文章來源：1.北京公共交通控股(集團(tuán))有限公司2.北京理工大學(xué)3.北京福田歐輝新能源汽車有限公司

受燃料電池當(dāng)前技術(shù)水平的限制,燃料電池汽車仍存在動(dòng)態(tài)響應(yīng)慢、無法回收制動(dòng)能量等問題,因而目前的燃料電池汽車存在多個(gè)能量源。根據(jù)車輛的功率需求對(duì)能量源進(jìn)行合理分配是提升整車效率、降低燃料電池成本的關(guān)鍵。當(dāng)前,燃料電池的化學(xué)能轉(zhuǎn)化效率可達(dá)到60％左右,仍然有40％左右的能量都轉(zhuǎn)化為廢熱白白浪費(fèi)掉。因此,針對(duì)2022年冬奧會(huì)期間燃料電池汽車低溫運(yùn)行環(huán)境,本文提出一種實(shí)現(xiàn)燃料電池余熱利用的能量管理策略,并通過三種工況仿真分析,研究其對(duì)燃料電池汽車經(jīng)濟(jì)性的貢獻(xiàn),以驗(yàn)證系統(tǒng)和控制策略的可行性。
1整車綜合智能熱管理控制方案
整車綜合智能熱管理系統(tǒng)初步設(shè)計(jì)方案保留了燃料電池(150kW)和動(dòng)力電池(62.26kW·h)原有的熱管理系統(tǒng)(包括散熱和加熱),整車加熱系統(tǒng)采用水暖方式。利用液-液換熱器對(duì)燃料電池冷卻水和加熱系統(tǒng)、動(dòng)力電池保溫系統(tǒng)的介質(zhì)進(jìn)行熱交換,以實(shí)現(xiàn)低溫條件下的余熱利用,降低供暖能耗。
為進(jìn)一步體現(xiàn)氫燃料電池客車的極寒低溫適應(yīng)性，本文開發(fā)全氣候動(dòng)力電池作為氫燃料電池客車的輔助能源，與具有-30°C氫燃料電池系統(tǒng)進(jìn)行匹配，實(shí)現(xiàn)整車具備-30°C極寒低溫冷啟動(dòng)性能。針對(duì)極寒環(huán)境下不消耗額外的電能改善乘客艙供暖問題，對(duì)整車熱管理系統(tǒng)進(jìn)行進(jìn)一步設(shè)計(jì)優(yōu)化，創(chuàng)新開發(fā)的自適應(yīng)綜合智能熱管理系統(tǒng)如圖1所示，實(shí)現(xiàn)了燃料電池系統(tǒng)余熱取暖、余熱利用；開發(fā)了余熱交換器，使用燃料電池余熱量為乘客艙供暖，換熱量;:,20kW@15K溫差；同時(shí)在乘客艙內(nèi)前、中、后三個(gè)區(qū)域設(shè)置溫度采樣點(diǎn)，實(shí)時(shí)反饋乘客艙當(dāng)前溫度分布情況，能夠?qū)崟r(shí)控制乘客艙內(nèi)散熱器的風(fēng)扇轉(zhuǎn)速及散熱器功率輸出，實(shí)現(xiàn)乘客艙內(nèi)采暖智能控制及溫度均衡。

2整車綜合智能熱管理系統(tǒng)仿真
在AMESim中搭建整車綜合智能熱管理系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)模型，該模型集成了水泵、管道、加熱器、散熱器、換熱器等子模塊模型，可以模擬冷卻液流動(dòng)、傳熱等動(dòng)態(tài)過程。在MATLAB/Simu1ink中搭建整車動(dòng)力系統(tǒng)模型，利用其接口搭建控制器模塊并編寫控制算法，方便后續(xù)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制算法設(shè)計(jì)調(diào)試。利用所搭建的上述兩個(gè)模型，選擇三種工況在MATLAB軟件中進(jìn)行聯(lián)合仿真分析。
2.1停車啟動(dòng)工況仿真分析1)首先研究在停車狀態(tài)下進(jìn)行啟動(dòng)暖機(jī)過程。此時(shí)由燃料電池和動(dòng)力電池共同輸出功率，耗能部件為燃料電池小循環(huán)加熱器和整車熱管理系統(tǒng)的加熱器，分別按最大功率10kW和30kW工作。四者功率變化如圖2所示。在此過程中，燃料電池冷卻水出口溫度大約經(jīng)過300s后穩(wěn)定在80°C，而乘客艙溫度經(jīng)過800s后達(dá)到25°C并維持該溫度。

2)啟動(dòng)時(shí)燃料電池和動(dòng)力電池同時(shí)輸出，在燃料電池到達(dá)工作溫度并進(jìn)行供暖后，由于燃料電池功率不能快速下降，因此此時(shí)還需要對(duì)動(dòng)力電池進(jìn)行充電。之后功率輸出逐漸達(dá)到平衡，動(dòng)力電池的輸出功率降為零。該啟動(dòng)過程為確保乘客艙溫度迅速上升，一開始整車電加熱器采用最大功率輸出。該過程乘客艙加熱和維持溫度所需要的能量80％來自加熱器，20％來自燃料電池余熱交換器。系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定后，乘客艙供暖需求功率為26.37kW，其中燃料電池提供的電能為18.51kW，燃料電池余熱交換器提供的熱能為7.86kW。
2.2啟動(dòng)行駛工況仿真分析該部分研究的是燃料電池客車在運(yùn)行C-WTVC工況時(shí)，燃料電池系統(tǒng)及整車從-20°C初始狀態(tài)啟動(dòng)運(yùn)行的過程。為了以最快速度使燃料電池和乘客艙溫度達(dá)到目標(biāo)值，整車熱管理系統(tǒng)的電加熱器一開始就采用最大加熱功率工作。
在該動(dòng)態(tài)工況中，燃料電池功率隨工況緩慢變化，而功率需求變化基本由動(dòng)力電池承擔(dān)。由于整個(gè)循環(huán)的行駛需求平均功率大約為30kW，因此該過程燃料電池提供的余熱低于系統(tǒng)的最大需求供暖量，所以該過程電加熱器需要持續(xù)工作以維持所需溫度，四者的能量變化曲線如圖3所示。

 
該過程中，燃料電池冷卻水出口溫度大約經(jīng)過280s后穩(wěn)定在80°C，乘客艙溫度則經(jīng)過400s后達(dá)到25°C并維持該溫度，波動(dòng)值不超過2°C。經(jīng)分析，該過程中用于整車熱管理中乘客艙溫度上升及維持溫度所需要能量的45％來自電加熱器，55％來自燃料電池的余熱，即余熱利用使得熱管理系統(tǒng)所需的能量降低了55％，節(jié)能效果明顯。在C-WTVC工況末段，由于車速較高，需求的功率也較大，因此燃料電池輸出功率顯著增大，但此時(shí)乘客艙溫度稍微上升。
2.3穩(wěn)態(tài)供暖工況仿真分析該部分是對(duì)車輛在C-WTVC行駛工況過程中的整車動(dòng)力系統(tǒng)及熱管理系統(tǒng)的仿真，此時(shí)燃料電池和車輛溫度都已經(jīng)達(dá)到了正常工作狀態(tài)。
該過程中各個(gè)部件的功率和累計(jì)能量情況與停車啟動(dòng)的工況相似，但該過程由于車輛溫度和燃料電池溫度均已達(dá)到了穩(wěn)定值，所以加熱器僅需提供一個(gè)小功率以協(xié)助維持乘客艙溫度，此過程中四者的能量變化曲線如圖4所示。

 
該過程中，燃料電池冷卻液出口溫度維持在80°C左右，乘客艙的溫度在25°C左右，略有波動(dòng)，最大波動(dòng)值不超過2°C。在穩(wěn)定運(yùn)行一個(gè)循環(huán)工況中，維持乘客艙溫度需要的熱能為12.8kW·h，運(yùn)行時(shí)間為1800s，平均功率為25.6kW。所需熱能的22％(2.83kW·h)來自整車熱管理系統(tǒng)中的電加熱，其余的78％(9.97kW·h)來自燃料電池余熱。該過程中，動(dòng)力系統(tǒng)輸出總能量為25.15kW·h(其中燃料電池24.46kW·h，動(dòng)力電池0.69kW·h)，相比采用純電加熱系統(tǒng)時(shí)的動(dòng)力系統(tǒng)輸出總能量35.12kW·h(全部為動(dòng)力電池輸出)，總能耗降低了28.4％。
3整車綜合智能熱管理試驗(yàn)驗(yàn)證
為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的整車綜合智能熱管理系統(tǒng)的有效性，采用某12m燃料電池公路客車在中汽中心呼倫貝爾冬季汽車試驗(yàn)場(chǎng)進(jìn)行極寒環(huán)境的實(shí)車測(cè)試驗(yàn)證，該車的綜合智能熱管理示意圖如圖5所示。

在環(huán)境溫度-30°C下，要求乘客艙溫度10min內(nèi)加熱至高于環(huán)境溫度10K以上，此時(shí)電加熱器所需總功率為26kW。在燃料電池不同穩(wěn)態(tài)工作狀態(tài)下，測(cè)得燃料電池余熱供暖占采暖總功率的比例見表1。從表中可以看出，隨著燃料電池功率的升高，余熱供暖功率占采暖功率的比例升高。當(dāng)燃料電池功率大于其最大功率(150kW)的60％(90kW)穩(wěn)態(tài)工作時(shí)，燃料電池余熱供暖可以滿足乘客艙上述采暖(需求功率為26kW)需求，無需電加熱器進(jìn)行額外加熱，即余熱供暖占比為100％。此時(shí)，通過試驗(yàn)測(cè)得100km整車氫耗從7.6kg降低到5.9kg，降低了22.4％，節(jié)能效果得到明顯提升。

4結(jié)束語
本文基于-30°C極寒環(huán)境，提出燃料電池客車綜合智能熱管理控制策略，滿足整車快速起動(dòng)的需求，并通過仿真分析和實(shí)車測(cè)試，驗(yàn)證了該綜合智能熱管理系統(tǒng)的節(jié)能效果。隨著燃料電池關(guān)鍵材料和零部件性能的提升，先進(jìn)控制方法的實(shí)現(xiàn)和普及，燃料電池車輛的極寒環(huán)境適應(yīng)性將會(huì)逐步提升，從而有助于燃料電池車輛的推廣。