能改善，散热器的入口温度最高降低了14.1°C。这是因为根据喷淋面积和蒸发速率之间的关系，喷淋角度增加，每单位时间蒸发的水更多，散热量更大。

图7 喷淋角度影响

下图8展示了在case1和4中相同喷淋面积下喷嘴位置变化对冷却性能的影响。根据一般预测，当喷嘴集中在散热器上部的较热冷却剂时，温差会更大，蒸发效果也会更大。然而，喷嘴位置A和B的实测结果与预测不同，两者的实际冷却性能相当。这是因为，保险杠和进气格栅起到了阻流器的作用。

图8 喷淋位置影响

下图9通过case1、5和6展示了喷淋流量和冷却性能的关系。随着喷淋流量增加，冷却性能改善。喷淋的流量分别为0.4、0.6和0.8 LPM，最大温降达到了17.6 °C。从图中可以看到，在FC系统应用蒸发冷却方法前，散热器入口温度最高在85℃，而在系统应用后散热器入口温度降至67.5℃，下降达17.6°C。这表明总换热量随着蒸发流量的增加而增加。然而，散热器入口温度在0.6 LPM后表现相近。这表明，由于环境条件，可以蒸发的水流量有限。并且随着水流入速率的增加，很难实现进一步的冷却改善。因此，在这些条件下可以观察到冷却改善的饱和点，并通过实验确定了最佳流量条件。

图9 喷淋流量影响

下图10通过case7和8展示了喷淋压力和冷却性能的关系。通过在相同条件下将喷淋压力改变为4bar和1bar，观察到喷淋压力变化引起的冷却剂温度的变化。喷淋后的冷却液温度均下降收敛到69.5°C，表明喷淋压力几乎没有影响。这与上图所示的结果一致，喷淋压力的增加通常将导致单位时间内更多的水雾沿气流方向移动，然而由于保险杠和进气格栅的阻力效应，大量的水没有与散热器接触。考虑到阻力影响，预计高压喷淋在更换喷淋位置后会有更大的降温效果。

图10 喷淋压力影响

在空调冷凝器中也观察到了蒸发冷却带来的性能改善。当蒸发冷却效应降低了冷凝压力，冷凝器的负载也降低，导致压缩机功耗降低。特别地，如下表2所示，在case1条件下观察到压缩机功耗最大减少了57%。此外，预计它不仅可以通过降低功耗来减少电堆负载，还可以解决电动汽车因空调运行降低续航的问题。这项技术被认为是一项非常有前景的技术，不仅限于FCEV。

表2 空调压缩机功耗对比

在这项研究中，现代汽车公司提出了一种新型的冷却系统，即利用电堆电化学反应收集的冷凝水喷淋在散热器实现蒸发冷却。基于此，现代汽车公司搭载在NEXO燃料电池车辆上设计了一个蒸发冷却系统，通过考虑喷嘴安装的便利性和经验性能评估来选择最佳的喷嘴规格和位置。通过评估，可以将散热器的入口冷却液温度最高降低17.6°C，从而验证了蒸发冷却方法的有效性。此外，现代还验证了空调系统的压缩机功耗最大降低了57%。