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燃料電池公交車暖風(fēng)系統(tǒng)對續(xù)駛里程的影響
2020-08-31 23:27:21· 來源：《燃料電池公交車暖風(fēng)系統(tǒng)對續(xù)駛里程的影響》
0 引言相對于柴油機(jī)客車，燃料電池的能量轉(zhuǎn)換效率更高，但意味著廢熱相對低，供暖可利用的余熱較少，需要燃料電池的一部分電能用于供暖，因此在寒冷地區(qū)燃料電池
0 引言
相對于柴油機(jī)客車，燃料電池的能量轉(zhuǎn)換效率更高，但意味著廢熱相對低，供暖可利用的余熱較少，需要燃料電池的一部分電能用于供暖，因此在寒冷地區(qū)燃料電池汽車的續(xù)航里程將大大降低。本文中對燃料電池公交車的暖風(fēng)系統(tǒng)對續(xù)航里程的影響進(jìn)行研究，為燃料電池公交車開發(fā)提出改善建議。
1 客車采暖需求
暖風(fēng)散熱器總功率為除霜機(jī)和所有的散熱器及供暖空調(diào)散熱功率的總和。目前國內(nèi)及部分國外的暖風(fēng)性能要求為在某穩(wěn)定環(huán)境溫度下，暖風(fēng)開啟一定時間后，車上幾個測試點溫度應(yīng)達(dá)到規(guī)定值。
大型高三級客車的人均供熱功率為2000kJ/h，即0.56kW，我國東北地區(qū)運營的公交車采暖需求應(yīng)適當(dāng)加強(qiáng)，而公交車經(jīng)常開門，所以按照載客數(shù)的1.2倍計算采暖需求。12m公交車運營時，平均載客量約為50人，因此12m公交車采暖功率約為33.6kW。
目前在用的傳統(tǒng)車型中，比較典型的采暖方案為采用7個壁掛式散熱器，每個功率為3.6kW，除霜機(jī)功率為7.5kW，司機(jī)座椅下暖風(fēng)機(jī)功率為2.2kW，合計為34.9kW。
按照文獻(xiàn)的要求，結(jié)合東北地區(qū)寒冷工況，本文中以35kW作為12m公交車的暖風(fēng)散熱需求功率，評估燃料電池系統(tǒng)氫氣消耗情況。當(dāng)整車可利用的廢熱功率不滿足整車采暖需求時，需要考慮增加正溫度系數(shù)(positive temperature coefficient，PTC)熱敏材料電暖設(shè)備作為補充，整車使用PTC采暖的方式一般有2種:1)通過PTC加熱循環(huán)水，補充整車采暖熱量;2)直接在車內(nèi)布置PTC散熱器，將電熱直接作用至乘客艙。PTC加熱循環(huán)水方案存在管路散熱、熱交換效率等問題，熱量在傳輸過程存在損失，因此在東北寒冷地區(qū)推薦使用熱效率更高的第二種方案，即PTC散熱器直接使用電熱。
目前燃料電池客車的暖風(fēng)系統(tǒng)仍然借鑒傳統(tǒng)柴油車的采暖方案，即使用燃料電池的冷卻液進(jìn)行乘客艙加熱，熱量不足的部分，使用燃料電池發(fā)出的電能通過PTC電加熱補充。由于燃料電池的廢熱較少，需要補充較多的PTC電加熱系統(tǒng)，完成車內(nèi)取暖。燃料電池客車暖風(fēng)方案如圖1所示。
2 氫耗分析
燃料電池公交車的氫耗主要由驅(qū)動整車所需的能量、燃料電池廢熱、用于PTC發(fā)熱補充暖風(fēng)所消耗的氫能等3部分組成。
2.1 無暖風(fēng)時燃料電池公交車?yán)m(xù)駛里程計算
公交車不同驅(qū)動方案能耗仿真結(jié)果如表1所示。按照表1中國典型城市公交循環(huán)工況計算，綜合考慮驅(qū)動系統(tǒng)不同形式，以取平均值的方式獲取驅(qū)動12m公交車單位里程消耗的能量Ed=2.97MJ/km(包含制動能量回收，系統(tǒng)采用電平衡方案計算)，循環(huán)里程S0=5.92km，輔機(jī)系統(tǒng)需求功率Pa=2kW，循環(huán)時間t0=1314s。
考慮輔機(jī)，一個循環(huán)消耗的能量
可得，E0=20.2MJ。
12m燃料電池公交車一般采用35MPa車載儲氫系統(tǒng)，8個儲氫裝置，每個裝置儲氫體積約為140L，在15℃時，氫氣密度為24g/L，儲氫量為26.88kg，可用氫量m0約為25kg，氫氣的熱值w約為1.4×10J/kg，目前商品化的燃料電池的效率η約為50%。
不考慮采暖，12m燃料電池公交車的續(xù)駛里程
可得S=513km。
2.2 開暖風(fēng)時燃料電池公交車?yán)m(xù)駛里程計算
由于高壓氣態(tài)儲氫系統(tǒng)特性，在－30℃時，氫氣密度為27.6g/L，使用8×140L的儲氫系統(tǒng)，可以存儲氫氣約30.9kg，可用氫量m0為28.7kg。燃料電池汽車采用燃料電池冷卻水加PTC電熱方式供暖。
驅(qū)動整車完成中國典型城市公交循環(huán)工況循環(huán)需求功率
可得P0=15.37kW。
按照燃料電池效率為50%計算，燃料電池散熱功率P1=15.37kW。采用水暖部分，考慮到尾排、管路損失等因素，用于乘客艙加熱的熱量按照水暖熱量的80%估算，不足的部分利用燃料電池發(fā)電驅(qū)動PTC加熱完成，PTC散熱效率按照理論值即100%計算。
燃料電池公交車的采暖需求功率
式中:PH=35kW;Pp為PTC散熱功率，kW。
由(1)可得，Pp=25.22kW。
整車需求功率
可得P=55.96kW。
開暖風(fēng)時12m燃料電池公交車的續(xù)駛里程
可得S=323km。
由上述計算可知，在寒冷工況下開啟暖風(fēng)系統(tǒng)時，燃料電池汽車的續(xù)航里程約為323km，相對于不開暖風(fēng)工況的513km的續(xù)航里程，減少了190km，降幅約為37%。
3 結(jié)語
本文中所有計算均基于中國典型城市公交循環(huán)工況計算，與實際工況有差別，僅從計算角度，評估暖風(fēng)對續(xù)駛里程的影響。結(jié)合計算過程及燃料電池公交車目前現(xiàn)狀，得出如下結(jié)論及建議。
燃料電池汽車?yán)m(xù)駛里程在寒冷地區(qū)會出現(xiàn)大幅縮減，不考慮燃料電池部件本身特性影響，從能量角度計算，續(xù)駛里程下降約37%。
低溫可以增加車載儲氫系統(tǒng)的儲氫量，但不足以消除暖風(fēng)對續(xù)駛里程的影響。
考慮到管路散熱、熱交換效率等問題，燃料電池公交車的暖風(fēng)系統(tǒng)不推薦使用通過PTC加熱循環(huán)水的方式供暖，適合直接使用電熱供暖，提升燃料電池使用效率。
未來燃料電池公交車暖風(fēng)設(shè)計可以考慮增加類似燃油加熱器的方式，使用甲醇等便于加注、成本較低、排放較好的清潔燃料，減小燃料電池發(fā)動機(jī)的能耗，提高燃料電池公交車在寒冷地區(qū)的續(xù)航里程。
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