驾驶工况对燃料电池汽车热管理的影响

周明岳 王国卓 郭婷 王志军 吴诗雨

摘 要：燃料电池汽车关键部位的温度控制对于车辆的稳定运行至关重要，然而目前关于多变的驾驶工况对车辆关键部位温度的影响并不明确。本文以一款燃料电池乘用车为例，通过试验的方法研究了中国工况、低速爬坡工况、高速爬坡工况下车辆关键部位温度的影响。结果表明中国工况下车辆不同部位的温度差别并不明显，而低速爬坡和高速爬坡工况下车辆不同位置处的温度差别较大，且高于中国工况下的温度。

关键词：燃料电池汽车 热管理 驾驶工况 温度分布

1 引言

燃料电池汽车近年来受到国内外的广泛关注，开发高效率、性能佳的燃料电池汽车也逐渐成为各个汽车生产厂商的研究热点。由于燃料电池汽车的核心——燃料电池电堆的输出性能在很大程度上受到温度的影响，温度过低可能会导致电堆内部结冰，不能正常启动，温度过高会降低电堆的输出功率，甚至可能会损伤电堆内部的质子交换膜。并且大多数燃料电池汽车也搭载了动力电池作为辅助能量源，而动力电池的输出性能也受到温度影响，因此合适的工作温度的对于燃料电池汽车稳定运行具有至关重要的作用[1，2]。然而车辆在实际道路上行驶时，多变的驾驶工况要求燃料电池电堆的输出功率也随之变化，必然会导致电堆和电驱系统的产热量也有较大幅度的变化，从而影响车辆的热管理效果，因此有必要研究驾驶工况对燃料电池汽车关键部位温度的影响。本文以一款燃料电池乘用车为例，分析了中国工况、低速爬坡工况、高速爬坡工况下燃料电池乘用车关键部位温度变化，探究不同的驾驶工况下燃料电池汽车关键部位的温度控制效果。

2 燃料电池汽车热管理系统

燃料电池汽车的热量来源主要有燃料电池电堆、动力电池、电机、空调等，因此需要采用热管理系统来及时将热量排出。燃料电池汽车的热管理系统包含了冷却系统和空调系统，其中冷却系统主要作用于车辆的内部关键零部件以及管路[3]。电堆冷却系统和电驱动系统冷却系统分别如图1和图2所示，对于燃料电池电堆，通常有空气冷却、液体制冷剂冷却、相变冷却等几种冷却方式。

此外，燃料电池汽车零部件布置结构较为紧凑，给温度控制带来了困难，为了提高热管理的效率，车辆通常使用不同的热管理策略，目前常用的热管理策略有PID控制策略、模型预测控制策略、自适应控制策略、模糊控制策略、协同控制策略以及其它控制策略[4，5]。

3 燃料电池汽车样品参数及试验条件

本文以一款燃料电池乘用车为样品，分析不同的驾驶工况下车辆关键部位温度的变化。车辆参数如表1所示。

本文采用的驾驶工况为中国工况（CLTC-P）、低速爬坡工况、高速爬坡工况，中国工况的速度曲线如图3所示，中国工况下设置坡度为0，低速爬坡工况、高速爬坡工况参数如表2所示。所有试验均在常温条件下进行，测试过程中监测电堆进出水、电堆进出气、水泵进出水、散热器进出水管壁、中冷器进出水管壁等部位温度的变化。

4 试验结果及讨论

中国工况下车辆不同位置处的温度变化情况如图4所示。通过试验结果可以看出，在低速阶段各处的温度较低，除了电堆出水温度和电堆出气温度外，其余位置温度均在45～55℃之间。燃料电池电堆的出水温度在整个测试过程中均高于其它部位，最高值在63℃左右，说明电堆的发热是车辆的主要能量源；电堆散热器在低速、中速、高速段温度没有明显升高，维持在45～55℃之间；电堆出气温度在低速段时较低，随着实验过程中平均车速的增加，电堆的出气温度增长幅度最大；其余位置温度随着车速的升高而逐渐升高，并且在加速阶段温度升高明显，在减速阶段温度略微下降，主要是因为车速越高，电堆和电机等部件的输出功率越高，同时产热量也越高。

低速爬坡工况下车辆不同位置处的温度变化情况如图5所示。从图中可以看出随着车辆的运行，各个部位的温度逐渐上升并最终达到稳定。相比于中国工况，不同位置处的温度差别较大，分布在50～72℃之间。电堆出水温度高于其它位置，最终稳定在72℃左右，受电堆出水温度的影响，电堆进水温度在试验过程中也有较大的增长；电堆出气温度在整个试验过程中升高明显，电堆散热器温度最低，维持在50～52℃之间。

高速爬坡工况下车辆不同位置处的温度变化情况如图6所示。与低速爬坡工况类似，车辆各个部位的温度均随着车辆的运行而逐渐上升并最终达到稳定，分布在50～72℃之间。电堆出水温度依然高于其它位置，与低速爬坡工况相比，不同位置处的温度差别较大。

从以上对比可以看出，中国工况下车速有明显变化，并且存在怠速阶段，因此车辆各个关键部位的发热量相应地也会有明显的波动，导致了热量在各个部位没有大量积累，虽然温度会随着车速的变化而有波动，但是整体的温度低于低速工况和爬坡工况；而高速工况和爬坡工况下车辆的车速保持恒定，各个部位以恒定的功率持续发热，会导致热量的逐渐积累，因此温度升高明显，并且各个部位的温度差别较大。而对比低速爬坡工况和高速爬坡工况，两种工况下不同部位的温度范围均在50～70℃，但是高速爬坡工况下的温度分布离散程度更大。

5 结论

本文以一款燃料电池乘用车为例，测试了中国工况、低速爬坡工况、高速爬坡工况下车辆关键部位温度变化，分析了驾驶工况對燃料电池乘用车关键部位温度的影响。结果表明在中国工况下，车速升高会导致不同部位的温度升高，并且车速的变化会导致不同部位温度差别不大；而低速爬坡工况和高速爬坡工况下不同部位的温度差别明显，并且高速时的温度分布离散程度更大；低速爬坡工况和高速爬坡工况由于车速恒定，会导致热量在车辆内部的不断积累，最终的温度高于中国工况。

基金项目：国家重点研发计划“基于中德合作的燃料电池汽车测试评价技术”（编号2022YFE0103100）。

参考文献：

[1]王远， 牟连嵩， 刘双喜. 国外典型燃料电池汽车水、热管理系统解析[J]. 内燃机与配件， 2019， （24）： 198-200.

[2]卢炽华， 王良旭， 刘志恩， 刘建国， 周建军. 燃料电池汽车整车热管理系统设计与仿真分析[J]. 重庆大学学报， 2022， 45（10）： 48-61.

[3]王戎， 王铁， 赵震， 李蒙， 王恒， 蔡龙. 基于热泵空调的燃料电池汽车整车热管理开发设计[J]. 重庆理工大学学报（自然科学）， 2021， 35（01）： 58-66.

[4]李菁. 全功率燃料电池汽车动力系统热管理设计与仿真优化[D]. 武汉理工大学， 2020.

[5]宁竞. 质子交换膜燃料电池汽车集成热管理系统研究[D]. 吉林大学， 2022.