吳詩雨 梁榮亮 郭婷

（中國(guó)汽車技術(shù)研究中心有限公司，天津300300）

主題詞：燃料電池電動(dòng)汽車 熱平衡 測(cè)評(píng)方法

1 前言

在汽車工作過程中，熱量管理對(duì)整車在不同工況（尤其是極限工況）下性能的發(fā)揮具有極大的影響，成為長(zhǎng)期以來整車研發(fā)過程中必須考慮的問題。相比于傳統(tǒng)燃油車，燃料電池汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)工作溫度較低（80 ℃），與外界環(huán)境溫差較小，大約有95%的廢熱需要通過車輛散熱器散去，這給燃料電池汽車的散熱系統(tǒng)帶來了巨大的挑戰(zhàn)。

在燃料電池汽車整車熱管理仿真研究方面，國(guó)內(nèi)外研究人員開展了大量的工作。張揚(yáng)軍等對(duì)燃料電池汽車關(guān)鍵部件的熱特性、熱管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)和集成優(yōu)化方面的研究方法進(jìn)行了闡述。常國(guó)鋒等建立了燃料電池?zé)峁芾矸抡婺Ｐ汀ong等綜述了溫度對(duì)燃料電池電動(dòng)汽車整車熱管理和能量管理的影響，指出充分考慮溫度效應(yīng)可以改善整車的使用效率，提高使用壽命。Bai 等建立了一種燃料電池汽車熱管理系統(tǒng)的控制策略，分析了冷凝器、熱交換器、散熱器及水泵之間的耦合作用，為燃料電池汽車熱管理系統(tǒng)的控制設(shè)計(jì)提供了指導(dǎo)。Xu 等基于KULI 完成了整車熱管理系統(tǒng)的建模，模擬了5 種工況下的車輛熱管理系統(tǒng)運(yùn)行情況，其所開發(fā)的熱管理系統(tǒng)均可滿足控制要求。

而在燃料電池汽車的設(shè)計(jì)開發(fā)過程中，高效、合理的整車熱平衡能力測(cè)試評(píng)價(jià)技術(shù)對(duì)于其熱管理能力的提升具有十分重要的意義。目前，在整車級(jí)熱平衡能力測(cè)試評(píng)價(jià)方法方面，僅有GB/T 12542—2020《汽車熱平衡能力道路試驗(yàn)方法》和T/CSAE 114—2019《汽車動(dòng)力總成冷卻能力環(huán)境風(fēng)洞試驗(yàn)方法》中規(guī)定了傳統(tǒng)車輛熱平衡測(cè)試方法，而關(guān)于燃料電池電動(dòng)汽車熱平衡能力測(cè)評(píng)方法的研究尚未見報(bào)道。

通過對(duì)國(guó)內(nèi)外燃料電池汽車熱管理系統(tǒng)進(jìn)行解析，分析了燃料電池汽車熱平衡測(cè)試評(píng)價(jià)的測(cè)試需求，提出了一種適用于燃料電池汽車整車模擬道路熱平衡試驗(yàn)的測(cè)試方法，有利于指導(dǎo)燃料電池汽車的測(cè)試研發(fā)工作。

2 國(guó)內(nèi)外燃料電池汽車熱管理系統(tǒng)

燃料電池電動(dòng)汽車的熱管理系統(tǒng)主要包括電堆、散熱器、水泵、去離子器、中冷器、節(jié)溫器、加熱器。目前，國(guó)內(nèi)外典型燃料電池汽車，包括豐田的Mirai、本田的Clarity、現(xiàn)代的NEXO以及廣汽的燃料電池汽車，均有自主研發(fā)的燃料電池系統(tǒng)。

2.1 豐田Mirai熱管理系統(tǒng)

豐田Mirai熱管理系統(tǒng)的布置如圖1所示，包括主散熱器、副散熱器、水控閥、空調(diào)、中冷器、電堆、電動(dòng)水泵、溫度傳感器、去離子器。該熱管理系統(tǒng)的冷卻方式為液冷，即電動(dòng)水泵將冷卻液輸送至電堆，冷卻后的液體通過水控閥流經(jīng)散熱器，形成了閉合冷卻回路。在熱管理系統(tǒng)工作的過程中，電動(dòng)水泵、溫度傳感器和水控閥共同作用，通過改變冷卻液的流量完成對(duì)燃料電池電堆溫度的精準(zhǔn)控制；雙散熱器（主、副散熱器）的設(shè)計(jì)可以更好地滿足在高散熱負(fù)荷下的散熱需求，以保證車輛性能的正常發(fā)揮。

圖1 豐田Mirai燃料電池汽車熱管理系統(tǒng)布置[9]

2.2 本田Clarity熱管理系統(tǒng)

本田Clarity 熱管理系統(tǒng)的布置如圖2 所示，包括散熱器、節(jié)溫器、水泵、電堆、加熱器和去離子器。該熱管理系統(tǒng)采用液冷的冷卻方式，冷卻液經(jīng)過水泵進(jìn)入電堆，之后通過電堆出口至散熱器，完成電堆的散熱。在熱管理系統(tǒng)工作過程中，去離子器去除冷卻液中的離子以確保車輛用電安全。節(jié)溫器可以控制散熱器的大小循環(huán)，以實(shí)現(xiàn)高低溫工況下加熱與冷卻模式的切換，保證燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的正常工作。

圖2 本田Clarity燃料電池汽車熱管理系統(tǒng)布置[10-11]

2.3 現(xiàn)代NEXO熱管理系統(tǒng)

現(xiàn)代NEXO 熱管理系統(tǒng)的布置如圖3 所示，包括散熱器、閥體、水泵、去離子器、暖風(fēng)芯體、COD 加熱器、電堆。該熱管理系統(tǒng)采用的冷卻方法為液冷，共有3個(gè)冷卻回路，分別為外部輔助加熱、電堆自身加熱和電堆散熱回路。在熱管理系統(tǒng)工作的過程中，針對(duì)不同的工況，系統(tǒng)可以切換至不同回路工作，以實(shí)現(xiàn)低溫、常溫和高溫工況下電堆系統(tǒng)的熱量管理，進(jìn)而保證電堆系統(tǒng)的正常工作。

圖3 現(xiàn)代NEXO燃料電池汽車熱管理系統(tǒng)布置[12]

2.4 廣汽某燃料電池汽車熱管理系統(tǒng)

廣汽某燃料電池汽車的熱管理系統(tǒng)布置方案如圖4所示，包括散熱器、節(jié)溫器、電堆、水泵、中冷器、去離子器和水壺。該熱管理系統(tǒng)采用液冷的冷卻方式，冷卻液通過水泵進(jìn)入電堆，經(jīng)過散熱器形成完整的閉合回路。去離子器可以去除冷卻液中的離子，以保證用電絕緣安全并防止電堆腐蝕。與本田Clarity類似，熱管理回路中也增加了節(jié)溫器，以實(shí)現(xiàn)不同溫度工況下大小循環(huán)的切換，從而保證電堆正常工作。

圖4 廣汽集團(tuán)某燃料電池汽車熱管理系統(tǒng)布置[13]

3 燃料電池汽車熱平衡測(cè)試需求

在燃料電池汽車的整車研發(fā)過程中，開展整車熱平衡試驗(yàn)的目的是考察車輛在不同極限工況下散熱能力，確定實(shí)車使用過程中不同部件所能承受的極限溫度，進(jìn)而指導(dǎo)燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的研發(fā)選型設(shè)計(jì)。

燃料電池汽車動(dòng)力系統(tǒng)包括氫氣循環(huán)系統(tǒng)、空氣循環(huán)系統(tǒng)、電堆、水熱管理系統(tǒng)、動(dòng)力電池和電控系統(tǒng)。在整車熱平衡測(cè)試試驗(yàn)過程中，重點(diǎn)考察電堆和水熱管理系統(tǒng)不同部件的溫度變化情況，以實(shí)現(xiàn)整車熱平衡能力的考核。其中，水熱管理系統(tǒng)一般包括水泵、節(jié)溫器、散熱器、去離子器、中冷器、風(fēng)扇、加熱器等。根據(jù)燃料電池汽車的結(jié)構(gòu)及原理，本文給出了在燃料電池汽車熱平衡試驗(yàn)中建議測(cè)溫點(diǎn)及具體傳感器的安裝位置（表1）。

表1 燃料電池電動(dòng)汽車熱平衡試驗(yàn)建議測(cè)溫點(diǎn)

4 燃料電池汽車熱平衡測(cè)試方法

4.1 試驗(yàn)條件及要求

開展整車熱平衡試驗(yàn)時(shí)，需要考慮的具體條件及要求包括氣候條件、設(shè)施條件以及試驗(yàn)設(shè)備要求。

4.1.1 氣候條件

在開展燃料電池電動(dòng)汽車熱平衡試驗(yàn)時(shí)，如果在道路上開展試驗(yàn)，一般要求環(huán)境溫度不低于30 ℃，風(fēng)速不大于3 m/s，且具備充足的陽光照射。在室內(nèi)轉(zhuǎn)鼓進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，要保證一定的光照輻射強(qiáng)度。

4.1.2 設(shè)施條件

在開展道路試驗(yàn)時(shí)，要求試驗(yàn)道路滿足GB/T 12534—1990《汽車道路試驗(yàn)方法通則》中的規(guī)定。

4.1.3 試驗(yàn)設(shè)備要求

在開展整車熱平衡試驗(yàn)時(shí)，需要的設(shè)備一般包括：熱電偶、模擬電壓、流量傳感器、壓力傳感器、風(fēng)扇傳感器、日光強(qiáng)度傳感器、環(huán)境壓力傳感器、環(huán)境濕度傳感器、轉(zhuǎn)速表或測(cè)速儀、多通道數(shù)據(jù)記錄儀和車輛總線數(shù)據(jù)。試驗(yàn)設(shè)備的精度要求詳見下表2。

表2 試驗(yàn)測(cè)量參數(shù)及精度要求

4.2 試驗(yàn)工況

為了充分檢驗(yàn)燃料電池汽車的熱平衡能力，本文設(shè)定了6 種試驗(yàn)工況來開展整車熱平衡試驗(yàn)，包括燃料電池電堆最大輸出功率工況、高速行駛工況、高速爬坡工況、低速爬坡工況、城市工況、怠速工況，不同工況的具體設(shè)定要求如下。

4.2.1 燃料電池電堆最大輸出功率工況

在該工況試驗(yàn)過程中，要求車輛選用D擋以油門全開狀態(tài)行駛，通過調(diào)整阻力加載裝置對(duì)汽車逐步施加阻力，維持電堆在最大功率狀態(tài)運(yùn)行，直到所有的測(cè)溫點(diǎn)不再上升停止試驗(yàn)。

4.2.2 高速行駛工況

在該工況試驗(yàn)過程中，要求車輛選用D擋，以90%最高車速或140 km/h（取2 者中較小值）勻速行駛，直到所有的測(cè)溫點(diǎn)不再上升后停止試驗(yàn)。

4.2.3 高速爬坡工況

在該工況試驗(yàn)過程中，通過阻力加載裝置對(duì)車輛逐步施加載荷至3%坡度阻力，調(diào)整油門使車輛以最大穩(wěn)定車速勻速行駛20 min，至所有的測(cè)溫點(diǎn)不再上升。

4.2.4 低速爬坡工況

在該工況試驗(yàn)過程中，通過阻力加載裝置對(duì)車輛逐步施加載荷至12%坡度阻力，調(diào)整油門使車輛以最大穩(wěn)定車速勻速行駛20 min，至所有的測(cè)溫點(diǎn)不再上升。

4.2.5 城市工況

在該工況試驗(yàn)過程中，要求車輛選用D 擋，按照“中國(guó)汽車行駛工況”（GB/T 38146—2019）相關(guān)要求進(jìn)行測(cè)試。

4.2.6 怠速工況

中國(guó)工況試驗(yàn)完成后，將車輛靜止運(yùn)行30 min，若30 min 后溫度測(cè)點(diǎn)仍未達(dá)到平衡，則試驗(yàn)繼續(xù)進(jìn)行，直到測(cè)點(diǎn)溫度不上升為止。

4.3 某燃料電池汽車熱平衡試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

為了檢驗(yàn)本試驗(yàn)方法的可行性，根據(jù)上述方法對(duì)某款全功率燃料電池電動(dòng)汽車開展了熱平衡能力的試驗(yàn)測(cè)評(píng)，試驗(yàn)的操作流程如圖5所示。

圖5 燃料電池汽車熱平衡試驗(yàn)流程

圖6～圖8 分別展示了該款全功率燃料電池汽車在高速工況、高速爬坡工況和中國(guó)汽車行駛工況下不同部件的溫度變化情況。結(jié)果表明，該款燃料電池汽車熱管理系統(tǒng)的平衡能力表現(xiàn)較為不錯(cuò)，在3種工況的試驗(yàn)中，部件的溫度均維持在100 ℃以下，這樣可以保證燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)在一個(gè)相對(duì)“舒適”的溫度（約80 ℃），從而更好地發(fā)揮動(dòng)力系統(tǒng)的性能。此外，從圖8中可以看出，車速對(duì)不同部件的溫度變化影響較大，當(dāng)車速變大時(shí)，不同部件的溫度均有一定的上升，其中，以冷凝器進(jìn)口前的溫度表現(xiàn)最為明顯，整體的溫度隨車速呈現(xiàn)波動(dòng)變化。

圖6 高速行駛工況下不同部件溫度變化

圖7 高速爬坡工況下不同部件溫度變化

圖8 中國(guó)汽車行駛工況下不同部件溫度變化

5 結(jié)束語

對(duì)國(guó)內(nèi)外典型燃料電池汽車熱管理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)布置、散熱方式和技術(shù)優(yōu)勢(shì)進(jìn)行了歸納綜述。

分析了燃料電池汽車熱平衡試驗(yàn)中的測(cè)試需求，給出了試驗(yàn)過程中的關(guān)鍵測(cè)溫點(diǎn)和具體測(cè)量位置，能夠直接指導(dǎo)整車熱平衡試驗(yàn)操作。

提出了燃料電池電動(dòng)汽車熱平衡能力測(cè)試評(píng)價(jià)方法，對(duì)試驗(yàn)條件、試驗(yàn)工況進(jìn)行了明確的規(guī)定。通過某款燃料電池汽車的實(shí)車測(cè)試，驗(yàn)證了所提方法的可行性，給出了該車輛的熱平衡試驗(yàn)分析。