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

Abstract

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

CLC Number:

V231.1

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.

Figures/Tables 23

Fig.1

Fig.2

Table 1

Fig.3

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Fig.5

Fig.6

Table 2

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Fig.8

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Table 3

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Table 5

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Table 7

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References 29

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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 ℃

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 ℃

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