燃料電池客車整車熱管理技術(shù)研究

梁滿志 囤金軍 陳振國 陳波 張振旺

摘 要：燃料電池汽車作為汽車行業(yè)的一種全新發(fā)展形式，對(duì)于汽車行業(yè)的發(fā)展有著至關(guān)重要的反作用，熱管理系統(tǒng)對(duì)燃料電池汽車的開發(fā)工作來說有著重要作用，但是結(jié)合相關(guān)行業(yè)的實(shí)際發(fā)展情況來看，對(duì)于相關(guān)系統(tǒng)的研究工作還比較少，沒有實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的研究，很難為行業(yè)的發(fā)展注入持續(xù)的發(fā)展活力。燃料電池客車的應(yīng)用對(duì)于實(shí)現(xiàn)我國的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略有著巨大的促進(jìn)作用，本文結(jié)合我國燃料電池客車余熱利用和熱管理技術(shù)的實(shí)際研究情況，針對(duì)其中的幾項(xiàng)重點(diǎn)進(jìn)行了著重分析。

關(guān)鍵詞：燃料電池客車;余熱利用;整車熱管理技術(shù)

1 引言

燃料電池客車是新能源汽車的重要組成部分，將氫氣作為主要能源，對(duì)于促進(jìn)我國汽車客運(yùn)行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展有著重要作用，具有節(jié)能、噪聲低和無污染等優(yōu)勢，不僅滿足了我國客運(yùn)行業(yè)的實(shí)際發(fā)展需求，同時(shí)也適應(yīng)了我國客運(yùn)行業(yè)發(fā)展的實(shí)際情況，結(jié)合行業(yè)的實(shí)際發(fā)展情況來看，燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)的熱效率一般在40%左右，同傳統(tǒng)的燃油發(fā)動(dòng)機(jī)相比，熱效率有了很大程度的提高，對(duì)于實(shí)現(xiàn)我國客運(yùn)行業(yè)的資源優(yōu)化配置也有很大的幫助，所以說推進(jìn)相關(guān)的研究工作很有必要。余熱利用和熱管理技術(shù)作為燃料電池客車研究中的兩大重點(diǎn)，涉及到的部件和因素比較多，自然也就成為研究工作中的難點(diǎn)。

2 燃料電池客車整車熱管理技術(shù)的概述

想要有序推進(jìn)相關(guān)研究工作，首先就要對(duì)相關(guān)技術(shù)有一個(gè)較為全面的認(rèn)識(shí)和了解，結(jié)合行業(yè)發(fā)展的實(shí)際情況來看，主要可以分為以下幾點(diǎn)：

作為一種新能源汽車，節(jié)能和無污染是該類汽車的主要特點(diǎn)，相關(guān)特點(diǎn)正好與我國經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展不謀而合，燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)的熱效率相較之傳統(tǒng)的電池汽車有了很大程度的提高，同時(shí)節(jié)能效率也有了很大程度的提高，對(duì)于客運(yùn)汽車行業(yè)的資源優(yōu)化配置有很大的幫助。

但是燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)也有一些發(fā)展瓶頸，首當(dāng)其沖就是其散熱問題，結(jié)合傳統(tǒng)燃油發(fā)動(dòng)機(jī)的散熱情況來看，傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)的散熱，大約只有10%的熱量通過散熱器排出，大部分熱量都通過排氣管排出，但是這種情況無法適應(yīng)燃料電池客車，因此整車的散熱系統(tǒng)成為行業(yè)研究工作中的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

結(jié)合傳統(tǒng)汽車的研發(fā)工作來看，空調(diào)冷凝器同發(fā)動(dòng)機(jī)散熱器之間并沒有較大的散熱沖突，但是在燃料電池客車上就要充分考慮到這一點(diǎn)。

3 FCV熱管理系統(tǒng)的概述

FCV熱管理系統(tǒng)的具體組成比較多，伴隨行業(yè)的不斷發(fā)展，具體組成逐漸復(fù)雜化，想要實(shí)現(xiàn)對(duì)這些具體組成的把握，對(duì)于行業(yè)來說也是一項(xiàng)較為嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，熱管理系統(tǒng)的把握除了零部件之外，還要對(duì)外部影響因素進(jìn)行把握，譬如溫度和濕度等，結(jié)合行業(yè)的實(shí)際發(fā)展情況來看，針對(duì)熱管理系統(tǒng)的把握主要可以分為以下幾點(diǎn)：

3.1 熱管理系統(tǒng)

根據(jù)用途的不同，可以將熱管理系統(tǒng)劃分為制冷系統(tǒng)和冷卻水系統(tǒng)，以制冷系統(tǒng)為例進(jìn)行說明，該系統(tǒng)由壓縮機(jī)、冷凝器和蒸發(fā)器等部件組成，同時(shí)還可以對(duì)冷凝器進(jìn)行進(jìn)一步的細(xì)分，譬如可以將冷凝器劃分為一級(jí)冷凝器和二級(jí)冷凝器，冷凝器的安裝需要結(jié)合系統(tǒng)的實(shí)際需求，大多數(shù)情況下并不會(huì)對(duì)冷凝器進(jìn)行更為深入的劃分工作，二級(jí)冷凝器一般都是后期加入，想要保障不同級(jí)別冷凝器的正常工作，可以通過串聯(lián)的方式滿足散熱需求，冷凝器的散熱一般都是以空冷式散熱為主，不同級(jí)別的冷凝器都帶有一定的風(fēng)扇系統(tǒng)。制冷系統(tǒng)相較之其他系統(tǒng)來看，是一個(gè)較為封閉的系統(tǒng)，這也是為了滿足行業(yè)的實(shí)際需求。

3.2 散熱具體部件

不同的散熱部件能夠滿足不同的散熱需求，合理的部件能夠滿足大多數(shù)散熱需求，結(jié)合行業(yè)實(shí)際來看，可以將散熱部件劃分為以下幾點(diǎn)：

首先就是PCE散熱器，顧名思義，該類散熱器主要用于PCE的散熱，該類型散熱器的主要散熱介質(zhì)是空氣，通過空氣對(duì)電池的冷卻水進(jìn)行散熱工作，在周圍溫度升高的過程中，該散熱器的散熱量會(huì)逐漸降低，無法滿足散熱需求，因此要盡量避免PCE散熱器的超負(fù)荷工作，在這時(shí)行業(yè)工作人員就要充分發(fā)揮自身的主觀能動(dòng)性，通過多種方式增加散熱量，譬如增加散熱器的散熱面積和提高換熱系數(shù)等，換熱系數(shù)的提高也有多種有效方式，提高散熱器的風(fēng)量是較為有效的一種方式，所以高壓風(fēng)扇在該類型散熱器中的應(yīng)用也較為廣泛。

其次就是PCU散熱器，PCU單元的組成也較為復(fù)雜，主要包括水冷系統(tǒng)、空調(diào)和電機(jī)控制器等，如果將冷凝器置于PCE散熱器前，就會(huì)在一定程度上提高散熱器的進(jìn)風(fēng)溫度，同時(shí)也會(huì)降低散熱器的散熱量，所以在進(jìn)行冷凝器的設(shè)計(jì)工作中，一定要結(jié)合設(shè)計(jì)工作的實(shí)際需求。

最后就是高壓風(fēng)扇，為了保障高壓風(fēng)扇的工作效率，風(fēng)扇一般都是由燃料電池直接進(jìn)行供電，之所以會(huì)應(yīng)用高壓風(fēng)扇，也是因?yàn)楦邏猴L(fēng)扇具有很多優(yōu)點(diǎn)：首先就是應(yīng)用高壓風(fēng)扇能夠進(jìn)行一定的讓電，因?yàn)樵谡麄€(gè)系統(tǒng)中存在很多低壓電器;其次高壓風(fēng)扇的風(fēng)量比較大，能夠滿足大部分散熱器的風(fēng)量需求，綜合多種因素來看，加強(qiáng)高壓風(fēng)扇的應(yīng)用很有必要。

3.3 零部件潔凈度的控制

結(jié)合行業(yè)實(shí)際來看，在FCV中，只要有冷卻液流過的零部件，譬如管路、散熱器等，都要滿足潔凈度的要求，不然就可能存在FCE中毒的風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)乘客的人身安全埋下隱患，所以說加強(qiáng)對(duì)零部件的清洗工作顯得很有必要，除此之外，還要對(duì)零部件的材料進(jìn)行把握，將鋁合金作為零部件的主要原材料，主要還是因?yàn)殇X合金的自身特質(zhì)較為特殊。

想要實(shí)現(xiàn)對(duì)零部件潔凈度更為全面的認(rèn)識(shí)和把握，需要采用較為合理的測量和實(shí)驗(yàn)方式，不同的測量實(shí)驗(yàn)方式有著不同的側(cè)重點(diǎn)，對(duì)電子傳導(dǎo)率的把握是一種主要的測量方法，在零部件潔凈度的控制工作中應(yīng)用較為廣泛。

在測量的過程中，行業(yè)工作人員一定要充分發(fā)揮自身的主觀能動(dòng)性，值得注意的是，在進(jìn)行測量和實(shí)驗(yàn)的過程中，要保障周圍環(huán)境的清潔，避免外部不穩(wěn)定因素對(duì)整個(gè)實(shí)驗(yàn)造成較大的負(fù)面影響，將溫度控制在25度左右，濕度盡量不超過70%，除此之外還要對(duì)實(shí)驗(yàn)的其他變量進(jìn)行控制，譬如時(shí)間等。

4 余熱利用及整車熱管理技術(shù)的具體方案

由于周邊環(huán)境和自身環(huán)境的不同，采用不同的熱管理方案往往能起到不同的管理效果，所以在選用熱管理方案的過程中，一定要充分發(fā)揮自身的主觀能動(dòng)性，選擇合理的熱管理方案，結(jié)合行業(yè)的實(shí)際發(fā)展來看，主要可以分為以下幾種：

4.1 方案一

首先將一級(jí)冷凝器放置于PCE散熱器后，同時(shí)配有一定的高壓風(fēng)扇，將一級(jí)冷凝器安裝在車頭位置，為了達(dá)到最佳的散熱效果，將二級(jí)冷凝器安裝于車架縱梁右邊，一般來說，PCU散熱器自帶風(fēng)扇，將其放于車架縱梁左邊。

4.2 方案二

該方案中利用兩個(gè)FCE散熱器。分別為主、副散熱器，副散熱器在主散熱器后部，在散熱器的上面安裝一級(jí)冷凝器，高壓風(fēng)扇獨(dú)立安裝。主、副散熱器和一級(jí)冷凝器安裝在車頭，二級(jí)冷凝器安裝在車架縱梁右邊，PCU散熱器安裝在車架縱梁右邊。

4.3 方案三

在此方案中，將PCU散熱器安裝在燃料電池散熱器后部靠下位置，一級(jí)冷凝器安裝在上部，帶有一定的獨(dú)立高壓風(fēng)扇，PCE主、副散熱器和一級(jí)冷凝器安裝在車頭位置，F(xiàn)CE副散熱器和風(fēng)扇安裝在車架縱梁右邊，二級(jí)冷凝器安裝在縱梁左邊。

4.4 方案四

將FCE副散熱器安裝在主散熱器后面，進(jìn)行獨(dú)立高壓風(fēng)扇的安裝，將主、散熱器安裝在車頭，PCU散熱器安裝在車架縱梁右邊，在該方案中只設(shè)置了一個(gè)冷凝器，同樣安裝在車架縱梁左邊。

5 熱管理控制技術(shù)及具體策略

綜合多種影響因素來看，在燃料電池客車的日常運(yùn)營過程中，制定完善的熱管理控制具體策略很有必要，在策略的制定過程中也要立足于實(shí)際，主要可以分為以下幾點(diǎn)：

電器控制是燃料電池汽車日常運(yùn)營中的重點(diǎn)和關(guān)鍵，相關(guān)的電器控制工作都利用的是控制器局域網(wǎng)技術(shù)，熱管理控制技術(shù)作為整項(xiàng)控制工作中的重點(diǎn)，自然也就會(huì)對(duì)行業(yè)的長遠(yuǎn)健康發(fā)展產(chǎn)生重要的反作用，結(jié)合熱管理工作的實(shí)際內(nèi)容來看，控制器的組成和具體類型較為復(fù)雜，譬如空調(diào)壓縮機(jī)控制器、空調(diào)控制器和水冷系統(tǒng)控制器等。

燃料電池客車不同于傳統(tǒng)的燃油客車，散熱量有了很大程度的提高，這時(shí)合理的熱管理控制技術(shù)就顯得尤為重要，能夠有效提高車輛的散熱效率，在FCE散熱器工作和運(yùn)轉(zhuǎn)的過程中，整車管理控制器和FCE管理控制器能夠發(fā)揮重要的輔助作用，不同的控制器各司其職，能夠有效完成不同的散熱任務(wù)，對(duì)于促進(jìn)整車的散熱工作也有較大的幫助。在散熱的過程中，不僅要滿足散熱的實(shí)際需求，同時(shí)還要保持車輛的動(dòng)力需求，因?yàn)槿剂想姵乜蛙囃加幸欢ǖ倪\(yùn)輸任務(wù)，進(jìn)行車輛動(dòng)力需求的保障很有必要。

冷卻風(fēng)扇的控制工作也是熱管理工作中的另一重點(diǎn)，冷卻風(fēng)扇能夠在不同的轉(zhuǎn)速下運(yùn)行，結(jié)合實(shí)際散熱工作來看，冷卻風(fēng)扇的工作壓力比較大，因?yàn)槔鋮s風(fēng)扇肩負(fù)著PCE散熱器、空調(diào)冷凝器和PCU散熱器的冷卻工作，如果散熱需求比較大，就會(huì)通過較高的風(fēng)扇轉(zhuǎn)速完成散熱任務(wù)，當(dāng)然，如果冷卻風(fēng)扇沒有開啟，那么VMS就會(huì)對(duì)風(fēng)扇控制器發(fā)送一定的信號(hào)，保證冷卻風(fēng)扇的低速運(yùn)轉(zhuǎn)，保障風(fēng)扇最為基本的冷卻能力。

6 燃料電池客車余熱利用的可行性研究

余熱利用也是燃料電池客車日常運(yùn)營過程中的一大重點(diǎn)，因?yàn)槿剂想姵仄嚨目照{(diào)需要耗費(fèi)一定的能源，燃料電池的大部分能量都通過余熱的方式被浪費(fèi)，所以說實(shí)現(xiàn)燃料電池客車余熱利用工作很有必要，尤其是利用燃料電池余熱實(shí)現(xiàn)制冷工作，是實(shí)現(xiàn)資源優(yōu)化配置的又一重點(diǎn)。下面就針對(duì)余熱利用的可行性進(jìn)行研究。

不同的制冷系統(tǒng)有著不同的特點(diǎn)，選擇合理的制冷系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)燃料電池客車余熱的有效利用。吸附式制冷系統(tǒng)，這種制冷系統(tǒng)的內(nèi)部構(gòu)造較為簡單，汽車在日常運(yùn)行過程中一些外部因素一般不會(huì)影響制冷器的正常工作，除此之外，整個(gè)制冷系統(tǒng)利用熱源驅(qū)動(dòng)，不會(huì)出現(xiàn)耗電的情況，這時(shí)對(duì)燃料電池汽車的余熱進(jìn)行利用尤為重要，這種制冷方式的發(fā)展前景比較廣闊，但是這種制冷系統(tǒng)一般都處于實(shí)驗(yàn)階段，但是這種系統(tǒng)也存在一定的弊端，因?yàn)檫@種系統(tǒng)主要利用的物理吸附方式，所以系統(tǒng)的體積較大，會(huì)對(duì)燃料電池客車的內(nèi)部空間產(chǎn)生一定的負(fù)面影響。

吸收式制冷系統(tǒng)的應(yīng)用也較為廣泛，在熱源溫度比較低的情況下可以采用兩級(jí)制冷系統(tǒng)，利用低品位余熱，吸收式制冷系統(tǒng)的發(fā)展周期比較長，在長期的發(fā)展過程中積累了大量的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)，但是這種系統(tǒng)的體積也比較大，如果采用兩級(jí)制冷系統(tǒng)，也會(huì)在一定程度上增加系統(tǒng)的復(fù)雜性，除此之外，由于客車在日常運(yùn)行的過程中，難免會(huì)出現(xiàn)顛簸的情況，如果出現(xiàn)了一定的顛簸，就會(huì)造成制冷劑的損失，也會(huì)對(duì)整個(gè)制冷系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生重要的負(fù)面影響，因此這也是燃料電池汽車日常應(yīng)用中需要著重進(jìn)行把握的關(guān)鍵點(diǎn)。

最后就是蒸汽噴射式制冷系統(tǒng)，如果冷凝溫度比較低，能夠得到較高的熱力系數(shù)，但是系統(tǒng)COP會(huì)隨著冷凝溫度的升高下降，當(dāng)然如果能夠滿足冷卻系統(tǒng)的需求，對(duì)燃料電池汽車的余熱進(jìn)行利用就能夠得到較好的制冷效果，噴射器氣流產(chǎn)生的噪聲比較大，會(huì)對(duì)客車乘客產(chǎn)生不良影響，所以對(duì)噪聲進(jìn)行把握也很有必要。

雖然燃料電池客車相較之傳統(tǒng)的燃油客車，在污染程度上有了很大程度的降低，但是還存在一定的能源損失，所以加強(qiáng)余熱利用工作很有必要，想要提高余熱利用工作的效率和質(zhì)量，可以從多個(gè)方面入手，一方面要對(duì)多種先進(jìn)的余熱利用設(shè)備進(jìn)行利用，另一方面也要切實(shí)提高相關(guān)設(shè)計(jì)工作人員的素質(zhì)，為余熱利用工作的推進(jìn)奠定堅(jiān)實(shí)的人才基礎(chǔ)。

7 結(jié)束語

綜上所述，燃料電池客車的余熱利用和熱管理控制技術(shù)對(duì)于我國汽運(yùn)行業(yè)的發(fā)展有著重要意義，可以說是任重而道遠(yuǎn)，但是局限于技術(shù)等層面的因素，在控制和管理的過程中還存在很多不足之處，為了保障相關(guān)工作的有序推進(jìn)，可以從以下幾個(gè)方面入手：從國家層面來說，要發(fā)揮自身宏觀調(diào)控的作用，利用相關(guān)的福利政策，為行業(yè)的發(fā)展?fàn)I造一個(gè)較為穩(wěn)定的外部環(huán)境;從行業(yè)自身來說，要充分發(fā)揮自身的主觀能動(dòng)性，對(duì)多種影響因素進(jìn)行把握，為行業(yè)的發(fā)展注入源源不斷的動(dòng)力。燃料電池客車的余熱利用工作和熱管理控制技術(shù)事關(guān)我國人民的日常生活質(zhì)量，讓我們攜起手來一起努力。

注：國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“燃料電池商用車大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化技術(shù)研究”項(xiàng)目（編號(hào)2018YFB0106501）。

參考文獻(xiàn)：

[1]李正秋，蔣燕青.燃料電池汽車整車熱管理系統(tǒng)研究[J].上海汽車，2008，000（002）：4-8.

[2]徐佳祥，趙揚(yáng).關(guān)于燃料電池汽車整車熱管理系統(tǒng)的探討[J].工程技術(shù)（引文版），2016（12）：00029-00029.[3]4.

[3]丁琰.電動(dòng)汽車熱管理系統(tǒng)一維非穩(wěn)態(tài)仿真研究[D].2014.

[4]彭其澤.燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)水熱管理系統(tǒng)研究[D].武漢理工大學(xué)，2007.

[5]王婷.燃料電池汽車熱環(huán)境中換熱部件及熱管理系統(tǒng)性能研究[D].2016.

[6]王哲，謝怡，孫維，等.燃料電池客車動(dòng)力系統(tǒng)建模與能量管理策略研究[J]. 同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2019，47（01）：101-107+127.

[7]陳明偉.燃料電池城市客車動(dòng)力系統(tǒng)基本技術(shù)方案研究[D].2008.

[8]王哲，謝怡，孫維，等.燃料電池客車動(dòng)力系統(tǒng)建模與能量管理策略研究[J]. 同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2019.

[9]于爽.電工研究所.燃料電池混合動(dòng)力客車驅(qū)動(dòng)與制動(dòng)一體化能量管理策略的研究[J]. 其他部門，2009.

[10]黃乃勇. 燃料電池電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)建模與仿真[D]. 武漢理工大學(xué)，2006.