燃料电池汽车热管理系统及策略分析

王国卓 吴守冰 吴诗雨 王志军 郭婷

摘 要：燃料电池汽车的高效、稳定运行需要合适的工作温度，因此热管理系统对于燃料电池汽车具有至关重要的作用。本文分析了燃料电池汽车热量产生的原理、热管理系统的组成以及燃料电池电堆的降温方法，介绍了不同热管理策略的优缺点。对于不同类型的燃料电池汽车，应该根据其常见的行驶工况来选择合适的热管理系统和策略。

关键词：燃料电池汽车 热管理系统 热管理策略

1 引言

近年来燃料电池汽车由于其绿色环保、无“续驶里程焦虑”等方面的优点得到了越来越多的关注与应用，国家部委以及地方政府出台了一系列政策来支持燃料电池汽车的示范运行。作為燃料电池汽车的能量源，燃料电池电堆直接决定了车辆的整体性能。由于燃料电池电堆的正常工作范围在60～80℃之间，温度过高或过低都会影响电堆的输出性能，因此开发高效、稳定的燃料电池汽车热管理系统，是燃料电池汽车开发过程中的重要一环，对于提高燃料电池汽车动力性、经济性和环境适应性有着极为重要的作用。

2 燃料电池汽车热管理系统

2.1 燃料电池汽车组成

燃料电池汽车是以燃料电池电堆为主要能量源的汽车，除了纯燃料电池驱动的燃料电池汽车，也有燃料电池与辅助动力电池或超级电容联合驱动的燃料电池汽车，目前应用较为广泛的是以燃料电池作为主电源，搭配辅助动力电池联合驱动的方式。燃料电池汽车的主要组成包括燃料电池电堆、车载氢系统（包括高压氢瓶、氢气管路、氢气训话泵和相关的阀门、接头等部件）、辅助电源、DC/DC变换器、驱动电机、整车控制器等，其中燃料电池电堆是由多个单体燃料电池串联而成，每个单体燃料电池包括质子交换膜、催化层、气体扩散层、双极板等。燃料电池电堆产生的电能通过DC/DC升压后带动驱动电机转动，同时为辅助电源（动力电池）充电；当辅助电源的SOC较高时，燃料电池电堆停止工作，由辅助电源为驱动电机供电。

2.2 燃料电池电堆热量来源

作为燃料电池的核心组成部分，研究表明质子交换膜在60～80℃之间的反应活性最大，因此燃料电池电堆需要在合适的温度下工作，温度过高会使电池内部的液态水蒸发，导致质子交换膜脱水而降低活性，甚至影响电堆的寿命；温度过低可能会造成电堆内部的液态水结冰，堵塞电堆内的气体反应流道，从而使电堆不能正常工作[1]。因此燃料电池汽车需要一套热管理系统，来使电堆的温度稳定在合适的范围内。

燃料电池的工作原理是利用氢气和氧气进行电化学反应而产生电能，在此过程中由于反应的熵变、电化学反应的不可逆热、欧姆电阻以及水蒸气冷凝释放的潜热等因素都会导致燃料电池温度的升高。一般来说，燃料电池电堆工作产生的热量为：

（1）

式中，Qgen为电堆反应产生的热量；Ucell为电堆的电压；I为电堆的电流；ncell为电堆内单体电池的数量。

由于电堆热量的80%都来自于熵变和反应热，因此对于这部分热量的管理能够有效地控制电堆内部的温度，保证电堆的正常工作。

2.3 燃料电池汽车热管理系统组成

燃料电池汽车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，根据车辆零部件的工作温度，又可以将冷却系统分为高温冷却系统和低温冷却系统。高温冷却系统主要作用于电堆和中间冷却器，又被称为电堆冷却系统；低温冷却系统主要用于电动机、空气压缩机、动力控制单元等部件的冷却。冷却系统的主要组成部分有各个热源的内部散热器、冷却液循环泵、外部散热器等，通过泵带动冷却液在冷却系统的管路内循环流动，将各个热源的热量带出[2-3]。

由于不同零部件的工作条件和产热能力不同，根据不同零部件的散热需求，可以将散热器划分为以下几类：

（1）PCE散热器。PCE散热器主要是通过风冷的方式为电池的冷却水散热，由于其对流换热系数通常小于水冷的方式，并且换热量受环境温度的影响比较大，因此当电池的发热量增大或者环境温度升高时，可能会不能够满足散热需求，需要设计换热效率更高的散热器以满足不同行驶工况时的散热需求[4]。

（2）PCU散热器。车辆的PCU集成了各个高压模块的控制系统，组成部件复杂，因此其散热需求较大，在设计PCU散热器的形式时，要考虑布置方式、位置等多种因素的影响。

（3）高压风扇。燃料电池汽车的高压风扇一般采用车载燃料电池堆直接供电，这样可以平衡车辆的能量流，另外由于高压风扇的风量一般较大，可以为大部分的散热器提供新风，因此在燃料电池汽车的冷却系统中得到广泛的应用。

2.4 燃料电池汽车热管理系统面临的问题

燃料电池汽车由于所包含的关键零部件较多，因此结构较为复杂，这给燃料电池汽车的热管理系统带来了一些问题，有以下几个方面：

（1）燃料电池电堆的热负荷较大，不同工况下的热负荷变化较大。燃料电池汽车绝大部分热量来自于燃料电池电堆，然而跟传统内燃机不同的是，燃料电池电堆是通过冷却液散热，再通过外部散热器将冷却液的热量散出，电堆并不会跟环境空气进行换热，因此燃料电池电堆的散热负荷大约是内燃机的2.5～3倍。另外由公式（1）可以看出燃料电池电堆的发热量会随着输出电压和电流的变化而变化，当车辆在实际道路上行驶时，电压和电流必然会随着车速、电机扭矩的不同而发生变化，并且发热量的随着工况的变化规律目前还没有明确的研究结论，这也为燃料电池汽车的热管理带来了困难。

（2）燃料电池电堆的温度控制要求较高。燃料电池电堆的稳定工作温度为60～80℃，并且需要电堆内部温度场分布均匀，因此对热管理系统的温度控制能力提出了较高的要求。然而电堆与外界的温差小，会导致电堆与外界的换热能力受到限制。

（3）机舱空间小，换热空间受限。相比于普通燃油车，燃料电池汽车所需零部件较多且大部分都位于发动机舱内，多个工作模块均会作为发热单元，增大了散热器的热负荷，且不同的模块对工作温度的需求以及散热方式也可能不同，这样极大的增加了热管理的难度。

3 燃料电池汽车热管理策略

3.1 燃料电池电堆冷却

基于燃料电池电堆工作的特点，对电堆有以下几种冷却方式：

（1）空气冷却。电堆反应产生的热量通过电堆表面的散热器或者阴极流通的空气被带出，是最简单的一种冷却方法[5]，但是由于空气的换热能力有限，此种方式通常仅适用于低于5 kW的电堆。为了提高换热效率，通常会针对电堆的流场板或者冷却端板形式进行设计，比如使用金属泡沫多孔流场等。

（2）液体制冷剂冷却。顾名思义，液体制冷剂冷却就是利用液态的制冷剂对燃料电池电堆进行冷却。常用的液体冷却系统采用乙二醇或水做冷却液，为了提高换热能力，目前一些研究人员也使用纳米流体作为冷却液。与空气冷却方式相比，液体制冷剂冷却具有流体流速低、换热系数高等优点，适用于大功率的燃料电池电堆。

（3）相变冷却。相变冷卻类似于液体制冷剂冷却，不过是利用制冷剂在汽化过程中吸收的潜热来实现降温，这种换热方式能够在制冷剂升高相同温度的情况下带走更多的热量，汽车中常见的相变冷却方式有热管冷却和蒸发冷却。热管冷却通常是在电堆的双极板中埋入热管，将电堆的热量向散热器传递，这种方式不需要外部输入动力即可自发完成；蒸发冷却是利用电堆双极板的冷却液流道中冷却液的蒸发来带走电堆工作产生的热量。

3.2 热管理控制策略

与普通燃油车类似，燃料电池也分为乘用车和商用车。由于燃料电池乘用车机舱空间小，因此各个零部件布置比较紧凑，因此结构复杂，给热管理带来了困难；而商用车通常负载较大，燃料电池电堆通常需要在较高的功率下工作，热负荷也较大。因此需要根据不同的车型常用的行驶工况选择合适的热管理策略，燃料电池汽车常用的热管理策略有以下几种[6-9]：

（1）比例-积分-微分控制。比例-积分-微分控制又叫PID控制，由比例单元（P）、积分单元（I）和微分单元（D）组成，是在工业生产中一种常用的控制方法。PID控制方法是首先设置目标温度，控制器对产热元件进行温度调节，然后通过产热元件反馈的温度对控制器进行调节，使产热元件的温度稳定在目标温度的范围。相比于其它的控制策略，PID控制的思路和结构比较简单，应用范围广，但是缺点是响应速度慢，导致温度调节耗时较长。

（2）模型预测控制。燃料电池电堆内部是一个综合了流场、温度场、电场的多场协同作用的体系，使用传统的PID控制方法很难在较短的时间内使其温度稳定。模型预测控制在热负荷存在波动的情况下，也能够快速地使电堆温度达到稳定，具有较强的鲁棒性，并且能够抑制电堆内部电场的扰动对控制器精度影响，适用于车辆频繁变化的工况。这种控制方法的缺点是在实际应用中，通常需要花费较多的成本在计算最优化预测控制算法上。

（3）自适应控制。自适应控制是一种能够通过不断调整自身控制方案来适应控制对象的温度波动的方法，通过自适应滤波方法辨识出被控对象的逆模型，串联到对象的输入端作为控制器，来控制对象动态特性的自适应控制方法。这种控制方法的优点是可以动态地控制发热元件的温度，可以在较短的时间内将温度控制在目标范围，也适用于频繁变化的工况，具有良好的动态性能，并且能够降低工况频繁变化带来的扰动。

（4）模糊控制。模糊控制是一种智能控制策略，通常不需要输入准确的数学模型，而是利用人的认知对发热元件的温度进行控制。由于燃料电池电堆内部是一个多场同时作用的系统，因此模糊控制策略能够更快地响应工况变化，且抗干扰能力强，但是这种方法容易产生静态误差，需要在控制策略中并入积分环节以消除误差的影响。

（5）协同控制。协同控制是指利用多种热管理控制策略共同作用来对车辆的关键零部件实施温度控制。协同控制可以使多种控制策略实现优势互补，充分发挥各种控制策略的优点，更加准确地控制燃料电池汽车的温度。协同控制的缺点是所需要的控制系统比较复杂，并且多种控制策略之间可能会互相矛盾，使车辆控制器的计算模型出现故障。

（6）其它控制。除了上述几种控制策略以外，研究人员也在积极地开发其它的热管理控制方法，以实现对车辆关键零部件温度的快速、精确的控制。

3.3 热管理测试方法

目前国家标准层面没有专门针对燃料电池汽车热管理能力的测试方法，只有在国家标准GB/T 12542-2020《汽车热平衡能力道路试验方法》中提出了对汽车热平衡的相关测试方法，汽车生产企业和检测机构可以参照该标准用于燃料电池汽车热管理能力的测试。

该标准规定了M、N类汽车在道路上行驶时，在发动机最大扭矩、发动机额定功率、高速行驶、熄火浸置、模拟山路、发动机怠速等工况下的热平衡测试方法：a）当连续4 min各测点温度的变化不超过±2 ℃且无明显上升趋势，即认为汽车达到热平衡；b）当车辆内部重要位置测点中的至少一个满足a）中的条件，其余测点无明显上升趋势，即认为汽车达到热平衡；c）由于汽车的控制策略导致测点温度呈周期性波动，其余测点满足（a）或（b）中的条件，即认为汽车达到热平衡。

对于燃料电池汽车，燃料电池电堆、辅助电源、DC/DC、电堆进出气、冷却水进出口等部位是热管理测试重点关注的对象，这些关键部位在不同工况下达到热平衡时的温度对于燃料电池汽车关键零部件的选型和热管理策略的制定具有重大的参考价值。

4 结束语

本文介绍了燃料电池汽车热量产生的原理、热管理系统的组成和电堆冷却的方式，并分析了不同热管理策略的优缺点。对于不同车型的燃料电池汽车，应该根据其经历最频繁的行驶工况来选择合适的热管理策略，从而达到快速、高效控温的目的。

基金项目：河南省重大科技专项“燃料电池汽车耐久性测试评价技术研究”（221100240200-12）。

参考文献：

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[2]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.

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[4]Wu， G.， Zhang， H.， Xu， Y. et al.： Air-side fin geometry of a tube-strip heat exchanger for fuel cell vehicles. Automot. Innov. 4（2）， 176–188 （2021）.

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[6]宁义龙. 质子交换膜燃料电池热管理控制策略研究[D]. 长安大学， 2021.

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[8]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（自然科学版）， 2021， 35（01）：58-66.

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