氢能混动分布式热管理系统多热沉匹配与调控策略

doi:10.7527/S1000-6893.2024.30951

氢能飞行器技术专栏

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氢能混动分布式热管理系统多热沉匹配与调控策略

李海旺¹, 高胜寒¹, 谢刚²(), 余明星¹, 何旭楠³

^1.北京航空航天大学航空发动机研究院，北京 100191
^2.北京航空航天大学飞行学院，北京 100191
^3.中国商飞北京民用飞机技术研究中心，北京 102211

收稿日期:2024-07-17 修回日期:2024-08-16 接受日期:2024-10-18 出版日期:2025-05-15 发布日期:2024-10-23
通讯作者: 谢刚 E-mail:xiegang@buaa.edu.cn

Multiple heat sink matching and regulation strategies for distributed thermal management system of hydrogen hybrid power system

Haiwang LI¹, Shenghan GAO¹, Gang XIE²(), Mingxing YU¹, Xunan HE³

^1.Research Institute of Aero-Engine，Beihang University，Beijing 100191，China
^2.Flying College，Beihang University，Beijing 100191，China
^3.COMAC Beijing Aircraft Technology Research Institute，Beijing 102211，China

Received:2024-07-17 Revised:2024-08-16 Accepted:2024-10-18 Online:2025-05-15 Published:2024-10-23
Contact: Gang XIE E-mail:xiegang@buaa.edu.cn

摘要/Abstract

摘要：

氢能混合动力飞机引入大量多电设备，导致爬升工况热沉不足而巡航工况热沉冗余的热沉错配问题，无法满足散热需求。针对这一热管理问题，通过对干线客机氢能混动分布式热管理系统建模仿真，开展多热沉匹配与调控策略研究。首先，根据分布式热管理系统架构，提出了通过增大储液箱以匹配中间热沉与终端热沉的方案。其次，利用MATLAB-Simulink软件建立了分布式热管理系统仿真模型，分析了中间热沉容量与燃料电池最高温度的关系。最后，设计了启停控制策略以提高热管理系统性能。结果表明，基于多热沉匹配设计的热管理系统方案能使热管理系统满足散热需求，结合调控策略可降低热管理系统最大功率16.7%、飞行剖面能耗55.7%、燃油温度至多4.6 ℃，并降低系统代偿。

关键词: 氢能, 混合动力, 分布式, 热管理, 热沉

Abstract:

The introduction of a large number of multi-electric devices in hydrogen hybrid airplanes leads to the problems of heat sink mismatch of insufficient heat sink in the climb condition and redundant heat sink in the cruise condition， making it hard to meet the cooling demand. To solve these thermal management problems， this paper carries out research on the multi-heat sink matching scheme and control strategy by modelling the distributed thermal management system of mainline airliner hydrogen hybrid power system. Firstly， according to the distributed thermal management system architecture， the solution for middle and final heat sink matching by increasing tank capacity is proposed. Secondly， a simulation model for the distributed thermal management system is established using MATLAB-Simulink software， and the relationship between the middle heat sink capacity and the maximum temperature of the fuel cell is analyzed. Finally， an on-off control strategy is designed based on the enlarged tank. The results show that the distributed thermal management system based on the proposed multi-heat sink matching scheme can meet the cooling demands of the hydrogen hybrid power system equipment by increasing tank capacity. The on-off control strategy can reduce the maximum power of the thermal management system by 16.7%， the energy consumption during the flight profile by 55.7%， and the fuel temperature by up to 4.6 °C， as well as fuel compensation.

Key words: hydrogen, hybrid power, distributed, thermal management, heat sink

中图分类号:

V231.1

李海旺, 高胜寒, 谢刚, 余明星, 何旭楠. 氢能混动分布式热管理系统多热沉匹配与调控策略[J]. 航空学报, 2025, 46(9): 630951.

Haiwang LI, Shenghan GAO, Gang XIE, Mingxing YU, Xunan HE. Multiple heat sink matching and regulation strategies for distributed thermal management system of hydrogen hybrid power system[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2025, 46(9): 630951.

图/表 23

图 1

图 2

表 1

图 3

图 4

图 5

图 6

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图 7

图 8

图 9

图 10

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图 12

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参考文献 29

1	ASLI M， KÖNIG P， SHARMA D， et al. Thermal management challenges in hybrid-electric propulsion aircraft［J］. Progress in Aerospace Sciences， 2024， 144： 100967.
2	TIWARI S， PEKRIS M J， DOHERTY J J. A review of liquid hydrogen aircraft and propulsion technologies［J］. International Journal of Hydrogen Energy， 2024， 57： 1174-1196.
3	COUTINHO M， BENTO D， SOUZA A， et al. A review on the recent developments in thermal management systems for hybrid-electric aircraft［J］. Applied Thermal Engineering， 2023， 227： 120427.
4	HO Y H， LIN T， HILL B， et al. Thermal benefits of advanced integrated fuel system using JP-8+100 fuel［C］∥1997 World Aviation Congress. Reston： AIAA， 1997： 5507.
5	GERMAN B. A tank heating model for aircraft fuel thermal systems with recirculation［C］∥49th AIAA Aerospace Sciences Meeting Including the New Horizons Forum and Aerospace Exposition. Reston： AIAA， 2011： 641.
6	SEKI N， MORIOKA N， SAITO H， et al. A study of air/fuel integrated thermal management system［C］∥SAE Technical Paper Series. Warrendale： SAE International， 2015.
7	ALHARBI S， ELSAYED M L， CHOW L C. Exergoeconomic analysis and optimization of an integrated system of supercritical CO₂ Brayton cycle and multi-effect desalination［J］. Energy， 2020， 197： 117225.
8	HUA J Y， LI G， CHEN Y P， et al. Optimization of thermal parameters of boiler in triple-pressure Kalina cycle for waste heat recovery［J］. Applied Thermal Engineering， 2015， 91： 1026-1031.
9	袁美名，常士楠，洪海华，等. 飞机机载综合热管理系统仿真研究［J］. 航空科学技术， 2008， 19（4）： 30-34.
	YUAN M M， CHANG S N， HONG H H， et al. Simulation of aircraft integrated thermal management system［J］. Aeronautical Science & Technology， 2008， 19（4）： 30-34 （in Chinese）.
10	胡晓辰. 基于MATLAB仿真平台的动力与热管理系统建模及性能分析［D］. 南京：南京航空航天大学， 2017： 72.
	HU X C. Modeling and performance analysis of power and thermal management system based on MATLAB simulation platform［D］. Nanjing： Nanjing University of Aeronautics and Astronautics， 2017： 72 （in Chinese）.
11	董桥桥. 混合动力总成热管理系统优化设计［D］. 杭州：浙江大学， 2019： 9-10.
	DONG Q Q. Optimal design of thermal management system for hybrid powertrain［D］. Hangzhou： Zhejiang University， 2019： 9-10 （in Chinese）.
12	刘如佳，刘向农，李晓萍，等. 基于Simscape物理仿真的发动机热管理系统及控制特性研究［J］. 合肥工业大学学报（自然科学版）， 2023， 46（10）： 1343-1348， 1361.
	LIU R J， LIU X N， LI X P， et al. Research on engine thermal management system and control characteristics based on Simscape physical simulation［J］. Journal of Hefei University of Technology （Natural Science）， 2023， 46（10）： 1343-1348， 1361 （in Chinese）.
13	张宝斌，刘佳鑫，李建功，等. 燃料电池冷却方法及热管理控制策略进展［J］. 电池， 2019， 49（2）： 158-162.
	ZHANG B B， LIU J X， LI J G， et al. Development of fuel cell cooling method and thermal management control strategy［J］. Battery Bimonthly， 2019， 49（2）： 158-162 （in Chinese）.
14	王星，孙俊，陈宁芳，等. 基于Simscape的质子交换膜燃料电池冷却系统建模与温度控制策略［J］. 储能科学与技术， 2023， 12（3）： 857-869.
	WANG X， SUN J， CHEN N F， et al. Modeling of a proton exchange membrane fuel cell cooling system based on the Simscape temperature control strategy［J］. Energy Storage Science and Technology， 2023， 12（3）： 857-869 （in Chinese）.
15	PLANÈS T， HABRARD V， DELBECQ S， et al. Thermal management system models for overall aircraft design［C］∥AIAA Aviation 2021 Forum. Reston： AIAA， 2021.
16	RHEAUME J M， LENTSII C E. Design and simulation of a commercial hybrid electric aircraft thermal management system［C］∥2018 AIAA/IEEE Electric Aircraft Technologies Symposium （EATS）. Piscataway： IEEE Press， 2018： 1-9.
17	刘莉，杜孟尧，张晓辉，等. 太阳能/氢能无人机总体设计与能源管理策略研究［J］. 航空学报， 2016， 37（1）： 144-162.
	LIU L， DU M Y， ZHANG X H， et al. Conceptual design and energy management strategy for UAV with hybrid solar and hydrogen energy［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica， 2016， 37（1）： 144-162 （in Chinese）.
18	陈洪伟. 混合动力无人飞机的能源管理系统设计与研究［D］. 镇江：江苏大学， 2020： 8-9.
	CHEN H W. Design and research of energy management system for hybrid unmanned aircraft［D］. Zhenjiang： Jiangsu University， 2020： 8-9 （in Chinese）.
19	SHI M X， SANDERS M， ALAHMAD A， et al. Design and analysis of the thermal management system of a hybrid turboelectric regional jet for the NASA ULI program［C］∥2020 AIAA/IEEE Electric Aircraft Technologies Symposium （EATS）. Piscataway： IEEE Press， 2020： 1-24.
20	黄星. 飞机自适应动力与热管理系统能效分析研究［D］. 南京：南京航空航天大学， 2018： 3-10.
	HUANG X. Research on energy efficiency analysis of aircraft adaptive power and thermal management system［D］. Nanjing： Nanjing University of Aeronautics and Astronautics， 2018： 3-10 （in Chinese）.
21	ASLI M， KÖNIG P， SHARMA D， et al. Thermal management challenges in hybrid-electric propulsion aircraft［J］. Progress in Aerospace Sciences， 2024， 144： 100967.
22	王翔宇，周兵，徐向华，等. 航空发动机燃油回路流动传热特性模拟研究［J］. 工程热物理学报， 2019， 40（4）： 863-869.
	WANG X Y， ZHOU B， XU X H， et al. Simulation on the flow and heat transfer of a simplified aero-engine fuel loop［J］. Journal of Engineering Thermophysics， 2019， 40（4）： 863-869 （in Chinese）.
23	宁献文，徐侃，王玉莹，等. 嫦娥五号轻量化泵驱单相流体回路热总线设计及实现［J］. 航空学报， 2022， 43（12）： 126292.
	NING X W， XU K， WANG Y Y， et al. Chang’e-5 complex of lander and ascent vehicle lightweight pumped fluid loop thermal bus： Design and implementation［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica， 2022， 43（12）： 126292 （in Chinese）.
24	陶文铨. 传热学［M］. 5版. 北京：高等教育出版社， 2019： 470-474.
	TAO W Q. Heat transfer［M］. 5th ed. Beijing： Higher Education Press， 2019： 470-474 （in Chinese）.
25	张涛. 多电飞机一体化热管理仿真研究［D］. 哈尔滨：哈尔滨工业大学， 2021： 27.
	ZHANG T. Simulation study on integrated thermal management of multi-electric aircraft［D］. Harbin： Harbin Institute of Technology， 2021： 27 （in Chinese）.
26	杨胜. 汽车热管理系统半物理仿真试验平台研究［D］. 北京：清华大学， 2004： 27.
	YANG S. Research on semi-physical simulation test platform of automobile thermal management system［D］. Beijing： Tsinghua University， 2004： 27 （in Chinese）.
27	赵维维，娄德仓，钟世林. 基于㶲分析和代偿损失的热管理系统性能评价方法［J］. 航空动力学报， 2023， 38（12）： 2829-2836.
	ZHAO W W， LOU D C， ZHONG S L. Performance evaluation method of thermal management system based on exergy analysis and compensatory loss［J］. Journal of Aerospace Power， 2023， 38（12）： 2829-2836 （in Chinese）.
28	王海鹰，杨永敏，单亚杰. 航空发动机燃油系统温升特性研究［J］. 制造业自动化， 2017， 39（7）： 92-95， 118.
	WANG H Y， YANG Y M， SHAN Y J. Investigation on fuel temperature rise characteristics of an aero-engine［J］. Manufacturing Automation， 2017， 39（7）： 92-95， 118 （in Chinese）.
29	HEERSEMA N， JANSEN R. Thermal management system trade study for SUSAN electrofan aircraft［C］∥AIAA Scitech 2022 Forum. Reston： AIAA， 2022.

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主管单位：中国科学技术协会主办单位：中国航空学会北京航空航天大学

设备	最大热负荷/kW	内部温度限制/℃
锂电池	0.45	10~50
燃料电池	170.00	10~90
单整流器	10.00	0~80
单发电机	20.00	0~80
推进电机	36.00	0~130
电机控制器	18.00	0~150

时间/s	散热量/kW
时间/s	整流器	锂电池	电机控制器	燃料电池	推进电机	发电机
0	0	0.45	18	0	24.42	0
300	0	0.45	18	170	24.42	0
330	4.8	0.45	18	170	33.88	9.6
390	5	0.45	18	170	33.88	10.0
480	6.4	0.45	18	170	33.88	12.8
1 500	7.4	0.45	18	0	33.88	14.8
1 620	9.4	0.45	18	0	33.88	18.8
6 000	6	0.45	18	0	33.88	12.0
6 300	6	0.45	0	0	0	12.0
7 800	2	0.45	0	0	0	4.0
7 920	0	0.45	18	0	20.81	0
8 220	0	0	0	0	0	0

状态	激活阈值	流量/（L·min^-1）	关闭阈值
状态1	进口温度>18 ℃	40	进口温度<15 ℃
状态2	进口温度>20 ℃	50	进口温度<18 ℃
状态3	进口温度>22 ℃	60	进口温度<20 ℃
状态4	内部温度>20 ℃	40	内部温度<18 ℃
状态5	内部温度>25 ℃	50	内部温度<23 ℃
状态6	内部温度>30 ℃	60	内部温度<25 ℃

状态	激活阈值	流量/ （L·min^-1）	关闭阈值
状态1	进口温度>25 ℃	80	进口温度<20 ℃
状态2	进口温度>30 ℃	90	进口温度<25 ℃
状态3	进口温度>35 ℃	100	进口温度<30 ℃
状态4	内部温度>30 ℃	80	内部温度<25 ℃
状态5	内部温度>40 ℃	90	内部温度<35 ℃
状态6	内部温度>50 ℃	100	内部温度<45 ℃

状态	激活阈值	流量/（L·min^-1）	关闭阈值
状态1	进口温度>30 ℃	80	进口温度<25 ℃
状态2	进口温度>40 ℃	90	进口温度<35 ℃
状态3	进口温度>50 ℃	100	进口温度<45 ℃
状态4	内部温度>70 ℃	80	内部温度<65 ℃
状态5	内部温度>80 ℃	90	内部温度<75 ℃
状态6	内部温度>90 ℃	100	内部温度<85 ℃

氢能混动分布式热管理系统多热沉匹配与调控策略

Multiple heat sink matching and regulation strategies for distributed thermal management system of hydrogen hybrid power system

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状态	激活阈值	流量/（kg·s^-1）	关闭阈值
1	高度>0 km	0.100 0	高度<1 km
2	高度>1 km	0.347	高度<3 km
3	高度>7 km	0.530	高度<5 km

状态	激活阈值	流量/（kg·s^-1）	关闭阈值
1-1	锂电池进口>15 ℃	0.3	锂电池进口<13 ℃
1-2	锂电池进口>20 ℃	0.5	锂电池进口<18 ℃
1-3	锂电池进口>23 ℃	0.7	锂电池进口<20 ℃
2-1	发电机进口>20 ℃	0.3	发电机进口<15 ℃
2-2	发电机进口>30 ℃	0.5	发电机进口<25 ℃
2-3	发电机进口>40 ℃	0.7	发电机进口<35 ℃

[1]	张永杰, 王鸿琛, 崔博, 周静飘. 氢能客机低温液氢储罐装机环境适应性研究进展[J]. 航空学报, 2025, 46(9): 629870-629870.
[2]	刘秀芳, 陈佳军, 郑勉, 钟富豪, 李亚楠, 侯予. 新型高效机载电子器件冷却系统设计及实验[J]. 航空学报, 2025, 46(9): 131078-131078.
[3]	范周伟, 孔垂欢, 刘明, 谭兆光. 氢燃料电池混合动力客机关键参数敏感性研究[J]. 航空学报, 2025, 46(9): 631066-631066.
[4]	虞翔宇, 李文, 严杰, 梁世哲. 无人机液氢燃料电池热管理系统仿真研究[J]. 航空学报, 2025, 46(9): 630964-630964.
[5]	孔垂欢, 范周伟, 戴佳骅, 徐南波, 谭兆光, 潘立军. 氢能源与纯电民机航程分析[J]. 航空学报, 2025, 46(9): 331087-331087.
[6]	王科雷, 周洲, 李明浩. 动力翼单元松耦合设计方法研究及试验验证[J]. 航空学报, 2025, 46(9): 212-229.
[7]	李荣祖, 刘莉, 杨盾. 基于多源域融合代理模型的氢能无人机优化设计[J]. 航空学报, 2025, 46(9): 630979-630979.
[8]	张卓然, 张健, 胡光源, 薛涵, 李涵琪, 于立. 多电飞机高功率密度高效电机系统热管理技术[J]. 航空学报, 2025, 46(6): 531380-531380.
[9]	何友, 刘瑜, 李耀文, 丁自然, 董凯, 崔亚奇, 张财生, 王学谦, 李徵, 郭晨. 多源信息融合发展及展望[J]. 航空学报, 2025, 46(6): 531672-531672.
[10]	张锐聪, 王天宇, 何玉荣, 朱嘉琦, 韩杰才. 智能窗散射调控技术研究进展与应用思考[J]. 航空学报, 2025, 46(6): 531844-531844.
[11]	向锦武, 马凯, 阚梓, 李道春, 郑可欣, 陈汉轩. 氢能源无人机关键技术研究进展[J]. 航空学报, 2025, 46(5): 531603-531603.
[12]	杨世宇, 于海育, 林远方, 梁新刚. 具备消耗性热沉的燃油热管理系统性能分析及优化[J]. 航空学报, 2025, 46(4): 130897-130897.
[13]	李卓远, 杨旭东, 孙恺, 熊俊辉, 史帅. 分布式涵道风扇气动布局复杂强干扰效应及性能影响[J]. 航空学报, 2025, 46(3): 130805-130805.
[14]	马骥, 陈向勇, 温广辉, 程龙, 邱建龙. 随机切换拓扑下无人机集群预设时间跟踪控制[J]. 航空学报, 2024, 45(S1): 730793-730793.
[15]	柳汀, 周国鑫, 徐扬, 罗德林, 郭正玉, 杨梦杰. 融合信息图的优化哈里斯鹰多无人机动态目标搜索[J]. 航空学报, 2024, 45(S1): 730773-730773.