燃料電池商用車(chē)低溫啟動(dòng)過(guò)程中的能量流分析

王國(guó)卓 王志軍 郭婷 聶振宇 吳詩(shī)雨

（1.中國(guó)汽車(chē)技術(shù)研究中心有限公司，天津300300；2.中汽研汽車(chē)檢驗(yàn)中心（天津）有限公司，天津300300）

主題詞：燃料電池汽車(chē) 低溫啟動(dòng) 能量流

BAT Battery

FC Fuel Cell

FCV Fuel Cell Vehicle

SOC Stateof Charge

NEDC New European Driving Cycle

CLTC China Light-duty Vehicle Test Cycle

1 引言

燃料電池汽車(chē)（FCV）由于具有環(huán)保、噪聲小、效率高的優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)在國(guó)內(nèi)外受到了廣泛的關(guān)注，并且全球范圍內(nèi)多家汽車(chē)制造廠(chǎng)商紛紛推出FCV產(chǎn)品，包括商用車(chē)和乘用車(chē)。與純電動(dòng)汽車(chē)充電時(shí)間較長(zhǎng)這一特點(diǎn)相比，F(xiàn)CV在5 min左右即可完成一次氫氣加注，極大地方便了用戶(hù)的出行。另外，動(dòng)力電池在低溫下面臨著性能衰減、續(xù)駛里程“縮水”的問(wèn)題，而燃料電池的使用可以緩解這些問(wèn)題。然而，F(xiàn)CV在推廣應(yīng)用的過(guò)程中仍然存在諸多制約因素，例如當(dāng)車(chē)輛在低溫環(huán)境（低于0°C）下停放時(shí)，燃料電池內(nèi)部殘留的水可能會(huì)結(jié)冰，對(duì)車(chē)輛下次的啟動(dòng)造成干擾；車(chē)輛在低溫下啟動(dòng)時(shí)，燃料電池產(chǎn)生的水可能會(huì)重新結(jié)冰，堵塞反應(yīng)氣體的通道；另外，當(dāng)燃料電池溫度低于正常工作溫度（60～80°C）時(shí)，其輸出性能也會(huì)下降，因此，有必要對(duì)FCV的低溫啟動(dòng)過(guò)程進(jìn)行研究。目前國(guó)內(nèi)外的研究人員提出了多種低溫啟動(dòng)方案，包括停機(jī)吹掃、停機(jī)后電池繼續(xù)低電流運(yùn)行、外部熱源加熱的方式，這些方式都離不開(kāi)FCV的能量管理策略的實(shí)施。Wang等以NEDC循環(huán)和CLTC循環(huán)為例，對(duì)車(chē)輛怠速和運(yùn)行工況下的能量流進(jìn)行了分析和研究；Hao等提出了一種適用于插電式和非插電式混合動(dòng)力燃料電池汽車(chē)的電能消耗率的測(cè)試方法；Shen等設(shè)計(jì)了一種FCV的能量管理方案，通過(guò)使用最優(yōu)控制原理，降低了氫氣消耗量，提高了系統(tǒng)性能。因此，對(duì)FCV工作過(guò)程中的能量流進(jìn)行分析，可以了解汽車(chē)的能量分配策略，有助于優(yōu)化汽車(chē)的能量管理模式、提高整車(chē)的系統(tǒng)效率、提高FCV低溫啟動(dòng)能力。

本文針對(duì)燃料電池商用車(chē)低溫啟動(dòng)過(guò)程，分析了其能量流控制策略及能量變化過(guò)程，研究了動(dòng)力電池和燃料電池在FCV的能量管理中的作用，為企業(yè)技術(shù)提升提供一定的參考。

2 燃料電池汽車(chē)的工作原理

FCV的能量主要來(lái)源于燃料電池。單片燃料電池的理論輸出電壓為1.23 V，但由于燃料電池工作時(shí)存在活化極化、歐姆極化和濃差極化因素，因此燃料電池的工作電壓隨著輸出電流的增大而減小，燃料電池的性能曲線(xiàn)如圖1所示。而極化作用所損失的能量則轉(zhuǎn)化為熱量，可以用來(lái)加熱燃料電池自身，其產(chǎn)熱功率可由下式計(jì)算：

圖1 燃料電池性能曲線(xiàn)

單片燃料電池輸出的功率有限，為了滿(mǎn)足實(shí)際應(yīng)用需要，F(xiàn)CV通常使用由多個(gè)單片燃料電池組成的電堆。從圖1中可以看出隨著電流的變化，燃料電池的輸出功率密度呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。FCV在實(shí)際道路行駛過(guò)程中會(huì)遇到多種工況，如加速、減速、爬坡、怠速、啟停，這需要FCV的輸出功率能夠滿(mǎn)足不同的使用工況。尤其是當(dāng)FCV在低于0°C的環(huán)境下停放后，如果只用燃料電池作為能量來(lái)源，再次啟動(dòng)很可能會(huì)啟動(dòng)失敗，因此FCV通常同時(shí)裝備燃料電池和動(dòng)力電池，依靠燃料電池和動(dòng)力電池共同配合來(lái)保證穩(wěn)定的功率輸出，其能量結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 燃料電池汽車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

燃料電池的輸出功率P可以用以下公式計(jì)算：

式中，為電流；為電壓；下標(biāo)表示燃料電池。

動(dòng)力電池的輸出功率P可以用下式計(jì)算：

式中，下標(biāo)表示動(dòng)力電池。

燃料電池的輸出能量E可以用以下公式計(jì)算：

式中，為總采樣時(shí)間。

動(dòng)力電池的輸出能量E可以用下式計(jì)算：

對(duì)于動(dòng)力電池，其電流存在以下2種狀態(tài)：

車(chē)輛運(yùn)行過(guò)程中燃料電池和動(dòng)力電池輸出的總能量：

燃料電池輸出能量的貢獻(xiàn)率η：

3 車(chē)輛低溫啟動(dòng)過(guò)程中的能量流控制策略

以一款燃料電池客車(chē)為例，分析FCV在低溫啟動(dòng)工程中的能量流控制策略以及能量變化。該車(chē)的外型尺寸為12.0 m×2.6 m×3.8 m，電機(jī)功率為170 kW，燃料電池堆的額定功率為150 kW，動(dòng)力電池的額定電壓為630 V。

在FCV的低溫啟動(dòng)試驗(yàn)中，車(chē)輛在環(huán)境倉(cāng)中達(dá)到-30°C后首先浸車(chē)12 h，保證整車(chē)溫度都能降低到指定溫度，然后開(kāi)始啟動(dòng)。首先蓄電池開(kāi)始工作，并為動(dòng)力電池加熱。當(dāng)動(dòng)力電池升高到一定溫度后，動(dòng)力電池開(kāi)始工作，同時(shí)為燃料電池加熱；此時(shí)車(chē)輛各部分的能量主要由動(dòng)力電池提供。當(dāng)燃料電池溫度升高到一定溫度后，燃料電池開(kāi)始啟動(dòng)。根據(jù)T/CSAE 122-2019《燃料電池電動(dòng)汽車(chē)低溫冷起動(dòng)性能試驗(yàn)方法》，如果燃料電池的輸出功率達(dá)到廠(chǎng)商規(guī)定值后可以繼續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行不少于10 min，則可以認(rèn)為低溫啟動(dòng)成功。啟動(dòng)成功后，燃料電池作為車(chē)輛的主要能量源開(kāi)始為動(dòng)力電池充電，并且為空調(diào)、空壓機(jī)、氫泵等一系列附件供電；動(dòng)力電池由功率輸出轉(zhuǎn)為功率輸入，進(jìn)入充電狀態(tài)。在本文的測(cè)試中車(chē)輛保持怠速狀態(tài)，并開(kāi)啟空調(diào)暖風(fēng)為座艙內(nèi)供暖。

本文通過(guò)分別測(cè)量燃料電池和動(dòng)力電池的輸出電壓及電流，計(jì)算燃料電池和動(dòng)力電池的能量變化，并以此來(lái)計(jì)算車(chē)輛其它附件的能量消耗。

4 試驗(yàn)結(jié)果及分析

本文試驗(yàn)所測(cè)試的FCV的初始為50%，從蓄電池工作開(kāi)始計(jì)時(shí)，至燃料電池以穩(wěn)定功率運(yùn)行滿(mǎn)10 min為止，在這個(gè)過(guò)程中，燃料電池、動(dòng)力電池、其它附件的功率變化如圖3所示。

圖3 燃料電池汽車(chē)低溫啟動(dòng)過(guò)程中功率變化

從圖中可以看出，在啟動(dòng)的前289 s由蓄電池為車(chē)輛提供低壓電，此時(shí)燃料電池和動(dòng)力電池均無(wú)功率輸出。在289 s以后動(dòng)力電池啟動(dòng)，并為燃料電池加熱，工作電壓為631 V，功率為6.4 kW左右，此時(shí)車(chē)輛已經(jīng)可以正常工作。在336 s開(kāi)始啟動(dòng)燃料電池電堆，電堆以7.3 kW左右的較低功率運(yùn)行，此時(shí)燃料電池和動(dòng)力電池同時(shí)為車(chē)輛輸出能量。燃料電池以較低功率運(yùn)行，一方面可以降低產(chǎn)水量，避免在溫度升高到0°C以前燃料電池內(nèi)發(fā)生結(jié)冰堵塞，另一方面也可以依靠極化損失產(chǎn)生的熱量為燃料電池自身加熱。在第455 s燃料電池功率開(kāi)始升高，此時(shí)動(dòng)力電池由功率輸出轉(zhuǎn)為功率輸入，說(shuō)明燃料電池開(kāi)始為動(dòng)力電池充電。從第470 s開(kāi)始，燃料電池的功率穩(wěn)定在72 kW左右，并持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行10 min以上，低溫啟動(dòng)成功。

在FCV穩(wěn)定怠速運(yùn)行期間，燃料電池持續(xù)為動(dòng)力電池充電，并為車(chē)輛的其它附件提供能量。由于在509 s開(kāi)啟空調(diào)為乘員艙內(nèi)供暖，動(dòng)力電池的充電功率降為30～40 kW，平均值為35 kW，動(dòng)力電池消耗的功率占燃料電池發(fā)電功率的48.6%。

FCV在低溫啟動(dòng)過(guò)程中，燃料電池、動(dòng)力電池發(fā)電量和其它附件耗電量的變化如圖4所示。在燃料電池功率升高至最大穩(wěn)定功率前，動(dòng)力電池總共提供了0.17 kW·h的能量。在燃料電池啟動(dòng)后，燃料電池發(fā)電量和其它附件耗電量的差值即為燃料電池為動(dòng)力電池充電消耗的電量。從燃料電池啟動(dòng)至穩(wěn)定功率運(yùn)行之間的階段，燃料電池總共產(chǎn)生了0.42 kW·h的能量，因此在FCV低溫啟動(dòng)的過(guò)程中，動(dòng)力電池提供的能量相當(dāng)于燃料電池提供能量的40.5%，燃料電池輸出能量的貢獻(xiàn)率為71.2%。

圖4 燃料電池汽車(chē)低溫啟動(dòng)過(guò)程中發(fā)電量和能量消耗

在燃料電池穩(wěn)定運(yùn)行階段，燃料電池的發(fā)電量為11.96 kW·h，其中為動(dòng)力電池充電消耗了6.25 kW·h，為其它附件的工作提供了5.71 kW·h。為動(dòng)力電池充電消耗的能量占燃料電池發(fā)電量的52.3%，超過(guò)了燃料電池發(fā)電量的50%，不過(guò)當(dāng)其它附件的用電需求增加或者動(dòng)力電池電量充滿(mǎn)以后，這一比例會(huì)有所降低。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文分析了當(dāng)前燃料電池汽車(chē)在低溫啟動(dòng)過(guò)程中的能量流，結(jié)果表明，F(xiàn)CV在啟動(dòng)初期，需要依靠動(dòng)力電池作為主要能量來(lái)源，當(dāng)燃料電池能夠持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，燃料電池才會(huì)作為主要能量來(lái)源。當(dāng)車(chē)輛怠速運(yùn)行并開(kāi)啟采暖時(shí)，為動(dòng)力電池充電消耗的能量超過(guò)燃料電池發(fā)能量的50%，如果車(chē)輛正常行駛，該比值會(huì)有所降低。在將來(lái)的研究中，應(yīng)繼續(xù)優(yōu)化燃料電池的性能，提高燃料電池低溫自啟動(dòng)的能力；其次可以通過(guò)優(yōu)化整車(chē)能量管理策略的方式，使燃料電池產(chǎn)生的能量盡可能地向其它附件傾斜，提高車(chē)輛的能量利用效率。

致謝

感謝中汽中心科研項(xiàng)目“燃料電池汽車(chē)能量管理與續(xù)駛里程測(cè)試評(píng)價(jià)研究（20220118）”對(duì)本文提供的支持。