关于PEMFC驱动飞机热管理系统的设计与运行 Marius Nozinski、 Patrick Meyer、 Fabian Delony、 Jens Friedrichs、 Jan G?ing以及 Stephan Kabelac

《Aerospace》：On the Design and Operation of the Thermal Management System of PEMFC-Powered Aircraft Marius Nozinski, Patrick Meyer, Fabian Delony, Jens Friedrichs, Jan G?ing and Stephan Kabelac

氢燃料电池飞机的热管理系统与动力总成协同设计研究采用多目标优化和任务级分析，确定并行冷却架构最优，在标准日巡航时热 rejection 为1.29 kW/N，高温日起飞时为4.77 kW/kg。冷却温度降低不影响性能且提升电气效率，ram-air 管道缩短导致负载减少630 kg但利于整流罩集成。整体验证了热管理系统与动力总成协同优化的必要性。

　　

摘要

以氢燃料电池为动力的全电动飞机在实现短途航空的脱碳方面具有巨大潜力，但由于会产生大量的低温废热，因此需要一个紧凑的热管理系统（TMS）。本研究提出了一种方法框架，通过多目标优化和整体任务级分析来集成设计TMS和动力系统，以确定最优的TMS设计方案和运行策略。TMS净阻力的变化会直接影响飞机所需的推力，而动力系统、TMS和燃料质量的变化则在假设最大起飞质量不变的情况下影响有效载荷。这一迭代过程可以得出各种性能指标，包括不同TMS冷却架构（并联或串联）、热交换器的质量-阻力特性、冷却剂温度目标（50、70或90°C）以及安装目标（最小化质量或冲压空气管道长度）。最优设计方案采用并联冷却架构，在炎热天气起飞时的质量比热排量为4.77 kW/kg，在标准天气巡航时的阻力比热排量为1.29 kW/N。降低标准天气条件下的冷却剂温度不会显著影响性能，反而可能提高电气组件的效率。缩短冲压空气管道长度会使有效载荷减少630公斤，但有助于整流罩的集成。研究结果表明，整体性的TMS-动力系统协同设计与优化对于可持续全电动飞机的严格设计至关重要。