燃料電池客車整車熱管理系統(tǒng)分析與探討

張宇陽

湖南卓辰科技有限公司

0 引言

我國燃料電池客車研究起步較晚，但隨著我國氫能和燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展步伐的加快，近年來我國燃料電池整車技術(shù)進(jìn)步較快，產(chǎn)業(yè)鏈逐漸完善。特別是燃料電池動力系統(tǒng)技術(shù)明顯提升，但部分關(guān)鍵技術(shù)與國外仍存在一定差距，其中整車熱管理技術(shù)就面臨非常嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

1）系統(tǒng)非常復(fù)雜。燃料電池客車整車熱管理系統(tǒng)由燃料電池發(fā)動機(jī)（簡稱：FCE）熱管理系統(tǒng)、動力系統(tǒng)平臺（簡稱：PCU）散熱系統(tǒng)、電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)和空調(diào)系統(tǒng)（HVAC）四個系統(tǒng)構(gòu)成。每個系統(tǒng)都有不同的循環(huán)，基于不同的功能、不同的決策機(jī)制、不同控制邏輯等，整個系統(tǒng)非常復(fù)雜，要使整個系統(tǒng)實現(xiàn)優(yōu)化匹配，合理有效控制，給設(shè)計研發(fā)帶來挑戰(zhàn)。

2）PCE 散熱要求高。燃料電池系統(tǒng)（簡稱：FCPS）熱效率一般約為35%～45%（理論值41%），而傳統(tǒng)發(fā)動機(jī)熱效率約30%左右。傳統(tǒng)發(fā)動機(jī)散熱，15%是通過機(jī)體輻射散出，45%通過尾氣排放，不到10%的熱量是由散熱器散出。而燃料電池發(fā)動機(jī)（FCE）并不符合這種散熱規(guī)律。FCE 主要依靠散熱器，惡劣工況下，F(xiàn)CPS的熱效率約35%，僅3%的熱量通過尾氣排放，其余62%的熱量需要通過散熱器散出。因此盡管FCE 的效率遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)發(fā)動機(jī)，但是其散熱問題卻是一個巨大的考驗。同時，由于燃料電池工作溫度較低（60～80 ℃），散熱器對環(huán)境的傳熱溫差遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)汽車，加上客車FCE 功率大，這都為熱管理帶來了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。所以燃料電池客車整車熱管理系統(tǒng)研究中對整車散熱系統(tǒng)進(jìn)行深入研究至關(guān)重要[1]。

3）必須嚴(yán)格控制零部件的離子釋放。根據(jù)燃料電池的結(jié)構(gòu)特性，為了帶走電堆工作產(chǎn)生的熱量，熱管理系統(tǒng)的中冷卻液需流經(jīng)高電勢的雙極板，如果熱管理系統(tǒng)絕緣性不好，高電壓就可以通過冷卻液傳導(dǎo)出來，影響電堆的正常工作和整車安全性。由于金屬的腐蝕作用，金屬雙極板和熱管理系統(tǒng)中的中冷器、散熱器和管接頭等零部件，都會持續(xù)向冷卻液中釋放離子，導(dǎo)致冷卻液電導(dǎo)率升高，影響系統(tǒng)絕緣性。這對熱管理設(shè)計是新挑戰(zhàn)。

1 燃料電池汽車（Fuel Cell Vehicle，F(xiàn)CV)整車熱管理系統(tǒng)概述

目前，燃料電池客車多采用燃料電池加動力電池（簡稱：FCV+B）混合驅(qū)動的技術(shù)路線，如圖1 所示，其整車熱管理共有FCE 熱管理，PCU 散熱系統(tǒng)，電池?zé)峁芾砗涂照{(diào)系統(tǒng)（乘員熱管理）等四個子系統(tǒng)，是燃料電池客車整車開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)之一[2]。

圖1 燃料電池客車整車熱管理系統(tǒng)示意圖

循環(huán)水補充水閥7開啟后，分流一部分循環(huán)水，去水冷塔循環(huán)水流量減少，水冷塔液位下降，促使水冷塔液位調(diào)節(jié)閥開大，增加補充水量，保證水冷塔液位正常。由于水冷塔液位調(diào)節(jié)閥6前后管道管徑為DN80，相對較小，另外自動調(diào)節(jié)閥反饋調(diào)節(jié)過程中有一定的延遲性，從而造成水冷塔液位波動大的現(xiàn)象。水冷塔補充水量波動造成水冷塔內(nèi)水氣比波動大，不利于充分發(fā)揮氮水預(yù)冷系統(tǒng)的作用。

2 PCE 熱管理

2.1 設(shè)計要求

溫度的高低對電堆性能影響很大。溫度過低，電堆內(nèi)部極化增強(qiáng)，內(nèi)阻增大，電堆性能惡化。溫度升高時，內(nèi)阻降低，極化減小，電化學(xué)反應(yīng)速度及質(zhì)子膜內(nèi)傳遞速度增加，有利于提高電堆性能，但是溫度過高將導(dǎo)致質(zhì)子膜脫水，其導(dǎo)電率下降，電堆性能惡化，因此需要維持燃料電池內(nèi)部熱平衡。FCE 熱管理主要功能就是通過采用冷卻水循環(huán)，使燃料電池在一定的溫度范圍內(nèi)工作，滿足熱平衡需要。具體要求如下：①控制溫度范圍在70～80 ℃之間。②控制內(nèi)部溫度均勻，要求進(jìn)出電堆冷卻水溫差小于10 ℃，最好小于5 ℃。③控制溫度極限，要求系統(tǒng)的大部分部件都在某極限溫度以下。如電堆局部溫度高于100 ℃時，質(zhì)子膜將出現(xiàn)微孔，使空氣和氫氣混合導(dǎo)致嚴(yán)重的安全事故[3]。

2.2 技術(shù)方案

目前學(xué)者對市場間聯(lián)動性的研究成果豐富，但多以靜態(tài)相依性描述為主，本文基于GJR-GARCHDCC模型對“深港通”前后深港股市之間的聯(lián)動性進(jìn)行動態(tài)互動分析，文章可能的貢獻(xiàn)有：第一，以“深港通”為切入點，首次系統(tǒng)性分析了“深港通”機(jī)制的運行對深圳股市與香港股市的聯(lián)動效應(yīng)影響；第二，為了刻畫兩地股市的時變特征，本文運用DCC模型來描述市場聯(lián)動效應(yīng)的動態(tài)變化，測算了深市與港市的動態(tài)風(fēng)險溢出效應(yīng)。研究發(fā)現(xiàn)“深港通”開通之后，兩地聯(lián)動效應(yīng)經(jīng)過一定的過渡期才得到顯著加強(qiáng)，風(fēng)險溢出方向主要還是由深市向港市溢出，為金融市場跨地區(qū)的協(xié)作提供動態(tài)監(jiān)管方向，也為中國股市的健康發(fā)展提供可靠的實證依據(jù)。

圖2 PCE 熱管理+PCU 熱管理系統(tǒng)圖

冷卻系統(tǒng)：根據(jù)電堆溫度高低，冷卻液循環(huán)采用大、小循環(huán)的雙回路設(shè)計。溫度不高時為小循環(huán)，冷卻水由節(jié)溫器出口直接進(jìn)入電堆，將電堆中電化學(xué)反應(yīng)的廢熱帶出，并回到水泵入口。溫度較高時采用大循環(huán)，冷卻水由節(jié)溫器出口進(jìn)入主、副散熱器，與空氣進(jìn)行熱交換，變?yōu)闇囟容^低的冷卻液，然后由散熱器排出進(jìn)入電堆，將電堆反應(yīng)余熱排出后，重新回到冷卻水泵入口[4]。

加熱系統(tǒng)：考慮提高低環(huán)境溫度下電堆的啟動性能，在小循環(huán)回路設(shè)計WPTC，用于加熱冷凍液，改善啟動性能。

2.3 散熱器方案

MoS2納米微球表現(xiàn)出非常優(yōu)異的摩擦性能、催化活性、吸附性能等，可以滿足很多領(lǐng)域的使用要求，在固體潤滑、功能材料、化學(xué)催化、光電材料等方面具有極大的應(yīng)用潛力[20]。尤其是相較于傳統(tǒng)的層狀結(jié)構(gòu)MoS2納米粒子，表現(xiàn)出更為良好的耐磨減損性能，目前已引起學(xué)者們的廣泛關(guān)注。

散熱器的設(shè)計和布置是PEC 熱管理系統(tǒng)的關(guān)鍵，根據(jù)散熱器在客車上的安裝位置特點，可采用頂置、底置和背置三種方案。

頂置方案：散熱器安裝固定在車頂，優(yōu)點：安裝維修方便，通風(fēng)散熱環(huán)境好，不易集聚飛塵，換熱效率好。缺點：增加了車頂負(fù)荷，提高整車重心，對在整車平穩(wěn)性有一定影響。

底置方案：散熱器安裝固定在車底架上，優(yōu)點：較頂置安裝車頂負(fù)荷小，整車重心低，有利于整車的平穩(wěn)性。缺點：通風(fēng)散熱條件差，容易積聚飛塵臟物，影響換熱效率，安裝維修不方便。

(2)假設(shè)有i個電梯(i=1,2,3...)，其中第i個電梯不動時停在第ji層(j=1,2,3...)；

過載保護(hù)是依據(jù)“反時限”的原則，針對超負(fù)荷電流對供電回路進(jìn)行切斷的一種保護(hù)方式，超出設(shè)計的整定值越大，切斷的時間越快。如果機(jī)器長期過載運行，繞組溫升就會超過允許值，導(dǎo)致絕緣老化或損壞，進(jìn)一步導(dǎo)致建筑電氣設(shè)計中低壓配電系統(tǒng)的安全性問題。

散熱器的散熱性能主要取決于散熱面積大小、結(jié)構(gòu)和安裝形式，同時還與冷卻風(fēng)機(jī)性能密切相關(guān)，因此風(fēng)機(jī)的選型至關(guān)重要。由于燃料電池客車沒有機(jī)械運動產(chǎn)生的噪聲，冷卻風(fēng)機(jī)的噪聲成為燃料電池客車的主要噪聲源之一，為了有效降低整車噪聲，冷卻風(fēng)機(jī)應(yīng)采用大風(fēng)量、低噪音、可調(diào)速風(fēng)機(jī)。

2.4 零部件去離子處理方案

根據(jù)零部件的離子釋放機(jī)理，可考慮從以下兩個方面采取措施：

根據(jù)理論分析，PCE 熱管理系統(tǒng)設(shè)計如圖2 所示。主要由電子水泵、節(jié)溫器、去離子器、中冷器、水暖（WPTC）、PCE 散熱器、電子風(fēng)扇、水箱及冷卻管路等部分組成。

背置方案：散熱器安裝固定在車輛后艙，優(yōu)點：受太陽輻射、路況等外界條件干擾小，安裝維護(hù)方便。缺點：減少了客車內(nèi)部的空間。

1）改進(jìn)冷卻系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)和材料。為提高PEC熱管理系統(tǒng)的絕緣性，零部件選型及系統(tǒng)裝配上采取如下措施：水泵內(nèi)部結(jié)構(gòu)調(diào)整為采用非金屬材質(zhì)隔水套的屏蔽泵、節(jié)溫器用絕緣塑料殼體替代金屬殼體、冷卻管路采用硅膠替代EPDM 材料、中冷器安裝增加絕緣橡膠墊等，通過對以上零件進(jìn)行絕緣處理，避免PEC 高電勢通過冷卻液傳導(dǎo)由零件接地，從而導(dǎo)致絕緣故障。

2）降低燃料電池冷卻液的電導(dǎo)率。①定期零部件清洗：冷卻液循環(huán)過程中帶電離子會不斷增加，導(dǎo)致其電導(dǎo)率會不斷上升，阻值降低，系統(tǒng)絕緣性能下降。為了避免此類問題帶來的不利影響，需要保證冷卻液經(jīng)過的零部件達(dá)到一定清潔度，因此需要定期清理零部件。②采用去離子裝置：試驗表明，系統(tǒng)采用去離子裝置，在開啟去離子裝置狀態(tài)下，冷卻液電導(dǎo)率迅速下降，關(guān)閉后，冷卻液電導(dǎo)率逐漸上升，因此，采用去離子裝置是確保冷卻系統(tǒng)絕緣性能的有效手段。

3 PCU 散熱系統(tǒng)

PCU 動力平臺主要包括電機(jī)、DC/DC、空壓機(jī)、多合一控制器（PCU）等各種電器元件及動力設(shè)備的散熱需求，為了確保PCU 平臺處于良好的工作狀態(tài)，一般要求PCU 散熱器冷卻液進(jìn)口溫度不超過70 ℃，出口溫度不超過65 ℃。

根據(jù)要求，PCU 散熱系統(tǒng)設(shè)計如圖2 所示。采用強(qiáng)制液冷的冷卻方式，散熱原理與電堆冷卻類似。主要由電子水泵、PCU 散熱器、水箱及冷卻管路等組成，一般與PCE 熱管理散熱器共用冷卻風(fēng)機(jī)。

4 電池?zé)峁芾?/h2>

混合型燃料電池客車動力系統(tǒng)采用輔助電池，主要在客車起動、爬坡、加速等工況下，提供助力功率，這樣可以降低對燃料電池的峰值功率要求，使燃料電池在穩(wěn)定的工況下工作。同時可以吸收燃料電池功率大于驅(qū)動功率時的富余能量，以及吸收回饋制動能量，提高動力系統(tǒng)能效。

教學(xué)改革研究項目管理系統(tǒng)的實現(xiàn) 系統(tǒng)采用Java語言，以J2EE技術(shù)為基礎(chǔ)，采用目前應(yīng)用較為廣泛的SSH Web框架，運用Struts+Spring+Hibernate技術(shù)搭建表示層、業(yè)務(wù)邏輯層、數(shù)據(jù)持久層和域模塊層，建立結(jié)構(gòu)清晰、可復(fù)用性好、維護(hù)方便的Web應(yīng)用程序。

目前主要采用鋰離子動力電池，鋰離子電池自身溫度高低和內(nèi)部溫度均勻性對其性能和壽命影響很大。過高的溫度會加快電化學(xué)反應(yīng)速度，對電池結(jié)構(gòu)造成永久破壞，嚴(yán)重時影響電池壽命。過低的溫度將影響電池放電性能和充電特性，研究表明：鋰離子電池的最佳工作溫度范圍為25-45 ℃，電池單體之間的溫度差應(yīng)控制在5 ℃以內(nèi)[5]。

根據(jù)不同的地質(zhì)條件、潮汐風(fēng)浪等環(huán)境因素，對具有相同建設(shè)條件、有代表性的燈樁進(jìn)行設(shè)計（包括基礎(chǔ)選擇、選材、作用、尺寸、樓梯設(shè)計），以此為依據(jù)編制燈樁標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計施工圖紙。

獨立式電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)方案：如圖3 所示，主要由電子水泵、電子膨脹閥、板式換熱器、水箱及管路等組成，以滿足電池的散熱要求，同時為了滿足低溫充放電要求，系統(tǒng)增加水暖PTC，以加熱冷卻液。

鋰離子電池?zé)峁芾碇饕譃橐钥諝鉃榻橘|(zhì)，以液體為介質(zhì)和基于相變傳熱介質(zhì)三大類熱管理方式。目前主要采用以液體為介質(zhì)的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)，包括獨立式和非獨立式兩種方案。

當(dāng)然，產(chǎn)假制度也有其消極影響。一方面，對于企業(yè)來說，員工休產(chǎn)假會打亂企業(yè)平常的節(jié)奏，企業(yè)還要承擔(dān)部分因員工產(chǎn)假而導(dǎo)致的工作調(diào)動、繳納社保、工資等費用。另一方面，對于女職工自身而言，她們會因為休產(chǎn)假而長期脫離工作崗位，可能存在著影響個人晉升與職業(yè)長期發(fā)展的擔(dān)憂。公司和員工在產(chǎn)假這個問題上進(jìn)行博弈，由于雇主擁有權(quán)力和信息方面的絕對優(yōu)勢，可以通過釋放一些模棱兩可的信息和隱晦的威脅，從而對員工產(chǎn)生壓力并且在實際操作中變相降低她們的收入等。

燃料電池客車整車熱管理系統(tǒng)根據(jù)溫度不同，可分為高低溫區(qū)兩部分，高溫區(qū)包括FCE 熱管理、PCU散熱系統(tǒng)；低溫區(qū)包括電池?zé)峁芾砗涂照{(diào)系統(tǒng)。這四個子系統(tǒng)都各自有不同的溫度限值和散熱需求，需要相應(yīng)采取不同熱控制方式和電氣控制邏輯，整車布置時，還需要考慮熱風(fēng)回流和各個熱管理主體艙內(nèi)外流場的影響，這些決定了整車熱管理設(shè)計方案多樣性。

圖3 獨立式電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)圖

非獨立式電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)方案，如圖4 所示，即與空調(diào)系統(tǒng)耦合式的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)。具體做法就是在空調(diào)蒸發(fā)器上并聯(lián)一路電子膨脹閥和板式換熱器作制冷劑回路，然后將包括電子水泵、水箱及WPTC 的冷卻液回路連接到電池液冷板。

圖4 非獨立式電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)圖

5 空調(diào)系統(tǒng)

空調(diào)系統(tǒng)（HVAC）用于乘員艙內(nèi)降溫、采暖及空氣凈化，為乘客提供舒適的乘車環(huán)境。主要采用蒸汽壓縮式制冷循環(huán)，主要由蒸發(fā)器、冷凝器、壓縮機(jī)、膨脹閥、風(fēng)機(jī)、電控系統(tǒng)及制冷管路等組成。

為了改善影像物理學(xué)的教學(xué)效果、跟上影像技術(shù)設(shè)備的迅速發(fā)展，近年來國內(nèi)外醫(yī)學(xué)影像物理學(xué)的教學(xué)均有許多改革。如美國放射學(xué)委員會對學(xué)生的考核已經(jīng)用新的考試替代了以往影像物理學(xué)、筆試、口試分別進(jìn)行的模式，新的模式重在考核學(xué)生對知識的運用能力。因此，相關(guān)的教學(xué)模式正從傳統(tǒng)的看和聽的方式過渡到以動手運用為主的教學(xué)形式[3-4]。國內(nèi)也有研究將科研知識加入現(xiàn)有的影像物理學(xué)內(nèi)容中以改善教學(xué)效果、采用PBL方式進(jìn)行影像物理學(xué)教學(xué)以培養(yǎng)創(chuàng)新人才等[2，5]，均有一定成效。

目前，燃料電池客車主要采取頂置式電驅(qū)動空調(diào)。通常，如果利用余熱采暖，一般配置單冷型空調(diào)。如果不利用余熱，一般配置熱泵型冷暖空調(diào)，在冬季環(huán)境溫度低于-5 ℃區(qū)域使用，空調(diào)還需選裝10～14 kW 的PTC 電加熱器。這部分技術(shù)已經(jīng)非常成熟，而且諸多文獻(xiàn)均有論述，在此不再贅述。但如果電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)采用非獨立式方案，則上述空調(diào)系統(tǒng)中需要并聯(lián)耦合電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)，見圖4。

6 余熱綜合利用可行性

燃料電池系統(tǒng)排熱量非常大，其熱功率和發(fā)電功率幾乎相當(dāng)，是傳統(tǒng)發(fā)動機(jī)的2～3 倍，如果對這部分熱量進(jìn)行回收利用，不僅可以降低散熱難度，而且可以大大提高系統(tǒng)的能源利用效率，因此熱能綜合利用對燃料電池動力系統(tǒng)具有重要意義。目前，熱能利用主要有以下三個方向。

一是制冷。制冷可采用吸附式制冷、蒸汽噴射式制冷和吸收式制冷三種方式。吸收制冷系統(tǒng)內(nèi)部構(gòu)造簡單不受外部因素影響。利用熱源驅(qū)動，不消耗電能，在燃料電池汽車余熱利用方面有一定的應(yīng)用前景，不過仍處于實驗階段且系統(tǒng)的體積較大，因此受到限制。蒸汽噴射式制冷系統(tǒng)在較低的冷凝溫度就能夠得到較高的熱力系數(shù)，但是系統(tǒng)COP 會隨著冷凝溫度的升高下降，因此不太適合客車這種變工況特性，加上噴射器氣流產(chǎn)生的噪聲比較大，會對乘客產(chǎn)生不良影響[6]。吸收式制冷系統(tǒng)應(yīng)用廣泛，在利用100 ℃以下的低品位余熱方面已取得相當(dāng)?shù)某晒?，因此正受到燃料電池動力系統(tǒng)方面的研究者的高度重視，但是由于燃料電池汽車動力系統(tǒng)的變工況特性、車用環(huán)境、空間等限制因素，吸收式制冷系統(tǒng)的商品化應(yīng)用還有相當(dāng)長的路要走[7]。

二是ORC 發(fā)電。余熱ORC 發(fā)電主要原理是采用朗肯循環(huán)，利用余熱將有機(jī)工質(zhì)加熱成飽和氣體或過熱氣體，驅(qū)動膨脹機(jī)轉(zhuǎn)動做功，帶動發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能發(fā)電。ORC 系統(tǒng)在低溫余熱利用中已經(jīng)比較成熟，一般而言，余熱初始溫度越高，余熱能級越高，ORC 系統(tǒng)回收效果就越好。有研究數(shù)據(jù)顯示，對于溫度為473 K 的余熱資源，其能級為0.213，即理論發(fā)電效率為21.3%，實際不到理論值一半。燃料電池系統(tǒng)余熱溫度僅350 K，能級不到0.1，100 kW 的燃料電池系統(tǒng)發(fā)電量理論上不到10 kW，實際值就5 kW左右，而這套系統(tǒng)目前價值比較高，因此性價比低[8]。

三是直接熱利用。燃料電池系統(tǒng)排熱最簡單的利用就是直接熱利用，冬季可以比較輕易的利用排熱對空氣、氫氣進(jìn)行預(yù)熱，實現(xiàn)電堆保溫，以及乘客區(qū)采暖、除霜等。12 m 燃料電池客車直接利用余熱為整車提供采暖方案如圖5 所示，通過中冷器耦合，利用余熱解決除霜、乘員艙采暖和司機(jī)室采暖。經(jīng)測試，當(dāng)燃料電池輸出功率達(dá)到全功率的75%時，即可實現(xiàn)全余熱供暖。并且節(jié)能效果顯著，可實現(xiàn)采暖節(jié)能約70%，整車節(jié)能約8%。

圖5 直接利用余熱采暖系統(tǒng)圖

7 結(jié)束語

本文介紹了燃料電池客車整車熱管理技術(shù)，探討了燃料電池客車余熱利用的可行性途徑。重點分析了燃料電池客車整車熱管理整體方案，以及PCE 熱管理，PCU 散熱系統(tǒng)，電池?zé)峁芾砗涂照{(diào)系統(tǒng)等四大子系統(tǒng)的設(shè)計要求，基本原理構(gòu)造和各種可行性方案，為燃料電池客車熱管理的開發(fā)研究提供參考。