设计目标

电堆冷却系统不但要在高温环境下将电堆多余的热量及时地散到外界空气中，而且要在低温环境下具备加热性能，满足车辆冷启动条件。反应电堆本身对水温要求也十分苛刻，水温限值仅有70 ℃（传统发动机限值115 ℃），电堆进出口温差≤ 8 ℃，具体目标见表1。

冷却原理

如图1 所示，鉴于对电堆的保护考虑，尽量减小电堆入口压力，将电堆布置在水泵前；水泵后散热器与加热器并联，通过三通阀控制加热/ 散热模式；去离子器流阻较大，所以与电堆并联在回路中；膨胀水壶设有两条排气管路，分别接在电堆和散热器上，补水管路接在水泵前。

系统边界计算

根据燃料电池堆发热量计算公式计算发热量：

式中，P e 为电堆额定功率；V c 为单电池平均电压；燃料电池单体平均电压一般取值为0.65 V，则Qf=36×(1.25/0.65-1)=33 kW。

电堆所需水流量为：

式中， C 为冷却液比热容， 取值3.5×103J/kg×K ；△T 为进出水温差（电堆进出水口温差要求不大于8 ℃）；将Q f=33 kw 代入公式（2），则G ≥ 72 L/min。

零部件选型

1. 散热器选型

从设计目标可知，环境温度40 ℃，散热器最大液气温差为38 ℃，系统所需散热量为33 kW，换算成60 ℃液气温差下散热量约为50 ～ 60 kW（散热器换热性能测试中，液气温差一般为60 ℃）。结合系统水流量需求，初步完成散热器选型；风扇则选型一款同级别纯电动汽车风扇。使用选型的散热器和风扇搭建整车模型，通过CFD 仿真分析（图2），得出车速100 km/h 下，散热器的平均风速为4.3 m/s。根据电堆水流量≥ 72 L/min，并考虑去离子器流量，预估散热器流量为82L/min，从散热器换热性能曲线（图3）可以看出，在风速4.3 m/s，水流量82 L/min 时，可满足系统散热需求。

2. 水泵选型

根据水泵流量82 L/min，结合系统内各零部件流阻数据统计，选择水泵型号，其性能和效率曲线如图4 所示。

3. 加热器选型

根据设计目标要求， 水加热器把小循环水从-20 ℃加热到0 ℃用时不超过3 min，据此计算加热器功率大小：

（ 3）式中，C 为冷却液比热；m 为冷却液质量；ΔT 为冷却液温升；P为加热器功率；Δt 为加热时间；η 为加热器效率。其中，水加热器效率为95%，小循环回路中冷却液容积约为10 L，代入公式（3），则P= 3.9 kW。所以选用4 kW 功率加热器。

4. 膨胀水壶选型

膨胀水壶在冷却系统主要起排气补水的作用，排气管路分别接在电堆和散热器高点，补水管路接在水泵前。膨胀水壶容积要求不小于系统总容积的20%，系统总容积约为12 L，则膨胀水壶最小容积为：V=12×18%=2.16 L。因此， 选型2.3 L 容积膨胀水壶。

系统仿真检验

根据电堆冷却系统原理搭建Flowmaster 仿真模型（图5）。环境温度40 ℃，车速100 km/h，代入零部件参数（流阻、风阻、性能等参数），仿真结果见表2。电堆进口水温66.8 ℃＜ 70 ℃，满足设计要求；电堆进出口温差7.2 ℃＜ 8 ℃，也满足设计要求。