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摘要  本文通过系统工程流程，从理解系统需求、客户痛点，并形成产品包需求，同时挖掘竞争力需求，在需求牵引下，结合架构设计原则，形成各个单独模块，并针对各个模块进行详细方案设计。通过描述了整个产品开发过程，产生了一些设计文档，最终形成了组织能力。

关键词  需求 系统工程 离子交换器

1.引言

离子交换器的主要作用是抑制燃料电池电堆冷却液的电导率的升高，冷却液电导率的升高，降低了整车的绝缘性，使整车的绝缘风险大幅度提高。随着燃料电池系统在使用过程中，系统中不断析出离子，导致冷却液电导率成升高趋势，当电导率达到10μs/cm时，离子交换器的寿命终止，需要进行更换。而现在市场上的离子交换器都是不可拆卸的，由于连接离子交换器的软管没有关闭阀门，导致在拆卸过程中会有大量的冷却液流出，从而导致客户的维护成本提高以及维护保养体验差。

2.产品需求分析

2.1.理解产品在系统中运行情况

离子交换器位于冷却系统，属于冷却系统的一个零件。绘制系统交联图的目的是理解产品在系统中的作用，以及与上下游零件的交互；离子交换器布置在膨胀水箱与散热器之间，离子交换器的进水口与膨胀水箱的溢流口相连，出水口与膨胀水箱相连接，在工作中，冷却液随着温度升高而膨胀，从散热器排气口流出，经离子交换器进入到膨胀水箱，实现离子交换。根据某项目了解，膨胀水箱高于离子交换器约100-200mm，水泵的工作压力为200kPa，水泵的流量为180L/min，电堆出水温度最高85℃。

综合以上信息，与客户澄清后主要参数是，经过离子交换器的流量为5L/min（客户预估），最高工作温度为85℃，最高压力为180kPa。

2.2.理解离子交换器在系统中的作用

根据应用场景分析，对于新加入的冷却液电导率一般低于2μs/cm，但由于在运行过程中，系统中不断析出离子，使冷却液的电导率升高，进而影响系统的电绝缘性， 离子交换器的作用是通过树脂交换冷却液中的离子，降低电导率，维持系统的电绝缘性在合理的水平。

通过系统运行场景分析，从系统的低温冷启动直至正常运行过程中，以冷却液的流动方向为主线，绘制系统的功能流图，当冷却液温度＜5℃时，启动PTC加热，冷却系统执行小循环，冷却液不经过散热器和离子交换器；当5℃≤冷却液温度≤40℃时，冷却系统执行小循环，PTC加热不启动，冷却液不经过散热器和离子交换器；当40℃≤冷却液温度＜60℃时，部分冷却液经过散热器，这种状态下，会有较少的冷却液经过离子交换器；当60℃≤冷却液温度＜85℃时，电堆系统处于最佳工作状态，一般要求进出电堆的冷却液温差不超过10℃，由于冷却液热胀冷缩，温度越高，从散热器溢流出的冷却液流量最大，也就是经过离子交换器的流量最大。

综上所述，只有大循环开启时，离子交换器才会有冷却液通过，才能起到降低电导率的作用，冷却液的温度越高，经过离子交换器的流量越大。

2.3.确定离子交换器的功能性需求

流阻：由于有冷却液通过离子交换器，就会产生一定的阻力，由于离子交换器处于冷却液的支路上，因此，经过离子交换器的流量与经过散热器的流量存在一定的分配关系，假设主流道流量不变，各支路的流量与各支路的阻力成反比关系，即离子交换器的流阻越大，经过离子交换器的流量越少，反之，经过离子交换器的流量越大。

交换容量：每单位数量（重量或体积）树脂能进行离子交换反应的化学基团的总量。它反映了离子交换器的寿命。

2.4.关键业务场景分析

按照安装、运行、维护、废弃、拆解的时间线，描述这些场景对产品结构的影响，各场景分析见表一

通过上述分析，挖掘竞争力需求见表二。

3.产品总体设计

3.1.离子交换树脂选择

离子交换树脂是带有官能团（有交换离子的活性基团）、具有网状结构、不溶性的高分子化合物。通常是球形颗粒物。

离子交换树脂根据孔隙结构可以分为凝胶型和大孔型两种。

根据树脂特性及行业经验，选择凝胶型混床树脂。

3.2.维护场景设计思路

离子交换器倒置安装。倒置安装可以防止更换滤芯时，壳体中的冷却液全部流出，造成浪费。

设置出口单向阀。考虑到维护时冷却液不能大量流出，由于冷却系统压力为正压，离子交换器的位置不是处于最高位置，在本项目上，是仅次于水箱的第二高位置，系统停止运行后，结合系统交联图，水箱中的冷却液会从离子交换器的出口流出。因此，在出口通道设置出口单向阀，出口单向阀处于常闭状态，在系统运行时，冷却液从出口通道打开出口单向阀流出；维护时，倒流的冷却液无法通过出口单向阀，实现冷却液无法从离子交换器大量流出。

设置进口单向阀。考虑到不同客户的布置要求，冷却液会从进水孔道流入离子交换器，造成冷却液在维护时大量流出。因此在进水孔道设置进口单向阀，在运行时，进口单向阀处于打开状态，维护时，进口单向阀处于关闭状态，保证冷却液不会从进水孔道大量流出，改善维护体验。

滤芯与端盖采用卡扣设计。考虑到更换时，避免工具、手等污染冷却液，端盖与滤芯采用卡扣设计，拆卸端盖时，通过端盖将滤芯带出来，更换滤芯后，将滤芯与端盖组装在一起，通过端盖将滤芯固定在基座上。

考虑到端盖拆卸，端盖须设计出可供扳手或套筒拆卸的凸台，尺寸应匹配相应的扳手规格。

4.详细方案设计

4.1.基座方案设计

基座上设置在相对侧分别设置进水管和出水管，这样设置的好处是同侧进水和出水，相对侧进水和出水，满足不同客户的需求，避免重复开模具。考虑到金属会影响冷却液电导率，基座采用塑料材料加工，进出水通道可以根据实际情况选择注塑时打通。

基座上标示进出水方向，用箭头表示，便于识别进水管和出水管。

为降低模具费用，进水管和出水管尺寸结构一样，可以互换。

进出水管设置防脱筋，用于安装卡箍后，防止客户的水管从水管上脱出。进出水管与基座采用旋转摩擦焊接。

为保证停机时，防止冷却液倒流，在进出水道上分别设计有单向阀，保证在运行时，单向阀打开；而在拆换时，单向阀处于关闭状态，避免在保养时冷却液流失，为用户降低了使用成本。

4.2.壳体方案设计

基座与壳体采用两体设计，目的是如果树脂装填量增加，滤芯可以在长度方向延长，同时只需将壳体与滤芯匹配延长，就可以满足使用要求，避免基座和底盖重复开模。基座与壳体采用旋转摩擦焊接。

4.3.底盖方案设计

底盖与壳体拧紧采用螺纹连接。

底盖拧紧后，顶紧滤芯，保证滤芯在壳体内部不晃动。滤芯底盖设计有凸台，与底盖卡台配合，在进行维护保养时，先将滤芯与底盖装配，再通过底盖将滤芯装入壳体内，最后拧紧底盖。

4.4.安装支架设计

安装支架设计成可以360°旋转安装，目的是适应不同安装支架与进出水口的角度，尽量减少开模。

5.结论

基于系统工程流程的离子交换器的设计，通过需求捕获，加深对业务的理解，提出了竞争力需求。在竞争力需求的牵引下，完善产品设计方案，主要体现在以下几点：

1、根据架构设计原则，确定了产品的基本框架，拆分出几大模块，通过模块化设计，降低了系列化开发成本。

2、根据需求，选择合适的技术路线。完成各个模块的详细设计。

3、在各个模块的设计中，考虑可靠性和可维护性等关键质量属性。

通过系统工程的产品设计，形成了多项专利，在向客户的推广过程中，得到广大客户的普遍认可。