周明岳 王國(guó)卓 郭婷 王志軍 吳詩(shī)雨

摘 要：燃料電池汽車關(guān)鍵部位的溫度控制對(duì)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(duì)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(guò)試驗(yàn)的方法研究了中國(guó)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(guó)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(guó)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(lái)受到國(guó)內(nèi)外的廣泛關(guān)注，開(kāi)發(fā)高效率、性能佳的燃料電池汽車也逐漸成為各個(gè)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(guò)低可能會(huì)導(dǎo)致電堆內(nèi)部結(jié)冰，不能正常啟動(dòng)，溫度過(guò)高會(huì)降低電堆的輸出功率，甚至可能會(huì)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(dòng)力電池作為輔助能量源，而動(dòng)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(duì)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(shí)，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(huì)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(duì)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(guó)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(lái)源主要有燃料電池電堆、動(dòng)力電池、電機(jī)、空調(diào)等，因此需要采用熱管理系統(tǒng)來(lái)及時(shí)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(dòng)系統(tǒng)冷卻系統(tǒng)分別如圖1和圖2所示，對(duì)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(lái)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(cè)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(guó)工況（CLTC-P）、低速爬坡工況、高速爬坡工況，中國(guó)工況的速度曲線如圖3所示，中國(guó)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(cè)試過(guò)程中監(jiān)測(cè)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(guó)工況下車輛不同位置處的溫度變化情況如圖4所示。通過(guò)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(gè)測(cè)試過(guò)程中均高于其它部位，最高值在63℃左右，說(shuō)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(méi)有明顯升高，維持在45～55℃之間；電堆出氣溫度在低速段時(shí)較低，隨著實(shí)驗(yàn)過(guò)程中平均車速的增加，電堆的出氣溫度增長(zhǎng)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(shí)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(gè)部位的溫度逐漸上升并最終達(dá)到穩(wěn)定。相比于中國(guó)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(guò)程中也有較大的增長(zhǎng)；電堆出氣溫度在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)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(gè)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(duì)比可以看出，中國(guó)工況下車速有明顯變化，并且存在怠速階段，因此車輛各個(gè)關(guān)鍵部位的發(fā)熱量相應(yīng)地也會(huì)有明顯的波動(dòng)，導(dǎo)致了熱量在各個(gè)部位沒(méi)有大量積累，雖然溫度會(huì)隨著車速的變化而有波動(dòng)，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(gè)部位以恒定的功率持續(xù)發(fā)熱，會(huì)導(dǎo)致熱量的逐漸積累，因此溫度升高明顯，并且各個(gè)部位的溫度差別較大。而對(duì)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(cè)試了中國(guó)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(duì)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(guó)工況下，車速升高會(huì)導(dǎo)致不同部位的溫度升高，并且車速的變化會(huì)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(shí)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(huì)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(guó)工況。

基金項(xiàng)目：國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“基于中德合作的燃料電池汽車測(cè)試評(píng)價(jià)技術(shù)”（編號(hào)2022YFE0103100）。

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