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

王 戎，王 鐵，趙 震，李 蒙，王 恒，蔡 龍

（太原理工大學(xué) 機(jī)械與運(yùn)載工程學(xué)院，太原 030024）

電動空調(diào)系統(tǒng)、電動制動和電動轉(zhuǎn)向作為新能源汽車的“小三電”，消耗著整車的能量，尤其是電動空調(diào)系統(tǒng)由于無法利用發(fā)動機(jī)余熱進(jìn)行駕駛室制熱，冬季制熱時的能耗可達(dá)到整車能耗的33%左右［1］，夏季制冷時的能量消耗相比空調(diào)關(guān)閉時高出10%左右［2］，導(dǎo)致續(xù)航里程下降18%～30%［3］。對于燃料電池汽車，由于沒有傳統(tǒng)燃油車的發(fā)動機(jī)余熱用于駕駛室制熱，而采用PTC熱敏電阻空調(diào)等電加熱方式，因而需要消耗大量的能量，嚴(yán)重影響汽車的經(jīng)濟(jì)性和續(xù)航里程［4－5］。同時，在燃料電池汽車行駛過程中，燃料電池、動力電池及電機(jī)等有較高的發(fā)熱功率，需對其進(jìn)行合理、有效的熱管理，以保證燃料電池、動力電池及電機(jī)安全、高效地運(yùn)行。目前，現(xiàn)有燃料電池汽車將駕駛室熱環(huán)境、電池組熱管理及電機(jī)熱管理獨(dú)立設(shè)置、分開管理，并沒有協(xié)調(diào)統(tǒng)一進(jìn)行集成式管理，使得總體熱管理能耗較高，部分熱能不能實(shí)現(xiàn)再利用［6］。實(shí)現(xiàn)整車熱管統(tǒng)一管理、整車余熱再次利用對燃料電池汽車提高經(jīng)濟(jì)性和續(xù)航里程有著重要的現(xiàn)實(shí)意義［7－10］。

熱泵空調(diào)具有節(jié)能高效的特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)駕駛室冷熱一體化調(diào)節(jié)，被廣泛應(yīng)用于新能源汽車［11－16］。歐陽東［17］設(shè)計了純電動汽車熱泵空調(diào)和動力電池組交互熱管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)電池組的產(chǎn)熱量和空調(diào)制熱量交互利用。吳禎利［18］提出了一種考慮電池?zé)峁芾淼男滦涂照{(diào)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)空調(diào)系統(tǒng)對乘員艙和電池組的溫度控制。艾志華［19］提出了一種集成式熱管理方案，將電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)和熱泵空調(diào)集成，提高了整車的能量利用率。閆福瓏［20］提出以電動汽車電機(jī)冷卻水和大氣為熱源的熱泵空調(diào)制熱方案，并驗(yàn)證了其可行性。

本文中針對某燃料電池重卡，為降低整車能耗，提高其續(xù)航里程，設(shè)計了一種以熱泵空調(diào)系統(tǒng)為核心的熱管理系統(tǒng)，將駕駛室熱管理、燃料電池?zé)峁芾怼恿﹄姵責(zé)峁芾砑半姍C(jī)熱管理集成于一體。對熱管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、工作模式等進(jìn)行設(shè)計與建模，通過AMESim仿真分析，研究熱管理系統(tǒng)的制冷、制熱效果，驗(yàn)證基于熱泵空調(diào)的整車熱管理系統(tǒng)的可行性與優(yōu)越性。

1 整車熱管理系統(tǒng)設(shè)計

1．1 整車熱管理系統(tǒng)方案

燃料電池汽車整車熱管理系統(tǒng)主要將駕駛室熱管理、燃料電池?zé)峁芾怼恿﹄姵責(zé)峁芾砑半姍C(jī)熱管理等進(jìn)行整合，統(tǒng)一協(xié)調(diào)管理，改變原有的相對獨(dú)立管理方式。由于熱泵空調(diào)具有高效、節(jié)能、冷熱一體化調(diào)節(jié)的特點(diǎn)，故基于熱泵空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計一種夏季可為駕駛室制冷、為燃料電池和動力電池散熱，冬季可為駕駛室制熱、為燃料電池和動力電池預(yù)熱保溫、電池組及電機(jī)余熱再利用的整車熱管理方案。系統(tǒng)采用R134a作為制冷劑。熱管理系統(tǒng)原理如圖1所示。

從圖1可知，整車熱管理系統(tǒng)由熱泵空調(diào)循環(huán)回路、燃料電池循環(huán)回路、動力電池循環(huán)回路、電機(jī)冷卻循環(huán)回路等4個循環(huán)回路組成。熱泵空調(diào)循環(huán)回路中共有1個四通換向閥和5個電磁閥用于調(diào)節(jié)回路中制冷劑的循環(huán)路徑與方向，通過電動壓縮機(jī)調(diào)節(jié)回路中制冷劑流速。燃料電池回路和動力電池循環(huán)回路分別通過水泵1和水泵2調(diào)節(jié)回路中制冷劑流速。電機(jī)冷卻回路中有1個三通電磁閥用于調(diào)節(jié)回路中制冷劑的路徑，通過水泵3調(diào)節(jié)回路中制冷劑流速。熱泵空調(diào)循環(huán)回路與燃料電池循環(huán)回路、動力電池循環(huán)回路在熱泵換熱器中實(shí)現(xiàn)熱量交換；電機(jī)冷卻循環(huán)回路通過車內(nèi)換熱器與駕駛室實(shí)現(xiàn)熱量交換。由于電機(jī)只需要冷卻而不需要預(yù)熱，因此將電機(jī)冷卻循環(huán)回路單獨(dú)設(shè)置，不與熱泵空調(diào)循環(huán)回路進(jìn)行熱量交換。各循環(huán)回路通過調(diào)節(jié)冷卻劑流速達(dá)到溫度調(diào)節(jié)的目的。

圖1 燃料電池汽車整車熱管理系統(tǒng)原理示意圖

1．2 整車熱管理系統(tǒng)工作模式

整車熱管理系統(tǒng)的工作模式通過邏輯門限值控制策略進(jìn)行調(diào)節(jié)，采集實(shí)時環(huán)境溫度Tamb、駕駛室溫度Tcab、燃料電池溫度Tful、動力電池溫度Tpow、電機(jī)溫度Tm。邏輯門限值控制狀態(tài)的邏輯關(guān)系如圖2所示。

圖2 熱管理系統(tǒng)邏輯門限值邏輯關(guān)系框圖

根據(jù)邏輯門限值控制，整車熱管理系統(tǒng)分為以下具體工作模式：

模式1 駕駛室單冷：環(huán)境溫度Tamb＞20℃，駕駛室溫度Tcab＞25℃，燃料電池溫度80℃＞Tful＞70℃，動力電池溫度45℃ ＞Tpow＞18℃。四通換向閥轉(zhuǎn)至制冷位，開啟電磁閥5，關(guān)閉其余4個電池閥。

模式2 駕駛室制冷、電池組散熱：環(huán)境溫度Tamb＞20℃，駕駛室溫度Tcab＞25℃，燃料電池溫度Tful＞80℃，動力電池溫度Tpow＞45℃。四通換向閥轉(zhuǎn)至制冷位，開啟電磁閥2、4和5，關(guān)閉電磁閥1和3。

模式3 駕駛室制冷、電池組預(yù)熱：環(huán)境溫度Tamb＞20℃，駕駛室溫度Tcab＞25℃，燃料電池溫度Tful＜70℃，動力電池溫度Tpow＜18℃。四通換向閥轉(zhuǎn)至制冷位，開啟電磁閥1和3，關(guān)閉電磁閥2、4和5。

模式4 駕駛室單熱：環(huán)境溫度Tamb＜10℃，駕駛室溫度Tcab＜18℃，燃料電池溫度80℃＞Tful＞70℃，動力電池溫度45℃ ＞Tpow＞18℃。四通換向閥轉(zhuǎn)至制熱位，開啟電磁閥5，關(guān)閉其余4個電池閥。

模式5 駕駛室制熱、電池組預(yù)熱：環(huán)境溫度Tamb＜10℃，駕駛室溫度Tcab＜18℃，燃料電池溫度Tful＜70℃，動力電池溫度Tpow＜18℃。四通換向閥轉(zhuǎn)至制熱位，開啟電磁閥2、4和5，關(guān)閉電磁閥1和3。

模式6 駕駛室制熱、電池組散熱：環(huán)境溫度Tamb＜10℃，駕駛室溫度Tcab＜18℃，燃料電池溫度Tful＞80℃，動力電池溫度Tpow＞45℃。四通換向閥轉(zhuǎn)至制熱位，開啟電磁閥1和3，關(guān)閉電磁閥2、4和5。

模式7 電池組熱源除霜模式：環(huán)境溫度Tamb＜10℃，燃料電池溫度Tful＞80℃，動力電池溫度Tpow＞45℃，車外換熱器結(jié)霜。四通換向閥轉(zhuǎn)至制冷位，開啟電磁閥2和4，關(guān)閉電磁閥1、3和5。

模式8 駕駛室熱源除霜模式：環(huán)境溫度Tamb＜10℃，燃料電池溫度Tful＜70℃，動力電池溫度Tpow＜18℃，車外換熱器結(jié)霜。四通換向閥轉(zhuǎn)至制冷位，只開啟電磁閥5，關(guān)閉其余4個電磁閥。

模式9 電池組單獨(dú)熱管理、電池組單獨(dú)散熱：開啟電磁閥1和4，關(guān)閉電磁閥2、3和5。當(dāng)環(huán)境溫度20℃＞Tamb＞10℃，駕駛室不需制冷或制熱；燃料電池溫度Tful＞80℃，動力電池溫度Tpow＞45℃，進(jìn)入電池組散熱工況；燃料電池溫度Tful＜70℃，動力電池溫度Tpow＜18℃，進(jìn)入電池組預(yù)熱工況。

模式10 電機(jī)散熱模式：當(dāng)電機(jī)溫度Tm＞100℃，電機(jī)進(jìn)入散熱模式：當(dāng)環(huán)境溫度Tamb＜10℃，電機(jī)余熱利用，否則電機(jī)單獨(dú)散熱。

2 熱管理系統(tǒng)建模

根據(jù)整車熱管理方案，在AMESim軟件中建立基于熱泵空調(diào)的熱管理模型。AMESim模型主要包括熱泵空調(diào)模塊、燃料電池?zé)峁芾砟K、動力電池?zé)峁芾砟K、電機(jī)冷卻模塊和車輛模型等5部分。表1是某燃料電池重卡的主要設(shè)計參數(shù)。

表1 汽車整車設(shè)計參數(shù)

熱泵空調(diào)系統(tǒng)建模主要包括電動壓縮機(jī)、四通換向閥、車內(nèi)換熱器、車外換熱器、電子膨脹閥等部件的建模。電動壓縮機(jī)模型采用直流電機(jī)驅(qū)動壓縮機(jī)模型EMDPMDC01；壓縮機(jī)模型選用固定排量壓縮機(jī)模型ACCCOMP04；換熱器模型包括車外換熱器模型和車內(nèi)換熱器模型，車外換熱器類型為微通道平行流換熱器，車內(nèi)換熱器為U形管板翅式換熱器；膨脹節(jié)流模型選用雙流向膨脹節(jié)流模型TPFMGR00。燃料電池的電化學(xué)反應(yīng)具有非線性的特點(diǎn)，其機(jī)理模型復(fù)雜且計算時間較長。本文中建立燃料電池內(nèi)部等效電路模型，將能量損失等效為電阻，將因電荷聚集而產(chǎn)生的雙層電容效應(yīng)等效為電容。動力電池模型因電流、功率、荷電狀態(tài)（SOC）、內(nèi)阻、溫度等原因，呈現(xiàn)非線性影響。建立內(nèi)阻等效模型。永磁同步電機(jī)選用無阻尼永磁同步電機(jī)模型EMDPMSM01。整車熱管理系統(tǒng)在AMESim軟件中的模型如圖3所示。

圖3 整車集成式熱管理系統(tǒng)仿真模型示意圖

3 仿真分析

根據(jù)建立的燃料電池整車熱管理系統(tǒng)，結(jié)合SFTP－SC03運(yùn)行工況進(jìn)行系統(tǒng)仿真，考察整車熱管理系統(tǒng)在車輛運(yùn)行過程中的駕駛室制冷制熱效果、電池系統(tǒng)的預(yù)熱保溫效果等。驗(yàn)證整車熱管理系統(tǒng)的可行性與有效性。

3．1 仿真工況

采用所建立的燃料電池重卡整車熱管理系統(tǒng)模型，選用SFTP－SC03運(yùn)行工況作為車輛循環(huán)工況。在夏季制冷模式下，環(huán)境溫度分別設(shè)為28、30、32、34、36℃，駕駛室目標(biāo)溫度設(shè)為25℃；在冬季制熱模式下，環(huán)境溫度分別設(shè)為 －10、－5、0、5℃，駕駛室目標(biāo)溫度設(shè)為18℃。仿真時間為1個SFTP－SC03循環(huán)時間。設(shè)置環(huán)境溫度為－5、0、5、10℃，燃料電池和動力電池目標(biāo)溫度為70℃和30℃。

3．2 制冷工況結(jié)果分析

圖4所示為熱泵空調(diào)制冷的駕駛室實(shí)際溫度隨時間的變化曲線。從圖4可以看出：在28、30、32、34、36℃的環(huán)境溫度時，駕駛室溫度逐漸下降，駕駛室溫度穩(wěn)定在25℃時所需的時間分別為33、36、39、42、46 s。環(huán)境溫度越高，制冷所需的時間也越長。初始環(huán)境溫度較高時，駕駛室散熱需求量較大，所需冷負(fù)荷較大，駕駛室溫度達(dá)到穩(wěn)態(tài)所需時間較長。

圖4 不同環(huán)境溫度制冷工況下駕駛室溫度

圖5 所示為不同環(huán)境溫度、制冷工況下動力電池單獨(dú)為整車供能時電池SOC隨時間的變化曲線。從圖5可以看出：隨著環(huán)境溫度的上升，電池SOC的下降速率加快。不同溫度下，運(yùn)行仿真電池SOC值分別下降5．63%、6．19%、6．81%、7 49%、8．24%。隨著環(huán)境溫度的升高，運(yùn)行1個工況電池的SOC值下降越多，對應(yīng)消耗的電量越大。由于仿真中車輛運(yùn)行工況相同，車輛用于動力等方面的能耗相同，因此不同環(huán)境溫度對應(yīng)制冷耗電量與溫度差呈正相關(guān)。

圖5 制冷工況不同環(huán)境溫度下的電池SOC值

圖6 所示為不同環(huán)境溫度、制冷工況下燃料電池為整車供能時氫耗量隨時間的變化曲線。從圖6可以看出：隨著環(huán)境溫度的上升，氫耗量的上升速率加快。不同溫度下，運(yùn)行仿真電堆氫耗量分別為506．4、521．6、537．2、553．3、569．9 g。隨著環(huán)境溫度的升高，運(yùn)行1個工況燃料電池所需的電能增大，氫耗量也隨之增多。由于仿真中車輛運(yùn)行工況相同，車輛用于動力等方面的能耗相同，而不同環(huán)境溫度對應(yīng)制冷耗電量與溫度差呈正相關(guān)，因此不同環(huán)境溫度對應(yīng)制冷氫耗量與溫度差呈正相關(guān)。

圖6 制冷工況不同環(huán)境溫度下的氫耗量

3．3 制熱工況結(jié)果分析

圖7 所示為熱泵空調(diào)制熱的駕駛室實(shí)際溫度隨時間的變化曲線。從圖7可以看出：在－10、－5、0、5℃的環(huán)境溫度時，駕駛室溫度逐漸上升，駕駛室溫度穩(wěn)定在18℃時所需的時間分別為64、72、82、86 s。環(huán)境溫度越低，制冷所需的時間越長。初始環(huán)境溫度較低時，駕駛室制熱需求量較大，所需熱負(fù)荷較大，駕駛室溫度達(dá)到穩(wěn)態(tài)所需時間較長。

圖7 不同環(huán)境溫度制熱工況下駕駛室溫度

圖8 所示為不同環(huán)境溫度下，熱管理系統(tǒng)制熱工況下動力電池單獨(dú)為整車供能時電池SOC隨時間的變化曲線。從圖8可以看出：隨著環(huán)境溫度的下降，電池SOC的下降速率加快。不同溫度下，運(yùn)行仿真電池SOC值分別下降8．25%、9 06%、9 97%、10．96%。隨著環(huán)境溫度的下降，運(yùn)行1個工況電池的SOC值下降越多，對應(yīng)消耗的電量越大。由于仿真中車輛運(yùn)行工況相同，車輛用于動力等方面的能耗相同，因此不同環(huán)境溫度對應(yīng)制熱耗電量與溫度差呈正相關(guān)。

圖8 熱管理系統(tǒng)不同環(huán)境溫度下的制熱SOC

圖9 所示為不同環(huán)境溫度下，熱管理系統(tǒng)制熱工況下燃料電池為整車供能時氫耗量隨時間的變化曲線。從圖9可以看出：隨著環(huán)境溫度的下降，氫耗量的上升速率加快。不同溫度下，運(yùn)行仿真電 堆 氫 耗 量 分 別 為741．2、763．4、786．3、809．9 g。隨著環(huán)境溫度的下降，運(yùn)行1個工況燃料電池所需提供的電能增大，氫耗量也隨之增多。由于仿真中車輛運(yùn)行工況相同，車輛用于動力等方面的能耗相同，而不同環(huán)境溫度對應(yīng)制冷耗電量與溫度差呈正相關(guān)，因此不同環(huán)境溫度對應(yīng)制冷氫耗量與溫度差呈正相關(guān)。

圖9 熱管理系統(tǒng)不同環(huán)境溫度下的制熱氫耗量

圖10 所示為不同環(huán)境溫度下，使用PTC制熱工況下動力電池單獨(dú)為整車供能時電池SOC隨時間的變化曲線。從圖10可以看出：不同溫度下，運(yùn)行仿真電池SOC值分別下降9．57%、10．76%、11．96%、12．32%。圖11所示為不同環(huán)境溫度下，使用PTC制熱工況下燃料電池為整車供能時氫耗量隨時間的變化曲線。從圖10可以看出：不同溫度下，運(yùn)行仿真電堆氫耗量分別為880．6、902．3、926．3、947．6 g。

圖10 PTC不同環(huán)境溫度下的制熱SOC

圖11 PTC不同環(huán)境溫度下的制熱氫耗量

燃料電池汽車在使用熱管理系統(tǒng)和PTC制熱時，在相同制熱工況下，運(yùn)行1個SFTP－SC03運(yùn)行工況時的耗電量和氫耗量的仿真結(jié)果如表2所示。從表2可以看出，制熱工況下燃料電池汽車采用熱管理系統(tǒng)制熱所需的能耗均低于PTC制熱。

表2 制熱工況下能耗仿真結(jié)果

3．4 不同熱源制熱結(jié)果分析

圖12所示為不同環(huán)境溫度下，燃料電池預(yù)熱時溫度隨時間的變化曲線。從圖12可以看出：在－5、0、5、10℃的環(huán)境溫度時，燃料電池溫度逐漸上升，燃料電池溫度穩(wěn)定在70℃時所需的時間分別為4 635、4 527、4 413、4 287 s。由于環(huán)境溫度較低，空氣中的熱量相對較少，通過車外換熱器利用空氣熱源為燃料電池供熱，換熱器效率相對較低，導(dǎo)致燃料電池溫度上升緩慢。

圖12 燃料電池系統(tǒng)預(yù)熱溫度

圖13 所示為不同環(huán)境溫度下，動力電池預(yù)熱時溫度隨時間的變化曲線。從圖13可以看出：在－5、0、5、10℃的環(huán)境溫度時，動力電池溫度逐漸上升，動力電池溫度穩(wěn)定在30℃時所需的時間分別為1 734、1 623、1 494、1 341s。由于環(huán)境溫度較低，空氣中的熱量相對較少，通過車外換熱器利用空氣熱源為動力電池供熱時換熱器效率相對較低，導(dǎo)致動力電池溫度上升緩慢。

圖13 動力電池系統(tǒng)預(yù)熱溫度

圖14 所示為駕駛室制熱時采用燃料電池廢熱為熱源和空氣為熱源時，駕駛室溫度的變化曲線。從圖14可以看出：采用燃料電池廢熱為駕駛室制熱所需時間較空氣熱源短，制熱時間比空氣熱源的快415．7 s。燃料電池在穩(wěn)態(tài)時工作溫度在70～80℃，其廢熱溫度也在此溫度區(qū)間，而環(huán)境溫度為－5℃，兩者熱源溫差較大。熱泵空調(diào)在為其提供高溫?zé)嵩磿r，其制熱能效更高，制熱所需時間更短。

圖15所示為駕駛室采用熱管理系統(tǒng)以燃料電池廢熱、空氣為熱源以及PTC制熱時，燃料電池氫耗量的變化曲線。從圖15可以看出：采用燃料電池廢熱為駕駛室制熱所需的氫氣量最少，空氣熱源次之，PTC氫耗量最大，分別需要786．3、834 2、926．3 g。由于熱泵空調(diào)在以燃料電池廢熱為熱源時具有更高的制熱能效，提供相同的制熱量消耗較少的電能，因此燃料電池所消耗能氫能相對較少。

表3所示為采用熱管理系統(tǒng)以燃料電池廢熱、空氣為熱源以及PTC制熱時100 km氫耗量和續(xù)航里程。從表3可以看出：使用熱泵空調(diào)以燃料電池廢熱氫耗量較空氣熱源降低6．1%，較PTC降低17．8%；續(xù)航里程較空氣熱源提高5 6%，較PTC提高14．7%。

圖14 不同熱源下駕駛室溫度

圖15 不同熱源下制熱氫耗

表3 不同制熱方式的經(jīng)濟(jì)性參數(shù)

分析上述仿真結(jié)果發(fā)現(xiàn)，基于熱泵空調(diào)系統(tǒng)的整車熱管理系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)駕駛室、燃料電池、動力電池等溫度控制，滿足整車熱管理需求。同時，利用燃料電池廢熱作為駕駛室制熱源時，可以實(shí)現(xiàn)整車的熱量循環(huán)利用，提高駕駛室的溫升速度，降低制熱能耗，提高續(xù)航里程。

4 結(jié)論

1）設(shè)計了一種基于熱泵空調(diào)的整車熱管理系統(tǒng)。通過對系統(tǒng)的建模與仿真，得到了環(huán)境溫度對整車熱管理系統(tǒng)的駕駛室制冷制熱、燃料電池和動力電池預(yù)熱保溫效果影響的數(shù)據(jù)，以及不同熱源對駕駛室制熱效果及能耗影響的數(shù)據(jù)。

2）整車熱管理系統(tǒng)可以為駕駛室、燃料電池、動力電池提供良好的熱環(huán)境。在制熱模式下，采用燃料電池廢熱對駕駛室供熱，可以實(shí)現(xiàn)整車熱量循環(huán)利用，整車能耗較空氣熱源降低6．1%，較PTC降低17．8%；續(xù)航里程較空氣熱源提高5 6%，較PTC提高14．7%。表明基于熱泵空調(diào)的熱管理系統(tǒng)更加節(jié)能。