燃料电池客车超低温环境综合智能热管理系统开发

2022-04-26 12:34:07来源：电动学堂

文章来源：1.北京公共交通控股(集团)有限公司2.北京理工大学3.北京福田欧辉新能源汽车有限公司

受燃料电池当前技术水平的限制,燃料电池汽车仍存在动态响应慢、无法回收制动能量等问题,因而目前的燃料电池汽车存在多个能量源。根据车辆的功率需求对能量源进行合理分配是提升整车效率、降低燃料电池成本的关键。当前,燃料电池的化学能转化效率可达到60％左右,仍然有40％左右的能量都转化为废热白白浪费掉。因此,针对2022年冬奥会期间燃料电池汽车低温运行环境,本文提出一种实现燃料电池余热利用的能量管理策略,并通过三种工况仿真分析,研究其对燃料电池汽车经济性的贡献,以验证系统和控制策略的可行性。
1整车综合智能热管理控制方案
整车综合智能热管理系统初步设计方案保留了燃料电池(150kW)和动力电池(62.26kW·h)原有的热管理系统(包括散热和加热),整车加热系统采用水暖方式。利用液-液换热器对燃料电池冷却水和加热系统、动力电池保温系统的介质进行热交换,以实现低温条件下的余热利用,降低供暖能耗。
为进一步体现氢燃料电池客车的极寒低温适应性，本文开发全气候动力电池作为氢燃料电池客车的辅助能源，与具有-30°C氢燃料电池系统进行匹配，实现整车具备-30°C极寒低温冷启动性能。针对极寒环境下不消耗额外的电能改善乘客舱供暖问题，对整车热管理系统进行进一步设计优化，创新开发的自适应综合智能热管理系统如图1所示，实现了燃料电池系统余热取暖、余热利用；开发了余热交换器，使用燃料电池余热量为乘客舱供暖，换热量;:,20kW@15K温差；同时在乘客舱内前、中、后三个区域设置温度采样点，实时反馈乘客舱当前温度分布情况，能够实时控制乘客舱内散热器的风扇转速及散热器功率输出，实现乘客舱内采暖智能控制及温度均衡。

2整车综合智能热管理系统仿真
在AMESim中搭建整车综合智能热管理系统的动态模型，该模型集成了水泵、管道、加热器、散热器、换热器等子模块模型，可以模拟冷却液流动、传热等动态过程。在MATLAB/Simu1ink中搭建整车动力系统模型，利用其接口搭建控制器模块并编写控制算法，方便后续进行实时控制算法设计调试。利用所搭建的上述两个模型，选择三种工况在MATLAB软件中进行联合仿真分析。
2.1停车启动工况仿真分析1)首先研究在停车状态下进行启动暖机过程。此时由燃料电池和动力电池共同输出功率，耗能部件为燃料电池小循环加热器和整车热管理系统的加热器，分别按最大功率10kW和30kW工作。四者功率变化如图2所示。在此过程中，燃料电池冷却水出口温度大约经过300s后稳定在80°C，而乘客舱温度经过800s后达到25°C并维持该温度。

2)启动时燃料电池和动力电池同时输出，在燃料电池到达工作温度并进行供暖后，由于燃料电池功率不能快速下降，因此此时还需要对动力电池进行充电。之后功率输出逐渐达到平衡，动力电池的输出功率降为零。该启动过程为确保乘客舱温度迅速上升，一开始整车电加热器采用最大功率输出。该过程乘客舱加热和维持温度所需要的能量80％来自加热器，20％来自燃料电池余热交换器。系统达到稳定后，乘客舱供暖需求功率为26.37kW，其中燃料电池提供的电能为18.51kW，燃料电池余热交换器提供的热能为7.86kW。
2.2启动行驶工况仿真分析该部分研究的是燃料电池客车在运行C-WTVC工况时，燃料电池系统及整车从-20°C初始状态启动运行的过程。为了以最快速度使燃料电池和乘客舱温度达到目标值，整车热管理系统的电加热器一开始就采用最大加热功率工作。
在该动态工况中，燃料电池功率随工况缓慢变化，而功率需求变化基本由动力电池承担。由于整个循环的行驶需求平均功率大约为30kW，因此该过程燃料电池提供的余热低于系统的最大需求供暖量，所以该过程电加热器需要持续工作以维持所需温度，四者的能量变化曲线如图3所示。

该过程中，燃料电池冷却水出口温度大约经过280s后稳定在80°C，乘客舱温度则经过400s后达到25°C并维持该温度，波动值不超过2°C。经分析，该过程中用于整车热管理中乘客舱温度上升及维持温度所需要能量的45％来自电加热器，55％来自燃料电池的余热，即余热利用使得热管理系统所需的能量降低了55％，节能效果明显。在C-WTVC工况末段，由于车速较高，需求的功率也较大，因此燃料电池输出功率显著增大，但此时乘客舱温度稍微上升。
2.3稳态供暖工况仿真分析该部分是对车辆在C-WTVC行驶工况过程中的整车动力系统及热管理系统的仿真，此时燃料电池和车辆温度都已经达到了正常工作状态。
该过程中各个部件的功率和累计能量情况与停车启动的工况相似，但该过程由于车辆温度和燃料电池温度均已达到了稳定值，所以加热器仅需提供一个小功率以协助维持乘客舱温度，此过程中四者的能量变化曲线如图4所示。

该过程中，燃料电池冷却液出口温度维持在80°C左右，乘客舱的温度在25°C左右，略有波动，最大波动值不超过2°C。在稳定运行一个循环工况中，维持乘客舱温度需要的热能为12.8kW·h，运行时间为1800s，平均功率为25.6kW。所需热能的22％(2.83kW·h)来自整车热管理系统中的电加热，其余的78％(9.97kW·h)来自燃料电池余热。该过程中，动力系统输出总能量为25.15kW·h(其中燃料电池24.46kW·h，动力电池0.69kW·h)，相比采用纯电加热系统时的动力系统输出总能量35.12kW·h(全部为动力电池输出)，总能耗降低了28.4％。
3整车综合智能热管理试验验证
为了验证所设计的整车综合智能热管理系统的有效性，采用某12m燃料电池公路客车在中汽中心呼伦贝尔冬季汽车试验场进行极寒环境的实车测试验证，该车的综合智能热管理示意图如图5所示。

在环境温度-30°C下，要求乘客舱温度10min内加热至高于环境温度10K以上，此时电加热器所需总功率为26kW。在燃料电池不同稳态工作状态下，测得燃料电池余热供暖占采暖总功率的比例见表1。从表中可以看出，随着燃料电池功率的升高，余热供暖功率占采暖功率的比例升高。当燃料电池功率大于其最大功率(150kW)的60％(90kW)稳态工作时，燃料电池余热供暖可以满足乘客舱上述采暖(需求功率为26kW)需求，无需电加热器进行额外加热，即余热供暖占比为100％。此时，通过试验测得100km整车氢耗从7.6kg降低到5.9kg，降低了22.4％，节能效果得到明显提升。

4结束语
本文基于-30°C极寒环境，提出燃料电池客车综合智能热管理控制策略，满足整车快速起动的需求，并通过仿真分析和实车测试，验证了该综合智能热管理系统的节能效果。随着燃料电池关键材料和零部件性能的提升，先进控制方法的实现和普及，燃料电池车辆的极寒环境适应性将会逐步提升，从而有助于燃料电池车辆的推广。

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