周明岳 王國卓 郭婷 王志軍 吳詩雨

摘 要：燃料電池汽車關(guān)鍵部位的溫度控制對于車輛的穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要，然而目前關(guān)于多變的駕駛工況對車輛關(guān)鍵部位溫度的影響并不明確。本文以一款燃料電池乘用車為例，通過試驗(yàn)的方法研究了中國工況、低速爬坡工況、高速爬坡工況下車輛關(guān)鍵部位溫度的影響。結(jié)果表明中國工況下車輛不同部位的溫度差別并不明顯，而低速爬坡和高速爬坡工況下車輛不同位置處的溫度差別較大，且高于中國工況下的溫度。

關(guān)鍵詞：燃料電池汽車 熱管理 駕駛工況 溫度分布

1 引言

燃料電池汽車近年來受到國內(nèi)外的廣泛關(guān)注，開發(fā)高效率、性能佳的燃料電池汽車也逐漸成為各個汽車生產(chǎn)廠商的研究熱點(diǎn)。由于燃料電池汽車的核心——燃料電池電堆的輸出性能在很大程度上受到溫度的影響，溫度過低可能會導(dǎo)致電堆內(nèi)部結(jié)冰，不能正常啟動，溫度過高會降低電堆的輸出功率，甚至可能會損傷電堆內(nèi)部的質(zhì)子交換膜。并且大多數(shù)燃料電池汽車也搭載了動力電池作為輔助能量源，而動力電池的輸出性能也受到溫度影響，因此合適的工作溫度的對于燃料電池汽車穩(wěn)定運(yùn)行具有至關(guān)重要的作用[1，2]。然而車輛在實(shí)際道路上行駛時，多變的駕駛工況要求燃料電池電堆的輸出功率也隨之變化，必然會導(dǎo)致電堆和電驅(qū)系統(tǒng)的產(chǎn)熱量也有較大幅度的變化，從而影響車輛的熱管理效果，因此有必要研究駕駛工況對燃料電池汽車關(guān)鍵部位溫度的影響。本文以一款燃料電池乘用車為例，分析了中國工況、低速爬坡工況、高速爬坡工況下燃料電池乘用車關(guān)鍵部位溫度變化，探究不同的駕駛工況下燃料電池汽車關(guān)鍵部位的溫度控制效果。

2 燃料電池汽車熱管理系統(tǒng)

燃料電池汽車的熱量來源主要有燃料電池電堆、動力電池、電機(jī)、空調(diào)等，因此需要采用熱管理系統(tǒng)來及時將熱量排出。燃料電池汽車的熱管理系統(tǒng)包含了冷卻系統(tǒng)和空調(diào)系統(tǒng)，其中冷卻系統(tǒng)主要作用于車輛的內(nèi)部關(guān)鍵零部件以及管路[3]。電堆冷卻系統(tǒng)和電驅(qū)動系統(tǒng)冷卻系統(tǒng)分別如圖1和圖2所示，對于燃料電池電堆，通常有空氣冷卻、液體制冷劑冷卻、相變冷卻等幾種冷卻方式。

此外，燃料電池汽車零部件布置結(jié)構(gòu)較為緊湊，給溫度控制帶來了困難，為了提高熱管理的效率，車輛通常使用不同的熱管理策略，目前常用的熱管理策略有PID控制策略、模型預(yù)測控制策略、自適應(yīng)控制策略、模糊控制策略、協(xié)同控制策略以及其它控制策略[4，5]。

3 燃料電池汽車樣品參數(shù)及試驗(yàn)條件

本文以一款燃料電池乘用車為樣品，分析不同的駕駛工況下車輛關(guān)鍵部位溫度的變化。車輛參數(shù)如表1所示。

本文采用的駕駛工況為中國工況（CLTC-P）、低速爬坡工況、高速爬坡工況，中國工況的速度曲線如圖3所示，中國工況下設(shè)置坡度為0，低速爬坡工況、高速爬坡工況參數(shù)如表2所示。所有試驗(yàn)均在常溫條件下進(jìn)行，測試過程中監(jiān)測電堆進(jìn)出水、電堆進(jìn)出氣、水泵進(jìn)出水、散熱器進(jìn)出水管壁、中冷器進(jìn)出水管壁等部位溫度的變化。

4 試驗(yàn)結(jié)果及討論

中國工況下車輛不同位置處的溫度變化情況如圖4所示。通過試驗(yàn)結(jié)果可以看出，在低速階段各處的溫度較低，除了電堆出水溫度和電堆出氣溫度外，其余位置溫度均在45～55℃之間。燃料電池電堆的出水溫度在整個測試過程中均高于其它部位，最高值在63℃左右，說明電堆的發(fā)熱是車輛的主要能量源；電堆散熱器在低速、中速、高速段溫度沒有明顯升高，維持在45～55℃之間；電堆出氣溫度在低速段時較低，隨著實(shí)驗(yàn)過程中平均車速的增加，電堆的出氣溫度增長幅度最大；其余位置溫度隨著車速的升高而逐漸升高，并且在加速階段溫度升高明顯，在減速階段溫度略微下降，主要是因?yàn)檐囁僭礁?，電堆和電機(jī)等部件的輸出功率越高，同時產(chǎn)熱量也越高。

低速爬坡工況下車輛不同位置處的溫度變化情況如圖5所示。從圖中可以看出隨著車輛的運(yùn)行，各個部位的溫度逐漸上升并最終達(dá)到穩(wěn)定。相比于中國工況，不同位置處的溫度差別較大，分布在50～72℃之間。電堆出水溫度高于其它位置，最終穩(wěn)定在72℃左右，受電堆出水溫度的影響，電堆進(jìn)水溫度在試驗(yàn)過程中也有較大的增長；電堆出氣溫度在整個試驗(yàn)過程中升高明顯，電堆散熱器溫度最低，維持在50～52℃之間。

高速爬坡工況下車輛不同位置處的溫度變化情況如圖6所示。與低速爬坡工況類似，車輛各個部位的溫度均隨著車輛的運(yùn)行而逐漸上升并最終達(dá)到穩(wěn)定，分布在50～72℃之間。電堆出水溫度依然高于其它位置，與低速爬坡工況相比，不同位置處的溫度差別較大。

從以上對比可以看出，中國工況下車速有明顯變化，并且存在怠速階段，因此車輛各個關(guān)鍵部位的發(fā)熱量相應(yīng)地也會有明顯的波動，導(dǎo)致了熱量在各個部位沒有大量積累，雖然溫度會隨著車速的變化而有波動，但是整體的溫度低于低速工況和爬坡工況；而高速工況和爬坡工況下車輛的車速保持恒定，各個部位以恒定的功率持續(xù)發(fā)熱，會導(dǎo)致熱量的逐漸積累，因此溫度升高明顯，并且各個部位的溫度差別較大。而對比低速爬坡工況和高速爬坡工況，兩種工況下不同部位的溫度范圍均在50～70℃，但是高速爬坡工況下的溫度分布離散程度更大。

5 結(jié)論

本文以一款燃料電池乘用車為例，測試了中國工況、低速爬坡工況、高速爬坡工況下車輛關(guān)鍵部位溫度變化，分析了駕駛工況對燃料電池乘用車關(guān)鍵部位溫度的影響。結(jié)果表明在中國工況下，車速升高會導(dǎo)致不同部位的溫度升高，并且車速的變化會導(dǎo)致不同部位溫度差別不大；而低速爬坡工況和高速爬坡工況下不同部位的溫度差別明顯，并且高速時的溫度分布離散程度更大；低速爬坡工況和高速爬坡工況由于車速恒定，會導(dǎo)致熱量在車輛內(nèi)部的不斷積累，最終的溫度高于中國工況。

基金項目：國家重點(diǎn)研發(fā)計劃“基于中德合作的燃料電池汽車測試評價技術(shù)”（編號2022YFE0103100）。

參考文獻(xiàn)：

[1]王遠(yuǎn)， 牟連嵩， 劉雙喜. 國外典型燃料電池汽車水、熱管理系統(tǒng)解析[J]. 內(nèi)燃機(jī)與配件， 2019， （24）： 198-200.

[2]盧熾華， 王良旭， 劉志恩， 劉建國， 周建軍. 燃料電池汽車整車熱管理系統(tǒng)設(shè)計與仿真分析[J]. 重慶大學(xué)學(xué)報， 2022， 45（10）： 48-61.

[3]王戎， 王鐵， 趙震， 李蒙， 王恒， 蔡龍. 基于熱泵空調(diào)的燃料電池汽車整車熱管理開發(fā)設(shè)計[J]. 重慶理工大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)）， 2021， 35（01）： 58-66.

[4]李菁. 全功率燃料電池汽車動力系統(tǒng)熱管理設(shè)計與仿真優(yōu)化[D]. 武漢理工大學(xué)， 2020.

[5]寧競. 質(zhì)子交換膜燃料電池汽車集成熱管理系統(tǒng)研究[D]. 吉林大學(xué)， 2022.