燃料電池客車整車熱管理技術研究

梁滿志 囤金軍 陳振國 陳波 張振旺

摘 要：燃料電池汽車作為汽車行業的一種全新發展形式，對于汽車行業的發展有著至關重要的反作用，熱管理系統對燃料電池汽車的開發工作來說有著重要作用，但是結合相關行業的實際發展情況來看，對于相關系統的研究工作還比較少，沒有實現系統的研究，很難為行業的發展注入持續的發展活力。燃料電池客車的應用對于實現我國的可持續發展戰略有著巨大的促進作用，本文結合我國燃料電池客車余熱利用和熱管理技術的實際研究情況，針對其中的幾項重點進行了著重分析。

關鍵詞：燃料電池客車;余熱利用;整車熱管理技術

1 引言

燃料電池客車是新能源汽車的重要組成部分，將氫氣作為主要能源，對于促進我國汽車客運行業的可持續發展有著重要作用，具有節能、噪聲低和無污染等優勢，不僅滿足了我國客運行業的實際發展需求，同時也適應了我國客運行業發展的實際情況，結合行業的實際發展情況來看，燃料電池動力系統的熱效率一般在40%左右，同傳統的燃油發動機相比，熱效率有了很大程度的提高，對于實現我國客運行業的資源優化配置也有很大的幫助，所以說推進相關的研究工作很有必要。余熱利用和熱管理技術作為燃料電池客車研究中的兩大重點，涉及到的部件和因素比較多，自然也就成為研究工作中的難點。

2 燃料電池客車整車熱管理技術的概述

想要有序推進相關研究工作，首先就要對相關技術有一個較為全面的認識和了解，結合行業發展的實際情況來看，主要可以分為以下幾點：

作為一種新能源汽車，節能和無污染是該類汽車的主要特點，相關特點正好與我國經濟社會的發展不謀而合，燃料電池動力系統的熱效率相較之傳統的電池汽車有了很大程度的提高，同時節能效率也有了很大程度的提高，對于客運汽車行業的資源優化配置有很大的幫助。

但是燃料電池發動機也有一些發展瓶頸，首當其沖就是其散熱問題，結合傳統燃油發動機的散熱情況來看，傳統發動機的散熱，大約只有10%的熱量通過散熱器排出，大部分熱量都通過排氣管排出，但是這種情況無法適應燃料電池客車，因此整車的散熱系統成為行業研究工作中的重點和難點。

結合傳統汽車的研發工作來看，空調冷凝器同發動機散熱器之間并沒有較大的散熱沖突，但是在燃料電池客車上就要充分考慮到這一點。

3 FCV熱管理系統的概述

FCV熱管理系統的具體組成比較多，伴隨行業的不斷發展，具體組成逐漸復雜化，想要實現對這些具體組成的把握，對于行業來說也是一項較為嚴峻的挑戰，熱管理系統的把握除了零部件之外，還要對外部影響因素進行把握，譬如溫度和濕度等，結合行業的實際發展情況來看，針對熱管理系統的把握主要可以分為以下幾點：

3.1 熱管理系統

根據用途的不同，可以將熱管理系統劃分為制冷系統和冷卻水系統，以制冷系統為例進行說明，該系統由壓縮機、冷凝器和蒸發器等部件組成，同時還可以對冷凝器進行進一步的細分，譬如可以將冷凝器劃分為一級冷凝器和二級冷凝器，冷凝器的安裝需要結合系統的實際需求，大多數情況下并不會對冷凝器進行更為深入的劃分工作，二級冷凝器一般都是后期加入，想要保障不同級別冷凝器的正常工作，可以通過串聯的方式滿足散熱需求，冷凝器的散熱一般都是以空冷式散熱為主，不同級別的冷凝器都帶有一定的風扇系統。制冷系統相較之其他系統來看，是一個較為封閉的系統，這也是為了滿足行業的實際需求。

3.2 散熱具體部件

不同的散熱部件能夠滿足不同的散熱需求，合理的部件能夠滿足大多數散熱需求，結合行業實際來看，可以將散熱部件劃分為以下幾點：

首先就是PCE散熱器，顧名思義，該類散熱器主要用于PCE的散熱，該類型散熱器的主要散熱介質是空氣，通過空氣對電池的冷卻水進行散熱工作，在周圍溫度升高的過程中，該散熱器的散熱量會逐漸降低，無法滿足散熱需求，因此要盡量避免PCE散熱器的超負荷工作，在這時行業工作人員就要充分發揮自身的主觀能動性，通過多種方式增加散熱量，譬如增加散熱器的散熱面積和提高換熱系數等，換熱系數的提高也有多種有效方式，提高散熱器的風量是較為有效的一種方式，所以高壓風扇在該類型散熱器中的應用也較為廣泛。

其次就是PCU散熱器，PCU單元的組成也較為復雜，主要包括水冷系統、空調和電機控制器等，如果將冷凝器置于PCE散熱器前，就會在一定程度上提高散熱器的進風溫度，同時也會降低散熱器的散熱量，所以在進行冷凝器的設計工作中，一定要結合設計工作的實際需求。

最后就是高壓風扇，為了保障高壓風扇的工作效率，風扇一般都是由燃料電池直接進行供電，之所以會應用高壓風扇，也是因為高壓風扇具有很多優點：首先就是應用高壓風扇能夠進行一定的讓電，因為在整個系統中存在很多低壓電器;其次高壓風扇的風量比較大，能夠滿足大部分散熱器的風量需求，綜合多種因素來看，加強高壓風扇的應用很有必要。

3.3 零部件潔凈度的控制

結合行業實際來看，在FCV中，只要有冷卻液流過的零部件，譬如管路、散熱器等，都要滿足潔凈度的要求，不然就可能存在FCE中毒的風險，對乘客的人身安全埋下隱患，所以說加強對零部件的清洗工作顯得很有必要，除此之外，還要對零部件的材料進行把握，將鋁合金作為零部件的主要原材料，主要還是因為鋁合金的自身特質較為特殊。

想要實現對零部件潔凈度更為全面的認識和把握，需要采用較為合理的測量和實驗方式，不同的測量實驗方式有著不同的側重點，對電子傳導率的把握是一種主要的測量方法，在零部件潔凈度的控制工作中應用較為廣泛。

在測量的過程中，行業工作人員一定要充分發揮自身的主觀能動性，值得注意的是，在進行測量和實驗的過程中，要保障周圍環境的清潔，避免外部不穩定因素對整個實驗造成較大的負面影響，將溫度控制在25度左右，濕度盡量不超過70%，除此之外還要對實驗的其他變量進行控制，譬如時間等。

4 余熱利用及整車熱管理技術的具體方案

由于周邊環境和自身環境的不同，采用不同的熱管理方案往往能起到不同的管理效果，所以在選用熱管理方案的過程中，一定要充分發揮自身的主觀能動性，選擇合理的熱管理方案，結合行業的實際發展來看，主要可以分為以下幾種：

4.1 方案一

首先將一級冷凝器放置于PCE散熱器后，同時配有一定的高壓風扇，將一級冷凝器安裝在車頭位置，為了達到最佳的散熱效果，將二級冷凝器安裝于車架縱梁右邊，一般來說，PCU散熱器自帶風扇，將其放于車架縱梁左邊。

4.2 方案二

該方案中利用兩個FCE散熱器。分別為主、副散熱器，副散熱器在主散熱器后部，在散熱器的上面安裝一級冷凝器，高壓風扇獨立安裝。主、副散熱器和一級冷凝器安裝在車頭，二級冷凝器安裝在車架縱梁右邊，PCU散熱器安裝在車架縱梁右邊。

4.3 方案三

在此方案中，將PCU散熱器安裝在燃料電池散熱器后部靠下位置，一級冷凝器安裝在上部，帶有一定的獨立高壓風扇，PCE主、副散熱器和一級冷凝器安裝在車頭位置，FCE副散熱器和風扇安裝在車架縱梁右邊，二級冷凝器安裝在縱梁左邊。

4.4 方案四

將FCE副散熱器安裝在主散熱器后面，進行獨立高壓風扇的安裝，將主、散熱器安裝在車頭，PCU散熱器安裝在車架縱梁右邊，在該方案中只設置了一個冷凝器，同樣安裝在車架縱梁左邊。

5 熱管理控制技術及具體策略

綜合多種影響因素來看，在燃料電池客車的日常運營過程中，制定完善的熱管理控制具體策略很有必要，在策略的制定過程中也要立足于實際，主要可以分為以下幾點：

電器控制是燃料電池汽車日常運營中的重點和關鍵，相關的電器控制工作都利用的是控制器局域網技術，熱管理控制技術作為整項控制工作中的重點，自然也就會對行業的長遠健康發展產生重要的反作用，結合熱管理工作的實際內容來看，控制器的組成和具體類型較為復雜，譬如空調壓縮機控制器、空調控制器和水冷系統控制器等。

燃料電池客車不同于傳統的燃油客車，散熱量有了很大程度的提高，這時合理的熱管理控制技術就顯得尤為重要，能夠有效提高車輛的散熱效率，在FCE散熱器工作和運轉的過程中，整車管理控制器和FCE管理控制器能夠發揮重要的輔助作用，不同的控制器各司其職，能夠有效完成不同的散熱任務，對于促進整車的散熱工作也有較大的幫助。在散熱的過程中，不僅要滿足散熱的實際需求，同時還要保持車輛的動力需求，因為燃料電池客車往往都有一定的運輸任務，進行車輛動力需求的保障很有必要。

冷卻風扇的控制工作也是熱管理工作中的另一重點，冷卻風扇能夠在不同的轉速下運行，結合實際散熱工作來看，冷卻風扇的工作壓力比較大，因為冷卻風扇肩負著PCE散熱器、空調冷凝器和PCU散熱器的冷卻工作，如果散熱需求比較大，就會通過較高的風扇轉速完成散熱任務，當然，如果冷卻風扇沒有開啟，那么VMS就會對風扇控制器發送一定的信號，保證冷卻風扇的低速運轉，保障風扇最為基本的冷卻能力。

6 燃料電池客車余熱利用的可行性研究

余熱利用也是燃料電池客車日常運營過程中的一大重點，因為燃料電池汽車的空調需要耗費一定的能源，燃料電池的大部分能量都通過余熱的方式被浪費，所以說實現燃料電池客車余熱利用工作很有必要，尤其是利用燃料電池余熱實現制冷工作，是實現資源優化配置的又一重點。下面就針對余熱利用的可行性進行研究。

不同的制冷系統有著不同的特點，選擇合理的制冷系統能夠實現燃料電池客車余熱的有效利用。吸附式制冷系統，這種制冷系統的內部構造較為簡單，汽車在日常運行過程中一些外部因素一般不會影響制冷器的正常工作，除此之外，整個制冷系統利用熱源驅動，不會出現耗電的情況，這時對燃料電池汽車的余熱進行利用尤為重要，這種制冷方式的發展前景比較廣闊，但是這種制冷系統一般都處于實驗階段，但是這種系統也存在一定的弊端，因為這種系統主要利用的物理吸附方式，所以系統的體積較大，會對燃料電池客車的內部空間產生一定的負面影響。

吸收式制冷系統的應用也較為廣泛，在熱源溫度比較低的情況下可以采用兩級制冷系統，利用低品位余熱，吸收式制冷系統的發展周期比較長，在長期的發展過程中積累了大量的經驗和教訓，但是這種系統的體積也比較大，如果采用兩級制冷系統，也會在一定程度上增加系統的復雜性，除此之外，由于客車在日常運行的過程中，難免會出現顛簸的情況，如果出現了一定的顛簸，就會造成制冷劑的損失，也會對整個制冷系統的正常運轉產生重要的負面影響，因此這也是燃料電池汽車日常應用中需要著重進行把握的關鍵點。

最后就是蒸汽噴射式制冷系統，如果冷凝溫度比較低，能夠得到較高的熱力系數，但是系統COP會隨著冷凝溫度的升高下降，當然如果能夠滿足冷卻系統的需求，對燃料電池汽車的余熱進行利用就能夠得到較好的制冷效果，噴射器氣流產生的噪聲比較大，會對客車乘客產生不良影響，所以對噪聲進行把握也很有必要。

雖然燃料電池客車相較之傳統的燃油客車，在污染程度上有了很大程度的降低，但是還存在一定的能源損失，所以加強余熱利用工作很有必要，想要提高余熱利用工作的效率和質量，可以從多個方面入手，一方面要對多種先進的余熱利用設備進行利用，另一方面也要切實提高相關設計工作人員的素質，為余熱利用工作的推進奠定堅實的人才基礎。

7 結束語

綜上所述，燃料電池客車的余熱利用和熱管理控制技術對于我國汽運行業的發展有著重要意義，可以說是任重而道遠，但是局限于技術等層面的因素，在控制和管理的過程中還存在很多不足之處，為了保障相關工作的有序推進，可以從以下幾個方面入手：從國家層面來說，要發揮自身宏觀調控的作用，利用相關的福利政策，為行業的發展營造一個較為穩定的外部環境;從行業自身來說，要充分發揮自身的主觀能動性，對多種影響因素進行把握，為行業的發展注入源源不斷的動力。燃料電池客車的余熱利用工作和熱管理控制技術事關我國人民的日常生活質量，讓我們攜起手來一起努力。

注：國家重點研發計劃“燃料電池商用車大規模產業化技術研究”項目（編號2018YFB0106501）。

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