孔維峰， 劉繼紅， 王 超， 劉寶來(lái), 趙東烈， 王 慧

(1.北京公共交通控股(集團(tuán))有限公司， 北京 100161； 2.北京理工大學(xué)， 北京 100081;3.北京福田歐輝新能源汽車(chē)有限公司， 北京 102206)

受燃料電池當(dāng)前技術(shù)水平的限制，燃料電池汽車(chē)仍存在動(dòng)態(tài)響應(yīng)慢、無(wú)法回收制動(dòng)能量等問(wèn)題，因而目前的燃料電池汽車(chē)存在多個(gè)能量源。根據(jù)車(chē)輛的功率需求對(duì)能量源進(jìn)行合理分配是提升整車(chē)效率、降低燃料電池成本的關(guān)鍵。當(dāng)前，燃料電池的化學(xué)能轉(zhuǎn)化效率可達(dá)到60%左右，仍然有40%左右的能量都轉(zhuǎn)化為廢熱白白浪費(fèi)掉。因此，針對(duì)2022年冬奧會(huì)期間燃料電池汽車(chē)低溫運(yùn)行環(huán)境，本文提出一種實(shí)現(xiàn)燃料電池余熱利用的能量管理策略，并通過(guò)三種工況仿真分析，研究其對(duì)燃料電池汽車(chē)經(jīng)濟(jì)性的貢獻(xiàn)，以驗(yàn)證系統(tǒng)和控制策略的可行性。

1 整車(chē)綜合智能熱管理控制方案

整車(chē)綜合智能熱管理系統(tǒng)初步設(shè)計(jì)方案保留了燃料電池(150 kW)和動(dòng)力電池(62.26 kW·h)原有的熱管理系統(tǒng)(包括散熱和加熱)，整車(chē)加熱系統(tǒng)采用水暖方式。利用液-液換熱器對(duì)燃料電池冷卻水和加熱系統(tǒng)、動(dòng)力電池保溫系統(tǒng)的介質(zhì)進(jìn)行熱交換，以實(shí)現(xiàn)低溫條件下的余熱利用，降低供暖能耗。

為進(jìn)一步體現(xiàn)氫燃料電池客車(chē)的極寒低溫適應(yīng)性，本文開(kāi)發(fā)全氣候動(dòng)力電池作為氫燃料電池客車(chē)的輔助能源，與具有-30 ℃氫燃料電池系統(tǒng)進(jìn)行匹配，實(shí)現(xiàn)整車(chē)具備-30 ℃極寒低溫冷啟動(dòng)性能。針對(duì)極寒環(huán)境下不消耗額外的電能改善乘客艙供暖問(wèn)題，對(duì)整車(chē)熱管理系統(tǒng)進(jìn)行進(jìn)一步設(shè)計(jì)優(yōu)化，創(chuàng)新開(kāi)發(fā)的自適應(yīng)綜合智能熱管理系統(tǒng)如圖1所示，實(shí)現(xiàn)了燃料電池系統(tǒng)余熱取暖、余熱利用；開(kāi)發(fā)了余熱交換器，使用燃料電池余熱量為乘客艙供暖，換熱量≥20 kW@15 K溫差；同時(shí)在乘客艙內(nèi)前、中、后三個(gè)區(qū)域設(shè)置溫度采樣點(diǎn)，實(shí)時(shí)反饋乘客艙當(dāng)前溫度分布情況，能夠?qū)崟r(shí)控制乘客艙內(nèi)散熱器的風(fēng)扇轉(zhuǎn)速及散熱器功率輸出，實(shí)現(xiàn)乘客艙內(nèi)采暖智能控制及溫度均衡。

圖1 自適應(yīng)整車(chē)綜合智能熱管理方案

2 整車(chē)綜合智能熱管理系統(tǒng)仿真

在AMESim中搭建整車(chē)綜合智能熱管理系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)模型，該模型集成了水泵、管道、加熱器、散熱器、換熱器等子模塊模型，可以模擬冷卻液流動(dòng)、傳熱等動(dòng)態(tài)過(guò)程。在MATLAB/Simulink中搭建整車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)模型，利用其接口搭建控制器模塊并編寫(xiě)控制算法，方便后續(xù)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制算法設(shè)計(jì)調(diào)試。利用所搭建的上述兩個(gè)模型，選擇三種工況在MATLAB軟件中進(jìn)行聯(lián)合仿真分析。

2.1 停車(chē)啟動(dòng)工況仿真分析

1) 首先研究在停車(chē)狀態(tài)下進(jìn)行啟動(dòng)暖機(jī)過(guò)程。此時(shí)由燃料電池和動(dòng)力電池共同輸出功率，耗能部件為燃料電池小循環(huán)加熱器和整車(chē)熱管理系統(tǒng)的加熱器，分別按最大功率10 kW和30 kW工作。四者功率變化如圖2所示。在此過(guò)程中，燃料電池冷卻水出口溫度大約經(jīng)過(guò)300 s后穩(wěn)定在80 ℃，而乘客艙溫度經(jīng)過(guò)800 s后達(dá)到25 ℃并維持該溫度。

圖2 停車(chē)啟動(dòng)過(guò)程功率變化曲線

2) 啟動(dòng)時(shí)燃料電池和動(dòng)力電池同時(shí)輸出，在燃料電池到達(dá)工作溫度并進(jìn)行供暖后，由于燃料電池功率不能快速下降，因此此時(shí)還需要對(duì)動(dòng)力電池進(jìn)行充電。之后功率輸出逐漸達(dá)到平衡，動(dòng)力電池的輸出功率降為零。該啟動(dòng)過(guò)程為確保乘客艙溫度迅速上升，一開(kāi)始整車(chē)電加熱器采用最大功率輸出。該過(guò)程乘客艙加熱和維持溫度所需要的能量80%來(lái)自加熱器，20%來(lái)自燃料電池余熱交換器。系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定后，乘客艙供暖需求功率為26.37 kW，其中燃料電池提供的電能為18.51 kW，燃料電池余熱交換器提供的熱能為7.86 kW。

2.2 啟動(dòng)行駛工況仿真分析

該部分研究的是燃料電池客車(chē)在運(yùn)行C-WTVC工況時(shí)，燃料電池系統(tǒng)及整車(chē)從-20 ℃初始狀態(tài)啟動(dòng)運(yùn)行的過(guò)程。為了以最快速度使燃料電池和乘客艙溫度達(dá)到目標(biāo)值，整車(chē)熱管理系統(tǒng)的電加熱器一開(kāi)始就采用最大加熱功率工作。

在該動(dòng)態(tài)工況中，燃料電池功率隨工況緩慢變化，而功率需求變化基本由動(dòng)力電池承擔(dān)。由于整個(gè)循環(huán)的行駛需求平均功率大約為30 kW，因此該過(guò)程燃料電池提供的余熱低于系統(tǒng)的最大需求供暖量，所以該過(guò)程電加熱器需要持續(xù)工作以維持所需溫度，四者的能量變化曲線如圖3所示。

圖3 C-WTVC工況啟動(dòng)累積能量曲線

該過(guò)程中，燃料電池冷卻水出口溫度大約經(jīng)過(guò)280 s后穩(wěn)定在80 ℃，乘客艙溫度則經(jīng)過(guò)400 s后達(dá)到25 ℃并維持該溫度，波動(dòng)值不超過(guò)2 ℃。經(jīng)分析，該過(guò)程中用于整車(chē)熱管理中乘客艙溫度上升及維持溫度所需要能量的45%來(lái)自電加熱器，55%來(lái)自燃料電池的余熱，即余熱利用使得熱管理系統(tǒng)所需的能量降低了55%，節(jié)能效果明顯。在C-WTVC工況末段，由于車(chē)速較高，需求的功率也較大，因此燃料電池輸出功率顯著增大，但此時(shí)乘客艙溫度稍微上升。

2.3 穩(wěn)態(tài)供暖工況仿真分析

該部分是對(duì)車(chē)輛在C-WTVC行駛工況過(guò)程中的整車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)及熱管理系統(tǒng)的仿真，此時(shí)燃料電池和車(chē)輛溫度都已經(jīng)達(dá)到了正常工作狀態(tài)。

該過(guò)程中各個(gè)部件的功率和累計(jì)能量情況與停車(chē)啟動(dòng)的工況相似，但該過(guò)程由于車(chē)輛溫度和燃料電池溫度均已達(dá)到了穩(wěn)定值，所以加熱器僅需提供一個(gè)小功率以協(xié)助維持乘客艙溫度，此過(guò)程中四者的能量變化曲線如圖4所示。

圖4 C-WTVC工況穩(wěn)定運(yùn)行累計(jì)能量曲線

該過(guò)程中，燃料電池冷卻液出口溫度維持在80 ℃左右，乘客艙的溫度在25 ℃左右，略有波動(dòng)，最大波動(dòng)值不超過(guò)2 ℃。在穩(wěn)定運(yùn)行一個(gè)循環(huán)工況中，維持乘客艙溫度需要的熱能為12.8 kW·h，運(yùn)行時(shí)間為 1 800 s，平均功率為25.6 kW。所需熱能的22%(2.83 kW·h)來(lái)自整車(chē)熱管理系統(tǒng)中的電加熱，其余的78%(9.97 kW·h)來(lái)自燃料電池余熱。該過(guò)程中，動(dòng)力系統(tǒng)輸出總能量為25.15 kW·h(其中燃料電池24.46 kW·h，動(dòng)力電池0.69 kW·h)，相比采用純電加熱系統(tǒng)時(shí)的動(dòng)力系統(tǒng)輸出總能量35.12 kW·h(全部為動(dòng)力電池輸出)，總能耗降低了28.4%。

3 整車(chē)綜合智能熱管理試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的整車(chē)綜合智能熱管理系統(tǒng)的有效性，采用某12 m燃料電池公路客車(chē)在中汽中心呼倫貝爾冬季汽車(chē)試驗(yàn)場(chǎng)進(jìn)行極寒環(huán)境的實(shí)車(chē)測(cè)試驗(yàn)證，該車(chē)的綜合智能熱管理示意圖如圖5所示。

圖5 整車(chē)綜合智能熱管理示意圖

在環(huán)境溫度-30 ℃下，要求乘客艙溫度10 min內(nèi)加熱至高于環(huán)境溫度10 K以上，此時(shí)電加熱器所需總功率為26 kW。在燃料電池不同穩(wěn)態(tài)工作狀態(tài)下，測(cè)得燃料電池余熱供暖占采暖總功率的比例見(jiàn)表1。從表中可以看出，隨著燃料電池功率的升高，余熱供暖功率占采暖功率的比例升高。當(dāng)燃料電池功率大于其最大功率(150 kW)的 60%(90 kW)穩(wěn)態(tài)工作時(shí)，燃料電池余熱供暖可以滿足乘客艙上述采暖(需求功率為26 kW)需求，無(wú)需電加熱器進(jìn)行額外加熱，即余熱供暖占比為100%。此時(shí)，通過(guò)試驗(yàn)測(cè)得100 km整車(chē)氫耗從7.6 kg降低到5.9 kg，降低了22.4%，節(jié)能效果得到明顯提升。

表1 -30 ℃環(huán)境溫度下燃料電池余熱供暖節(jié)能效果

4 結(jié)束語(yǔ)

本文基于-30 ℃極寒環(huán)境，提出燃料電池客車(chē)綜合智能熱管理控制策略，滿足整車(chē)快速起動(dòng)的需求，并通過(guò)仿真分析和實(shí)車(chē)測(cè)試，驗(yàn)證了該綜合智能熱管理系統(tǒng)的節(jié)能效果。隨著燃料電池關(guān)鍵材料和零部件性能的提升，先進(jìn)控制方法的實(shí)現(xiàn)和普及，燃料電池車(chē)輛的極寒環(huán)境適應(yīng)性將會(huì)逐步提升，從而有助于燃料電池車(chē)輛的推廣。