基于跨临界CO2热泵的氢燃料电池汽车整车热管理系统

2023-10-17闫昱州张仕珩宋昱龙

制冷学报 2023年5期

闫昱州张仕珩宋昱龙

(西安交通大学能源与动力工程学院西安 710049)

自我国提出“碳达峰、碳中和”目标以来,发展新能源汽车成为交通运输领域减少碳排放的主要途径。氢燃料电池汽车通过使用氢能代替传统的化石能源,达到零排放零污染。但氢燃料电池汽车的工作效率仍具有极大的提升空间,美国国家可再生能源实验室的J. P.Rugh[1]指出,开启空调的情况下纯电动汽车的行驶里程会下降18%～30%;A.Yokoyama等[2]指出在冬季空调制热工况下,空调制热所需能耗几乎相当于总能耗的1/3。与此同时自《<蒙特利尔议定书>基加利修正案》签订以来,传统汽车热管理系统所采用的氟利昂类制冷剂,都将因为GWP(全球变暖潜值,Global Warming Potential)和ODP(臭氧损耗潜值,ozone depletion potential)指数较高而面临淘汰。

C. Kowsky等[3]提出建立一个整体的热泵空调系统,利用热泵为乘员舱供热,能耗下降显著。包括T. Suzuki等[4]在内的众多学者分别验证了以R134a、R410A、R32、R407C为工质的热泵空调对于性能提高的影响。马一太等[8]指出CO2具有优良的热力特性和循环特性。王从飞等[9]指出CO2制冷剂凭借优异的环保效应、宽工况适应性及与车辆系统的兼容性,近些年被广泛地推向新能源汽车、客车、轨道交通等领域。王丹东等[10]研发了一套CO2跨临界车用热泵空调系统,克服了CO2车用热泵空调系统高压和高排气温度的难题。

现有的燃料电池汽车乘员舱、电池和电机的热管理系统分别独立进行,且未充分利用电池余热,使整车效率较低,能耗较大[11]。在现有的新能源汽车中仍然采用传统氟利昂类制冷剂,冬季工作时制热能力较差,且对环境的破坏严重。此外,对于氢燃料电池的预热,大部分使用PTC加热为主的方式[12],极大地增加了能耗。本研究中,应用基于跨临界CO2循环技术的CO2热泵,实现了更强的低温制热能力,相对于传统制冷剂更加绿色环保,有助于缓解电动汽车的冬季“里程焦虑”。本文应用AMESim系统仿真平台对氢燃料电池汽车整车热管理系统进行设计模拟,通过各子系统之间的协同控制,提高热量利用效率,实现能量的协同管理,对于电动汽车的安全性、经济性和提高续航里程具有重要意义。

1 热管理系统方案设计

1.1 系统结构设计

本文基于一款氢燃料电池汽车进行仿真模拟,该车以质子交换膜氢燃料电池(proton exchange membrane fuel cell,PEMFC)作为主要动力来源,并辅以动力电池以保证动力稳定,由于氢燃料电池运行温度高、散热量大,热管理需求远比动力电池及电机严格,为简化模型,本研究仅考虑对氢燃料电池的热管理工作。根据实际情况与实验要求,将该车热管理系统进行简化分析,热管理系统原理简化框图如图1所示。

图1 热管理系统原理

1.2 系统原理设计

在动力控制模块中,根据给定车速工况,并结合车辆行驶环境(如空气阻力、路面摩擦阻力等),使用ECU(electronic control unit)对氢燃料电池、动力电池及电机进行控制,使其输出汽车正常行驶所需功率,并根据运行功率计算出电池产热量、电池剩余电量(state of charge,SOC)、氢燃料电池耗氢量等。

综合分析整车热管理需求,采取对乘员舱进行直接式热管理,对燃料电池进行间接式热管理的一体化热管理方式。在关键点位处布置温度传感器,测定如电池温度、乘员舱温度等重要数据,并将其作为输入变量,通过PID等控制方法,在多种控制单元综合作用下进行整车热管理控制。

对乘员舱的制冷、制热由CO2热泵系统实现,并通过PID控制气阀的开闭,使乘员舱内温度达到人体舒适范围。

由于氢燃料电池的理想工作温度相对较高,预热或散热要求较严格,因此联合CO2热泵对其进行热管理。氢燃料电池在低温时冷启动会对电池的寿命造成较大影响,可能导致电池组出现故障[12],所以必须对电池进行预热,使其快速达到适宜工作温度。故使用板式换热器与热泵气体冷却器并联的方式,将所需热量通过50%乙二醇冷却液从CO2回路导向氢燃料电池,使电池在较短时间内升至理想温度。在散热过程,氢燃料电池在工作时发热量较大,采用板式换热器与热泵蒸发器并联的方式,将热量从电池引回CO2回路,并且可利用该部分热量对乘员舱进行制热,完成余热回收。

下面结合两种典型工况下热管理系统的运行方式进行详细介绍。

在夏季环境温度较高时,车辆启动阶段会遇到乘员舱需制冷、燃料电池需预热的情况。此时热管理系统具体运行方式如图2(a)所示:首先开启CO2热泵,从蒸发器中输出冷的湿空气,为乘员舱进行制冷;同时开启阀 1与阀 2,且使电池预热回路的泵1开始工作,将热量由热泵循环交换至乙二醇溶液回路,对电池进行预热。该工况下阀 3与阀 4仅开启热泵回路中的两个开口,即关闭电池冷却回路。

图2 两种典型工况下的热管理系统运行方式

在冬季环境温度较低,且汽车处于高速行驶的情况下,需对乘员舱进行制热,对燃料电池进行冷却。此时热管理系统具体运行方式如图2(b)所示:CO2热泵处于开启状态,将气体冷却器中输出的热的湿空气送入乘员舱,为乘员舱制热;同时开启阀 3与阀 4,且使电池冷却回路的泵2开始工作,将电池的热量经由乙二醇冷却液回路交换至CO2回路,利用热泵进行散热,此外可通过热泵循环将一部分热量为乘员舱制热,完成余热利用。该工况下阀 1与阀 2仅开启热泵回路中的两个开口,即关闭电池预热回路。

2 基于AMESim软件的热管理系统建模

氢燃料电池汽车的参数[13]设定如表1所示。

表1 整车参数

在氢燃料电池汽车中主要的热量来源为:燃料电池产热、电机产热和乘员舱产热,计算式如下:

Qtotal=Qb+Qc

(1)

式中:Qtotal为总热负荷,W;Qb为电池、电机产生的热量,W;Qc为乘员舱产生热量,W。

由于氢燃料电池的产热较大,相比于电池产热,电机产热较少,为简化计算,仅计算电池产热,其热量约等于电堆内部产生的总能量减去电池输出的电能[14]。氢燃料电池相关参数[13]如表2所示。

表2 燃料电池系统参数

电池产热量:

Qb=(V0-Vcell)IcellN

(2)

Icell=iA

(3)

式中:Qb为电池产生热量,W;V0为单片电池参考电压,V;Vcell为单片电池即时电压,V;Icell为系统即时电流,A;N为电堆总片数;i为单位活化面积电流,A/m2;A为电堆活化面积,m2。

乘员舱热负荷的计算式:

Qc,heating=QA+Qw-Qp-Qs-Qe

(4)

Qc,cooling=QA+Qw+Qp+Qs+Qe

(5)

式中:Qc为乘员舱热负荷,W;QA为室外空气带入的热量,W;Qw为车身围板结构与外界热交换产生的热量,W;Qp为乘客自身散发的热量,W;Qs为太阳辐射热量,W;Qe为车内设备热负荷,W。

根据产生的热量可以计算所需的制冷剂流量:

V=Qtotal/[cp(Tout-Tin)]

(6)

式中:V为冷却液流量,kg/s;Qtotal为总热负荷,W;cp为冷却液定压比热,kJ/(kg·K);Tout为冷却液出口温度,K;Tin为冷却液进口温度,K。

本研究通过综合考虑各部分的热管理需求,结合整车参数,构建系统模型。在AMESim软件中,将各模块进行一体化设计,建立整车热管理系统如图3所示,并合理设置相应参数。

图3 氢燃料电池汽车热管理系统AMESim仿真模型

3 结果分析

根据所搭建的氢燃料电池整车热管理系统模型,进行系统的模拟运行。采用NEDC(new European driving cycle)工况[15]作为车辆运行标准工况,测试热管理系统在一个NEDC工况下的运行情况,并分别测试系统在夏季、冬季等多种环境下的表现,测试电池预热模式下该系统与传统PTC加热的能耗差异,验证该热管理系统的可行性。

3.1 综合仿真工况

将乘员舱目标温度设置为24 ℃,氢燃料电池温度设置为70 ℃;夏季工况下环境温度分别设置为30、35、40 ℃,冬季工况下环境温度分别设置为-5、0、5 ℃,以确保该模拟结果的有效性。将仿真时间设置为一个NEDC工况时间,总运行时长为800 s(图4),步长为1 s。

图4 NEDC工况车速

对于燃料电池,其产生的能量主要供应以下几个部分:

1)为汽车的运行提供动力,为动力电池供电,克服汽车运行时的滚动阻力和风阻;

2)为热泵模块中压缩机和各部分中的泵供能,为压缩机供能以起到制热或制冷效果,为泵供能以维持制冷剂的正常流动;

3)为电控制模块供能,该部分主要包括车辆的电子控制系统,考虑到其相对于其他部分所需能量较少,出于简化计算考虑,将该部分能量消耗忽略不计;

4)以热量形式被制冷剂即水乙二醇溶液吸收,或以空气形式排出。

进行分析时,出于简化计算考虑,将车辆电控系统的能耗忽略,认为泵和压缩机在工作时转速一定,功率为定值,因此只需对燃料电池产热进行动态分析。

在该工况下,氢燃料电池的发热量如图5所示,为简化模型,认为该发热量不随外界环境因素变化。

图5 燃料电池发热量

3.1.1 夏季工况

在夏季工况下,起步阶段乘员舱温度较高,需要CO2热泵对其进行制冷。在40、35、30 ℃的环境温度下,考虑到夏季太阳辐射较强,在车辆长时间停放于室外条件下,车内空气温度较高,通过经验公式计算车内温度:

Tin=kTout

(7)

式中:Tin为车内温度,℃;Tout为环境温度,℃;k为修正系数,根据有关文献[16],取值为1.6。

根据计算,乘员舱内部温度分别达到64、56、48 ℃。夏季3个工况下,整车相关初始参数对照如表3所示。

表3 夏季不同工况初始参数

夏季工况下乘员舱温度变化如图6所示。由图6可知,对乘员舱制冷50～80 s后,可将温度稳定在24 ℃。初始环境温度越高,乘员舱热管理需求越大,制冷所需时间越长。但即使在外界环境温度为40 ℃的炎热条件下,仍可在100 s内将车内温度降至目标温度。可以认为,在大部分夏季条件下,该系统均可使车内温度迅速控制至适宜的车内温度,且车内温度波动幅度较小。

图6 夏季工况下乘员舱及燃料电池温度

由于氢燃料电池理想工作温度较高,一般其正常运行适宜温度应控制在60～80 ℃[17],因此在夏季工况下仍需对其进行一定的预热处理。

假定电池初始温度与环境温度相同,即分别对应40、35、30 ℃,模拟结果如图6所示。经分析,夏季工况下电池达到目标温度所需平均时间约为250 s,且初始环境温度越高,达到目标温度时间越短。在约730 s时温度有相对较大波动,原因为该时间车辆迅速加速至120 km/h,此时对应的车速最大,导致整体能耗上升,使燃料电池发热量较大。在该状态下最高温度仍低于80 ℃,处于燃料电池的适宜工作温度区间,且燃料电池能够在热管理系统的控制下持续工作在理想温度区间,在车辆转为匀速运行后迅速降温至70 ℃。

图7所示为夏季工况下氢燃料电池的耗氢量随时间的变化。在40、35、30 ℃下,耗氢量分别为126.8、121.6、117.3 g。由此可知,耗氢量随环境温度的升高而增加,因为环境温度越高,乘员舱所需制冷量越大。

图7 夏季工况下燃料电池耗氢量

3.1.2 冬季工况

对于冬季工况,由于冬季太阳辐射较弱,相比于夏季,可以忽略长时间停放在室外对车辆内部温度的影响,认为车辆内外的温度相同。

由此可得冬季车辆初始参数,如表4所示。

表4 冬季不同工况初始参数

表5 CO2热泵台架实验与仿真结果对比

在冬季工况下,初始阶段乘员舱温度较低,为保证乘员舱舒适性,在电池安全运行的前提下,优先对乘员舱进行制热。

模拟运行所得温度变化如图8所示,CO2热泵可迅速对乘员舱进行制热,在运行的3种工况下,均能够在100 s内将乘员舱制热至24 ℃,并能够保持温度稳定。分析可知,初始环境温度越低,乘员舱热管理需求越大,制热所需时间越长,但均可保证其在较短时间内达到目标温度。并且随着车速的变化,车内温度并不会出现明显波动。

图8 冬季工况下乘员舱及燃料电池温度

考虑到冬季工况下燃料电池的初始温度极低,电池的预热至关重要。环境温度越低,所需预热时间越长。

冬季工况下燃料电池的温度变化如图8所示。在环境温度为0 ℃的情况下,需要约600 s使电池达到理想温度。

温度曲线斜率逐渐增加的原因是随着车辆开始运行,燃料电池也会开始产生热量,此时配合CO2热泵产生的热量会加速电池的预热。相关文献指出[18],目前燃料电池汽车完全预热至最佳工作温度时间约为4 800 s。相比之下,本文设计的热管理系统相比于传统的预热方式具有显著优势,可以极大地减少预热时间,提高效率。

当电池温度达到设定温度时,由图8可知,电池温度能够较好地稳定在适宜工作温度区间,由于燃料电池的功率与夏季运行工况相同,所以在温度达到设定温度后,其曲线变化趋势也与夏季工况相似,且均能使氢燃料电池的温度稳定在合理运行区间。

图9所示为冬季工况下燃料电池耗氢量,分析图像可知,冬季工况下燃料电池的耗氢量比夏季工况更高,约为136.5 g。