燃料电池电动汽车热平衡测试方法研究

2022-09-05吴诗雨梁荣亮郭婷

汽车文摘 2022年9期

吴诗雨梁荣亮郭婷

（中国汽车技术研究中心有限公司，天津300300）

主题词：燃料电池电动汽车热平衡测评方法

1 前言

在汽车工作过程中，热量管理对整车在不同工况（尤其是极限工况）下性能的发挥具有极大的影响，成为长期以来整车研发过程中必须考虑的问题。相比于传统燃油车，燃料电池汽车的发动机工作温度较低（80 ℃），与外界环境温差较小，大约有95%的废热需要通过车辆散热器散去，这给燃料电池汽车的散热系统带来了巨大的挑战。

在燃料电池汽车整车热管理仿真研究方面，国内外研究人员开展了大量的工作。张扬军等对燃料电池汽车关键部件的热特性、热管理系统设计和集成优化方面的研究方法进行了阐述。常国锋等建立了燃料电池热管理仿真模型。Song等综述了温度对燃料电池电动汽车整车热管理和能量管理的影响，指出充分考虑温度效应可以改善整车的使用效率，提高使用寿命。Bai 等建立了一种燃料电池汽车热管理系统的控制策略，分析了冷凝器、热交换器、散热器及水泵之间的耦合作用，为燃料电池汽车热管理系统的控制设计提供了指导。Xu 等基于KULI 完成了整车热管理系统的建模，模拟了5 种工况下的车辆热管理系统运行情况，其所开发的热管理系统均可满足控制要求。

而在燃料电池汽车的设计开发过程中，高效、合理的整车热平衡能力测试评价技术对于其热管理能力的提升具有十分重要的意义。目前，在整车级热平衡能力测试评价方法方面，仅有GB/T 12542—2020《汽车热平衡能力道路试验方法》和T/CSAE 114—2019《汽车动力总成冷却能力环境风洞试验方法》中规定了传统车辆热平衡测试方法，而关于燃料电池电动汽车热平衡能力测评方法的研究尚未见报道。

通过对国内外燃料电池汽车热管理系统进行解析，分析了燃料电池汽车热平衡测试评价的测试需求，提出了一种适用于燃料电池汽车整车模拟道路热平衡试验的测试方法，有利于指导燃料电池汽车的测试研发工作。

2 国内外燃料电池汽车热管理系统

燃料电池电动汽车的热管理系统主要包括电堆、散热器、水泵、去离子器、中冷器、节温器、加热器。目前，国内外典型燃料电池汽车，包括丰田的Mirai、本田的Clarity、现代的NEXO以及广汽的燃料电池汽车，均有自主研发的燃料电池系统。

2.1 丰田Mirai热管理系统

丰田Mirai热管理系统的布置如图1所示，包括主散热器、副散热器、水控阀、空调、中冷器、电堆、电动水泵、温度传感器、去离子器。该热管理系统的冷却方式为液冷，即电动水泵将冷却液输送至电堆，冷却后的液体通过水控阀流经散热器，形成了闭合冷却回路。在热管理系统工作的过程中，电动水泵、温度传感器和水控阀共同作用，通过改变冷却液的流量完成对燃料电池电堆温度的精准控制；双散热器（主、副散热器）的设计可以更好地满足在高散热负荷下的散热需求，以保证车辆性能的正常发挥。

图1 丰田Mirai燃料电池汽车热管理系统布置[9]

2.2 本田Clarity热管理系统

本田Clarity 热管理系统的布置如图2 所示，包括散热器、节温器、水泵、电堆、加热器和去离子器。该热管理系统采用液冷的冷却方式，冷却液经过水泵进入电堆，之后通过电堆出口至散热器，完成电堆的散热。在热管理系统工作过程中，去离子器去除冷却液中的离子以确保车辆用电安全。节温器可以控制散热器的大小循环，以实现高低温工况下加热与冷却模式的切换，保证燃料电池发动机的正常工作。

图2 本田Clarity燃料电池汽车热管理系统布置[10-11]

2.3 现代NEXO热管理系统

现代NEXO 热管理系统的布置如图3 所示，包括散热器、阀体、水泵、去离子器、暖风芯体、COD 加热器、电堆。该热管理系统采用的冷却方法为液冷，共有3个冷却回路，分别为外部辅助加热、电堆自身加热和电堆散热回路。在热管理系统工作的过程中，针对不同的工况，系统可以切换至不同回路工作，以实现低温、常温和高温工况下电堆系统的热量管理，进而保证电堆系统的正常工作。

图3 现代NEXO燃料电池汽车热管理系统布置[12]

2.4 广汽某燃料电池汽车热管理系统

广汽某燃料电池汽车的热管理系统布置方案如图4所示，包括散热器、节温器、电堆、水泵、中冷器、去离子器和水壶。该热管理系统采用液冷的冷却方式，冷却液通过水泵进入电堆，经过散热器形成完整的闭合回路。去离子器可以去除冷却液中的离子，以保证用电绝缘安全并防止电堆腐蚀。与本田Clarity类似，热管理回路中也增加了节温器，以实现不同温度工况下大小循环的切换，从而保证电堆正常工作。

图4 广汽集团某燃料电池汽车热管理系统布置[13]

3 燃料电池汽车热平衡测试需求

在燃料电池汽车的整车研发过程中，开展整车热平衡试验的目的是考察车辆在不同极限工况下散热能力，确定实车使用过程中不同部件所能承受的极限温度，进而指导燃料电池发动机系统的研发选型设计。

燃料电池汽车动力系统包括氢气循环系统、空气循环系统、电堆、水热管理系统、动力电池和电控系统。在整车热平衡测试试验过程中，重点考察电堆和水热管理系统不同部件的温度变化情况，以实现整车热平衡能力的考核。其中，水热管理系统一般包括水泵、节温器、散热器、去离子器、中冷器、风扇、加热器等。根据燃料电池汽车的结构及原理，本文给出了在燃料电池汽车热平衡试验中建议测温点及具体传感器的安装位置（表1）。

表1 燃料电池电动汽车热平衡试验建议测温点

4 燃料电池汽车热平衡测试方法

4.1 试验条件及要求

开展整车热平衡试验时，需要考虑的具体条件及要求包括气候条件、设施条件以及试验设备要求。

4.1.1 气候条件

在开展燃料电池电动汽车热平衡试验时，如果在道路上开展试验，一般要求环境温度不低于30 ℃，风速不大于3 m/s，且具备充足的阳光照射。在室内转鼓进行试验时，要保证一定的光照辐射强度。

4.1.2 设施条件

在开展道路试验时，要求试验道路满足GB/T 12534—1990《汽车道路试验方法通则》中的规定。

4.1.3 试验设备要求

在开展整车热平衡试验时，需要的设备一般包括：热电偶、模拟电压、流量传感器、压力传感器、风扇传感器、日光强度传感器、环境压力传感器、环境湿度传感器、转速表或测速仪、多通道数据记录仪和车辆总线数据。试验设备的精度要求详见下表2。

表2 试验测量参数及精度要求

4.2 试验工况

为了充分检验燃料电池汽车的热平衡能力，本文设定了6 种试验工况来开展整车热平衡试验，包括燃料电池电堆最大输出功率工况、高速行驶工况、高速爬坡工况、低速爬坡工况、城市工况、怠速工况，不同工况的具体设定要求如下。

4.2.1 燃料电池电堆最大输出功率工况

在该工况试验过程中，要求车辆选用D挡以油门全开状态行驶，通过调整阻力加载装置对汽车逐步施加阻力，维持电堆在最大功率状态运行，直到所有的测温点不再上升停止试验。

4.2.2 高速行驶工况

在该工况试验过程中，要求车辆选用D挡，以90%最高车速或140 km/h（取2 者中较小值）匀速行驶，直到所有的测温点不再上升后停止试验。

4.2.3 高速爬坡工况

在该工况试验过程中，通过阻力加载装置对车辆逐步施加载荷至3%坡度阻力，调整油门使车辆以最大稳定车速匀速行驶20 min，至所有的测温点不再上升。

4.2.4 低速爬坡工况

在该工况试验过程中，通过阻力加载装置对车辆逐步施加载荷至12%坡度阻力，调整油门使车辆以最大稳定车速匀速行驶20 min，至所有的测温点不再上升。

4.2.5 城市工况

在该工况试验过程中，要求车辆选用D 挡，按照“中国汽车行驶工况”（GB/T 38146—2019）相关要求进行测试。

4.2.6 怠速工况

中国工况试验完成后，将车辆静止运行30 min，若30 min 后温度测点仍未达到平衡，则试验继续进行，直到测点温度不上升为止。

4.3 某燃料电池汽车热平衡试验测试结果

为了检验本试验方法的可行性，根据上述方法对某款全功率燃料电池电动汽车开展了热平衡能力的试验测评，试验的操作流程如图5所示。

图5 燃料电池汽车热平衡试验流程

图6～图8 分别展示了该款全功率燃料电池汽车在高速工况、高速爬坡工况和中国汽车行驶工况下不同部件的温度变化情况。结果表明，该款燃料电池汽车热管理系统的平衡能力表现较为不错，在3种工况的试验中，部件的温度均维持在100 ℃以下，这样可以保证燃料电池发动机在一个相对“舒适”的温度（约80 ℃），从而更好地发挥动力系统的性能。此外，从图8中可以看出，车速对不同部件的温度变化影响较大，当车速变大时，不同部件的温度均有一定的上升，其中，以冷凝器进口前的温度表现最为明显，整体的温度随车速呈现波动变化。