郭帥，趙航，張有文，張俊

（陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710200）

前言

燃料電池具有啟動速度快、發(fā)電效率高等優(yōu)點，是未來新能源重卡的重要發(fā)展方向。目前常用燃料電池和動力電池混合驅(qū)動的技術(shù)路線，共有電堆熱管理、電池?zé)峁芾砗碗姍C(jī)冷卻等三套熱管理子系統(tǒng)，熱管理也因此成為燃料電池重卡開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)之一。

如圖1 所示，為燃料電池和動力電池混合驅(qū)動的整車熱管理示意圖，各子系統(tǒng)在整車布置時需考慮熱風(fēng)回流和動力艙內(nèi)外流場的影響，各子系統(tǒng)的溫度限值、散熱需求、熱管理方式和控制邏輯均不相同。

圖1 燃料電池重卡熱管理示意圖

受整車控制器接口數(shù)量的限制，各子系統(tǒng)均由相應(yīng)的子控制單元進(jìn)行控制，其優(yōu)點是各子系統(tǒng)既相對獨立，又實現(xiàn)了車輛信息的集中監(jiān)控，改善了人機(jī)操控性，提高了整車控制器的通用性和適用性。

1電堆熱管理系統(tǒng)

燃料電池重卡的功率需求較大，而電堆的單堆功率較小，目前多采用兩路并聯(lián)的技術(shù)方案，其熱管理系統(tǒng)也采用兩套相對獨立的方案。當(dāng)電堆溫度過低時，熱脹冷縮會導(dǎo)致催化劑從膜上脫落，影響燃料電池性能；當(dāng)電堆溫度過高時，催化劑中的Pt 燒結(jié)，催化劑顆粒變大，表面積減少，降低了燃料電池性能。因此電堆熱管理系統(tǒng)包括了電堆冷卻系統(tǒng)和電堆加熱系統(tǒng)，如圖2 所示，為燃料電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的示意圖。

圖2 電堆熱管理系統(tǒng)示意圖

1.1 電堆冷卻系統(tǒng)

電堆冷卻系統(tǒng)采用強(qiáng)制液冷的路線，主要由散熱器總成、電動水泵、電動風(fēng)扇、膨脹箱、連接管路、低壓線束、傳感器、三通閥、控制單元等零部件組成。結(jié)合燃料電池的特點，需注意以下幾個問題：

（1）冷卻液多采用去離子水，電導(dǎo)率≤5μs/cm；膨脹箱需帶氫氣濃度傳感器；

（2）鋼管需采用食品級316 不銹鋼，膠管需采用食品級內(nèi)氟外硅膠管；

（3）盡量選用大直徑、低噪音、大風(fēng)量的風(fēng)扇。

電堆冷卻小循環(huán)可由燃料電池控制器控制、大循環(huán)由電堆熱管理控制單元控制，燃料電池控制器向整車控制器發(fā)送三通閥的開度信息，電堆熱管理控制單元接收整車控制器的氫氣濃度信息、三通閥開度信息和空調(diào)開啟信息等，并按預(yù)設(shè)控制邏輯調(diào)整風(fēng)扇轉(zhuǎn)速等。

1.2 電堆加熱系統(tǒng)

電堆加熱系統(tǒng)一般采用PTC 直接加熱冷卻液的方式，PTC 加熱器串聯(lián)到電堆冷卻系統(tǒng)的小循環(huán)中，由燃料電池控制器按預(yù)設(shè)邏輯控制PTC 的開啟和關(guān)閉，并向整車控制器發(fā)送水溫等信息。

2 電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)

電池的適宜工作溫度一般為20℃～40℃，其熱管理系統(tǒng)也分為電池冷卻系統(tǒng)和電池加熱系統(tǒng)兩部分。

2.1 電池冷卻系統(tǒng)

電池冷卻系統(tǒng)多采用液冷的熱管理技術(shù)，其原理如圖3所示。

圖3 電池冷卻系統(tǒng)原理圖

電池冷卻系統(tǒng)主要由板式換熱器、電動水泵、電動壓縮機(jī)、膨脹閥、電動風(fēng)扇、冷凝器、高壓預(yù)充、高低壓線束、傳感器、控制單元等零部件組成。

電池冷卻系統(tǒng)分為三種模式，分別為關(guān)機(jī)模式、自循環(huán)模式和制冷模式，其工作模式受電池管理系統(tǒng)（BMS）的控制。BMS 將預(yù)設(shè)工作模式，預(yù)設(shè)水溫通過整車控制器的CAN總線發(fā)送至電池冷卻系統(tǒng)；電池冷卻系統(tǒng)接收報文，根據(jù)出水溫度自行調(diào)節(jié)電動壓縮機(jī)、電動風(fēng)扇和膨脹閥等，同時將電池冷卻系統(tǒng)的各種工作狀態(tài)、故障、水溫等通過CAN 總線反饋到整車控制器。

2.2 電池加熱系統(tǒng)

動力電池在低溫環(huán)境下的放電性能較差，故需對電池進(jìn)行預(yù)熱。目前主要有兩種加熱方式，一種是在電池冷卻系統(tǒng)中串聯(lián)PTC 加熱器，另一種是在電池包中增加加熱膜，現(xiàn)多采用第二種加熱方式。

電池加熱系統(tǒng)在充電或冷啟動時加熱，放電時不加熱。加熱系統(tǒng)的開啟根據(jù)環(huán)境溫度和電池包內(nèi)部溫度，受BMS的控制，不經(jīng)過整車控制器。

3 電機(jī)冷卻

電機(jī)冷卻系統(tǒng)的散熱原理與電堆冷卻類似，也采用強(qiáng)制液冷的冷卻方式。電機(jī)的冷卻液出口溫度一般不超過70℃，控制器的冷卻液出口溫度一般不超過65℃，故將控制器統(tǒng)一接入電機(jī)冷卻系統(tǒng)。

因電堆采用兩套系統(tǒng)并聯(lián)的方式，其空壓機(jī)控制器、燃料電池DCDC 均為兩套，與之配套的低壓DCDC 也有兩套，再加上電機(jī)、電機(jī)控制器、四合一控制器等，需散熱零部件較多，故電機(jī)冷卻可采用并聯(lián)或混聯(lián)的方式，如圖4 所示。

圖4 電機(jī)冷卻系統(tǒng)原理圖

盡量使兩支路阻力基本相當(dāng)、散熱量基本相當(dāng)，以保證冷卻液溫度的一致性，提高零部件的可靠性。在整車布置允許的前提下，盡量增大散熱器芯體的正面積。盡量選用高揚程、大流量的電動水泵；若不能滿足需求，可采用兩個水泵串聯(lián)以增加揚程，或兩個水泵并聯(lián)以增加流量。

電機(jī)冷卻控制單元根據(jù)散熱器進(jìn)出水口溫度、環(huán)境溫度等，按照預(yù)設(shè)邏輯控制風(fēng)扇轉(zhuǎn)速、水泵轉(zhuǎn)速等，使冷卻液始終維持在合適的溫度范圍內(nèi)，并通過CAN 總線向整車控制器反饋工作狀態(tài)、故障、水溫等信息。

4 結(jié)論

燃料電池重卡整車熱管理包括了電堆熱管理、電池?zé)峁芾砗碗姍C(jī)冷卻三個子系統(tǒng)，根據(jù)各子系統(tǒng)的溫度限值、散熱需求、熱管理方式等，分析了各子系統(tǒng)的基本原理、基本構(gòu)造、特點和控制邏輯，為后續(xù)燃料電池重卡的熱管理研究提供了依據(jù)。