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典型燃料電池車(chē)熱平衡測(cè)試研究
2021-03-14 18:20:26· 來(lái)源：焉知?jiǎng)恿︱?qū)動(dòng)系統(tǒng)
作者 |曲輔凡等/中國(guó)汽車(chē)技術(shù)研究中心有限公司來(lái)源 |電動(dòng)學(xué)堂與傳統(tǒng)燃油車(chē)相比,燃料電池車(chē)系統(tǒng)的運(yùn)行溫度較低,并且散熱器與環(huán)境溫差較小,燃料電池車(chē)系統(tǒng)通過(guò)排放
作者 | 曲輔凡等/中國(guó)汽車(chē)技術(shù)研究中心有限公司
來(lái)源 | 電動(dòng)學(xué)堂
與傳統(tǒng)燃油車(chē)相比,燃料電池車(chē)系統(tǒng)的運(yùn)行溫度較低,并且散熱器與環(huán)境溫差較小,燃料電池車(chē)系統(tǒng)通過(guò)排放釋放的熱量遠(yuǎn)低于燃油車(chē),系統(tǒng)超過(guò)90%的散熱量需要通過(guò)熱管理系統(tǒng),這導(dǎo)致了燃料電池車(chē)對(duì)于熱管理要求更高,也對(duì)熱平衡測(cè)試提出更高要求?
本文以燃料電池車(chē)NEXO為研究對(duì)象,在深入研究車(chē)型的熱管理系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,構(gòu)建熱平衡測(cè)試方案,制定試驗(yàn)大綱,提出一套熱平衡測(cè)試方法,對(duì)于指導(dǎo)燃料電池車(chē)熱平衡測(cè)試有重要意義?
1、研究對(duì)象參數(shù)
本文以現(xiàn)代燃料電池電動(dòng)汽車(chē)NEXO為研究對(duì)象,整車(chē)基本參數(shù)見(jiàn)表1?
2、熱管理系統(tǒng)原理
NEXO燃料電池系統(tǒng)與動(dòng)力系統(tǒng)工作溫度不同,兩個(gè)系統(tǒng)采用不同的熱管理回路?如圖1和圖2所示,動(dòng)力電池?zé)峁芾砘芈钒姍C(jī)?MCU(電機(jī)控制器)?FCU(電堆控制器)?BHDC(電池高壓DCDC)?空氣壓縮機(jī)?中冷器?水泵?散熱器等部件?電堆系統(tǒng)熱管理回路包含電堆?去離子器?COD加熱器(陰極氧消耗加熱器)?暖風(fēng)芯體?水泵?散熱器等部件?而車(chē)輛動(dòng)力電池采用的風(fēng)冷電池,沒(méi)有液冷回路?
以電堆熱管理回路為例,分析工作原理:
1)在低溫環(huán)境下,若乘員艙不起動(dòng)暖氣,冷卻液也無(wú)離子過(guò)高現(xiàn)象,則有三種工作模式:其一是外部輔助加熱,如圖中紅色虛線箭頭所示；其二是電堆自身熱平衡,如圖中綠色虛線箭頭所示；其三是電堆散熱過(guò)程,如圖中藍(lán)色虛線箭頭所示?若需要使用電堆余熱采暖或冷卻液離子過(guò)高,則上述三種工作模式均可增加如圖中橙色虛線箭頭所示回路?
2)在常溫?高溫環(huán)境下,不需要外部件加熱,COD加熱器回路不工作?若冷卻液無(wú)離子增高現(xiàn)象,有兩種工作模式:其一是電堆自身熱平衡,如圖中綠色虛線箭頭所示；其二是電堆散熱過(guò)程,如圖中藍(lán)色虛線箭頭所示?若需冷卻液離子過(guò)高,則上述兩種工作模式均可增加如圖中橙色虛線箭頭所示回路?
3、測(cè)試方案
3.1 信號(hào)篩選方案
熱平衡測(cè)試重點(diǎn)考察車(chē)輛在不同測(cè)試工況下實(shí)現(xiàn)熱平衡的控制策略,篩選關(guān)鍵測(cè)試信號(hào)如下:
1)溫度信號(hào)?包含電堆熱管理回路溫度信號(hào)?動(dòng)力系統(tǒng)熱管理回路溫度信號(hào)?乘員艙溫度信號(hào)等位置,如電堆進(jìn)出水口溫度?電機(jī)進(jìn)出水口溫度等信號(hào)?
2)流量信號(hào)?包含電堆熱管理回路各管路流量信號(hào)?動(dòng)力系統(tǒng)熱管理回路各管路流量信號(hào),如電堆出水口流量?動(dòng)力系統(tǒng)散熱器出水口流量等信號(hào)?
3)壓力信號(hào)?包含電堆熱管理回路各管路壓力信號(hào)?動(dòng)力系統(tǒng)熱管理回路各管路壓力信號(hào),如電堆進(jìn)出水口壓力?電機(jī)進(jìn)出水口壓力等信號(hào)?
4)電信號(hào)?包含各個(gè)供電部件?高壓用電部件電流電壓信號(hào),如電堆輸出電壓電流?動(dòng)力電池電壓電流等信號(hào)?
5)整車(chē)狀態(tài)信號(hào)?包含車(chē)輛行駛狀態(tài)?動(dòng)力系統(tǒng)工作狀態(tài)?供氫狀態(tài)等信號(hào),如車(chē)速?加速踏板開(kāi)度?電機(jī)轉(zhuǎn)矩?氫罐溫度壓力等信號(hào)?
3.2 信號(hào)采集方案
信號(hào)獲取方式,一般采用傳感器和CAN信號(hào)解析的方法?基于信號(hào)篩選方案,獲取溫度信號(hào)時(shí)盡量采用傳感器直接獲取的方式,某些空間狹小難以布置的傳感器,可選擇將溫度傳感器布置在金屬管壁表面,并做好保溫隔熱?流量信號(hào)獲取應(yīng)根據(jù)熱管理回路分析,同一支路布置一個(gè)流量傳感器即可,以此獲取某些控制閥的開(kāi)關(guān)門(mén)限值,并用于熱量計(jì)算?壓力信號(hào)獲取,應(yīng)該以熱管理回路分析為基礎(chǔ),在典型位置布置傳感器,以獲取關(guān)鍵部件的壓力信號(hào)?電信號(hào)獲取一般采用傳感器的方式獲取,某些不便于布置傳感器的部件,可以采用CAN信號(hào)?整車(chē)狀態(tài)信號(hào)可以同步采集底盤(pán)測(cè)功機(jī)轉(zhuǎn)速?轉(zhuǎn)矩信號(hào),同時(shí)可以通過(guò)CAN總線獲取加速踏板開(kāi)度?電機(jī)轉(zhuǎn)矩?SOC等信號(hào)?
3.3 測(cè)試工況
為保證測(cè)試的全面性,全面反映測(cè)試車(chē)輛的熱平衡性能和策略,采用多因素組合的方式,構(gòu)建測(cè)試矩陣,典型測(cè)試矩陣見(jiàn)表2?
4、數(shù)據(jù)分析
根據(jù)以上測(cè)試方案,采集NEXO的前機(jī)艙內(nèi)?乘員艙內(nèi)?底盤(pán)等位置的100余個(gè)測(cè)試信號(hào),并進(jìn)行高低溫環(huán)境測(cè)試,如圖3~圖5所示?
在CLTC-P工況下,經(jīng)過(guò)40℃環(huán)境倉(cāng)內(nèi)充分浸車(chē)后,測(cè)試重點(diǎn)分析燃料電池系統(tǒng)熱平衡策略?該工況下環(huán)境溫度較高,電堆溫度上升迅速,電堆冷卻回路基本是圖1電堆系統(tǒng)熱管理回路中藍(lán)色虛線箭頭回路(圖6)?
質(zhì)子交換膜燃料單體電池在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的理論電動(dòng)勢(shì)為1229V,氫氣反應(yīng)釋放的能量約為輸出電能和發(fā)熱量之和,電堆理論發(fā)熱功率可以采用式(1)計(jì)算,電堆放電功率和理論發(fā)熱功率如圖7所示?
Ph=(1229n-U)I (1)
式中,Ph為理論發(fā)熱功率；n為單體數(shù)量；U電堆輸出電壓；I為電堆輸出電流?
在整個(gè)CLTC循環(huán)工況中,電堆共輸出470kWh,累計(jì)理論發(fā)熱量249kWh?在880s時(shí),電堆在CLTC￣P工況下的輸出功率達(dá)到瞬時(shí)最大值75kW,此時(shí)理論發(fā)熱功率達(dá)到55kW,由于電堆在此功率下的運(yùn)行時(shí)間低于03s,在此瞬間,電堆出水口溫度不變?
在CLTC工況下,電堆出水口初始溫度為54℃,終止溫度為62℃,平均溫度618℃；入水口初始溫度為52℃,終止溫度為62℃,平均溫度600℃?電堆出水口溫度與電堆理論發(fā)熱功率跟隨特性明顯,在1722s?電堆輸出功率41kW?電堆理論發(fā)熱功率27kW時(shí),電堆出水口溫度達(dá)到最高值71℃?由于溫度上升是一個(gè)較為緩慢增長(zhǎng)的過(guò)程,在電堆出水口溫度達(dá)到71℃之前的40s內(nèi)(1682~1722s),電堆共輸出電量041kWh,理論放熱量達(dá)到027kWh,電堆出水口溫度由63℃增長(zhǎng)到71℃(圖8)?
電堆冷卻水泵平均轉(zhuǎn)速為1621r/min,最高轉(zhuǎn)速可達(dá)2800r/min,水泵轉(zhuǎn)速與電堆出水口溫度和電堆功率有明顯關(guān)聯(lián)?在電堆較低輸出功率大約8~12kW?電堆出水口溫度約為60~65℃時(shí),冷卻水泵轉(zhuǎn)速約為1400~1800r/min?在此溫度區(qū)間,溫度越高,轉(zhuǎn)速越大；當(dāng)電堆出水口溫度超過(guò)65℃時(shí),電堆理論放熱功率超過(guò)22kW,電堆水泵轉(zhuǎn)速迅速增長(zhǎng)到2800r/min(圖9和圖10)?
在電堆散熱器上均布9個(gè)傳感器,如圖11所示,其中1?4?9溫度點(diǎn)靠近散熱器入水口,2?5?8溫度點(diǎn)處于電熱器中間,3?6?9溫度點(diǎn)靠近出水口?
在CLTC-P工況,圖中4溫度點(diǎn)平均溫度最高,溫度基本接近出水口溫度,8溫度點(diǎn)平均溫度最低,溫度傳感器平均溫度和電堆出水口溫度為71℃時(shí),散熱器溫度點(diǎn)見(jiàn)表3,由此擬合所測(cè)區(qū)域等溫度線如圖12所示,圖中紅色數(shù)字為所測(cè)溫度點(diǎn),所測(cè)區(qū)域中,左上部溫度高,右下方溫度低,由此可見(jiàn)電堆散熱器的散熱溫度變化過(guò)程?
自定義加速工況,從0加速到100km/h在減速到0,連續(xù)重復(fù)10次,如圖13所示?電堆輸出功率隨工況變化,如圖14所示?
對(duì)比兩個(gè)工況,燃料電池車(chē)熱平衡主要參數(shù)見(jiàn)表4?
在兩種工況下,NEXO電堆輸出平均功率不同,自定義加速工況下的電堆平均輸出功率是CLTC-P的18倍,電堆出水口平均溫度差別4℃,電堆出水口終止溫度和最高溫度僅僅相差2℃,電堆水泵平均轉(zhuǎn)速相差450r/min,自定義加速工況的水泵最高轉(zhuǎn)速可達(dá)3700r/min?
對(duì)比圖14與圖7,在自定義加速工況下,電堆平均輸出功率和理論發(fā)熱功率相對(duì)較大,為滿足電堆的散熱需求,電堆水泵轉(zhuǎn)速與電堆出水口溫度之間具有明顯的跟隨關(guān)系,電堆出水口溫度達(dá)到68℃以上,電堆水泵轉(zhuǎn)速超過(guò)2800r/min,風(fēng)扇轉(zhuǎn)速達(dá)到2000r/min,如圖15~圖17所示?在電堆水泵?冷卻風(fēng)扇的共同作用下,上述兩工況的散熱器各溫度測(cè)量點(diǎn)的平均溫度變化趨勢(shì)基本一致,如圖12和圖18所示?由此可見(jiàn)NEXO熱管理系統(tǒng)通過(guò)良好的匹配標(biāo)定,精準(zhǔn)控制電堆水泵?冷卻風(fēng)扇等相關(guān)部件,具備良好的工況適用性,使燃料電池車(chē)系統(tǒng)溫度平衡在合理范圍之內(nèi)?
5、結(jié)論
本文提出的燃料電池車(chē)熱平衡測(cè)試方法,基于車(chē)輛參數(shù)分析和熱管理回路工作方式理論分析,篩選關(guān)鍵測(cè)試信號(hào)并確認(rèn)信號(hào)獲取方式,并基于影響因素制定多維度試驗(yàn)矩陣等,經(jīng)實(shí)車(chē)測(cè)試，該方法能夠良好地測(cè)試分析車(chē)輛熱平衡性能?該燃料電池車(chē)熱平衡性能設(shè)計(jì)良好,在各種不同功率需求時(shí),能夠通過(guò)控制熱管理相關(guān)部件快速散熱,使得電堆熱平衡溫度維持在一個(gè)合理的溫度區(qū)間,有助于發(fā)揮燃料電池系統(tǒng)的最優(yōu)性能?本文提出的測(cè)試方法為燃料電池車(chē)熱平衡研發(fā)驗(yàn)證提供了良好的借鑒,有利于縮短車(chē)輛研發(fā)周期?
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