基于跨臨界CO2熱泵的氫燃料電池汽車整車熱管理系統(tǒng)

閆昱州 張仕珩 宋昱龍

(西安交通大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院 西安 710049)

自我國(guó)提出“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)以來,發(fā)展新能源汽車成為交通運(yùn)輸領(lǐng)域減少碳排放的主要途徑。氫燃料電池汽車通過使用氫能代替?zhèn)鹘y(tǒng)的化石能源,達(dá)到零排放零污染。但氫燃料電池汽車的工作效率仍具有極大的提升空間,美國(guó)國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室的J. P.Rugh[1]指出,開啟空調(diào)的情況下純電動(dòng)汽車的行駛里程會(huì)下降18%～30%;A.Yokoyama等[2]指出在冬季空調(diào)制熱工況下,空調(diào)制熱所需能耗幾乎相當(dāng)于總能耗的1/3。與此同時(shí)自《<蒙特利爾議定書>基加利修正案》簽訂以來,傳統(tǒng)汽車熱管理系統(tǒng)所采用的氟利昂類制冷劑,都將因?yàn)镚WP(全球變暖潛值,Global Warming Potential)和ODP(臭氧損耗潛值,ozone depletion potential)指數(shù)較高而面臨淘汰。

C. Kowsky等[3]提出建立一個(gè)整體的熱泵空調(diào)系統(tǒng),利用熱泵為乘員艙供熱,能耗下降顯著。包括T. Suzuki等[4]在內(nèi)的眾多學(xué)者分別驗(yàn)證了以R134a、R410A、R32、R407C為工質(zhì)的熱泵空調(diào)對(duì)于性能提高的影響。馬一太等[8]指出CO2具有優(yōu)良的熱力特性和循環(huán)特性。王從飛等[9]指出CO2制冷劑憑借優(yōu)異的環(huán)保效應(yīng)、寬工況適應(yīng)性及與車輛系統(tǒng)的兼容性,近些年被廣泛地推向新能源汽車、客車、軌道交通等領(lǐng)域。王丹東等[10]研發(fā)了一套CO2跨臨界車用熱泵空調(diào)系統(tǒng),克服了CO2車用熱泵空調(diào)系統(tǒng)高壓和高排氣溫度的難題。

現(xiàn)有的燃料電池汽車乘員艙、電池和電機(jī)的熱管理系統(tǒng)分別獨(dú)立進(jìn)行,且未充分利用電池余熱,使整車效率較低,能耗較大[11]。在現(xiàn)有的新能源汽車中仍然采用傳統(tǒng)氟利昂類制冷劑,冬季工作時(shí)制熱能力較差,且對(duì)環(huán)境的破壞嚴(yán)重。此外,對(duì)于氫燃料電池的預(yù)熱,大部分使用PTC加熱為主的方式[12],極大地增加了能耗。本研究中,應(yīng)用基于跨臨界CO2循環(huán)技術(shù)的CO2熱泵,實(shí)現(xiàn)了更強(qiáng)的低溫制熱能力,相對(duì)于傳統(tǒng)制冷劑更加綠色環(huán)保,有助于緩解電動(dòng)汽車的冬季“里程焦慮”。本文應(yīng)用AMESim系統(tǒng)仿真平臺(tái)對(duì)氫燃料電池汽車整車熱管理系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)模擬,通過各子系統(tǒng)之間的協(xié)同控制,提高熱量利用效率,實(shí)現(xiàn)能量的協(xié)同管理,對(duì)于電動(dòng)汽車的安全性、經(jīng)濟(jì)性和提高續(xù)航里程具有重要意義。

1 熱管理系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文基于一款氫燃料電池汽車進(jìn)行仿真模擬,該車以質(zhì)子交換膜氫燃料電池(proton exchange membrane fuel cell,PEMFC)作為主要?jiǎng)恿碓?并輔以動(dòng)力電池以保證動(dòng)力穩(wěn)定,由于氫燃料電池運(yùn)行溫度高、散熱量大,熱管理需求遠(yuǎn)比動(dòng)力電池及電機(jī)嚴(yán)格,為簡(jiǎn)化模型,本研究?jī)H考慮對(duì)氫燃料電池的熱管理工作。根據(jù)實(shí)際情況與實(shí)驗(yàn)要求,將該車熱管理系統(tǒng)進(jìn)行簡(jiǎn)化分析,熱管理系統(tǒng)原理簡(jiǎn)化框圖如圖1所示。

圖1 熱管理系統(tǒng)原理

1.2 系統(tǒng)原理設(shè)計(jì)

在動(dòng)力控制模塊中,根據(jù)給定車速工況,并結(jié)合車輛行駛環(huán)境(如空氣阻力、路面摩擦阻力等),使用ECU(electronic control unit)對(duì)氫燃料電池、動(dòng)力電池及電機(jī)進(jìn)行控制,使其輸出汽車正常行駛所需功率,并根據(jù)運(yùn)行功率計(jì)算出電池產(chǎn)熱量、電池剩余電量(state of charge,SOC)、氫燃料電池耗氫量等。

綜合分析整車熱管理需求,采取對(duì)乘員艙進(jìn)行直接式熱管理,對(duì)燃料電池進(jìn)行間接式熱管理的一體化熱管理方式。在關(guān)鍵點(diǎn)位處布置溫度傳感器,測(cè)定如電池溫度、乘員艙溫度等重要數(shù)據(jù),并將其作為輸入變量,通過PID等控制方法,在多種控制單元綜合作用下進(jìn)行整車熱管理控制。

對(duì)乘員艙的制冷、制熱由CO2熱泵系統(tǒng)實(shí)現(xiàn),并通過PID控制氣閥的開閉,使乘員艙內(nèi)溫度達(dá)到人體舒適范圍。

由于氫燃料電池的理想工作溫度相對(duì)較高,預(yù)熱或散熱要求較嚴(yán)格,因此聯(lián)合CO2熱泵對(duì)其進(jìn)行熱管理。氫燃料電池在低溫時(shí)冷啟動(dòng)會(huì)對(duì)電池的壽命造成較大影響,可能導(dǎo)致電池組出現(xiàn)故障[12],所以必須對(duì)電池進(jìn)行預(yù)熱,使其快速達(dá)到適宜工作溫度。故使用板式換熱器與熱泵氣體冷卻器并聯(lián)的方式,將所需熱量通過50%乙二醇冷卻液從CO2回路導(dǎo)向氫燃料電池,使電池在較短時(shí)間內(nèi)升至理想溫度。在散熱過程,氫燃料電池在工作時(shí)發(fā)熱量較大,采用板式換熱器與熱泵蒸發(fā)器并聯(lián)的方式,將熱量從電池引回CO2回路,并且可利用該部分熱量對(duì)乘員艙進(jìn)行制熱,完成余熱回收。

下面結(jié)合兩種典型工況下熱管理系統(tǒng)的運(yùn)行方式進(jìn)行詳細(xì)介紹。

在夏季環(huán)境溫度較高時(shí),車輛啟動(dòng)階段會(huì)遇到乘員艙需制冷、燃料電池需預(yù)熱的情況。此時(shí)熱管理系統(tǒng)具體運(yùn)行方式如圖2(a)所示:首先開啟CO2熱泵,從蒸發(fā)器中輸出冷的濕空氣,為乘員艙進(jìn)行制冷;同時(shí)開啟閥 1與閥 2,且使電池預(yù)熱回路的泵1開始工作,將熱量由熱泵循環(huán)交換至乙二醇溶液回路,對(duì)電池進(jìn)行預(yù)熱。該工況下閥 3與閥 4僅開啟熱泵回路中的兩個(gè)開口,即關(guān)閉電池冷卻回路。

圖2 兩種典型工況下的熱管理系統(tǒng)運(yùn)行方式

在冬季環(huán)境溫度較低,且汽車處于高速行駛的情況下,需對(duì)乘員艙進(jìn)行制熱,對(duì)燃料電池進(jìn)行冷卻。此時(shí)熱管理系統(tǒng)具體運(yùn)行方式如圖2(b)所示:CO2熱泵處于開啟狀態(tài),將氣體冷卻器中輸出的熱的濕空氣送入乘員艙,為乘員艙制熱;同時(shí)開啟閥 3與閥 4,且使電池冷卻回路的泵2開始工作,將電池的熱量經(jīng)由乙二醇冷卻液回路交換至CO2回路,利用熱泵進(jìn)行散熱,此外可通過熱泵循環(huán)將一部分熱量為乘員艙制熱,完成余熱利用。該工況下閥 1與閥 2僅開啟熱泵回路中的兩個(gè)開口,即關(guān)閉電池預(yù)熱回路。

2 基于AMESim軟件的熱管理系統(tǒng)建模

氫燃料電池汽車的參數(shù)[13]設(shè)定如表1所示。

表1 整車參數(shù)

在氫燃料電池汽車中主要的熱量來源為:燃料電池產(chǎn)熱、電機(jī)產(chǎn)熱和乘員艙產(chǎn)熱,計(jì)算式如下:

Qtotal=Qb+Qc

(1)

式中:Qtotal為總熱負(fù)荷,W;Qb為電池、電機(jī)產(chǎn)生的熱量,W;Qc為乘員艙產(chǎn)生熱量,W。

由于氫燃料電池的產(chǎn)熱較大,相比于電池產(chǎn)熱,電機(jī)產(chǎn)熱較少,為簡(jiǎn)化計(jì)算,僅計(jì)算電池產(chǎn)熱,其熱量約等于電堆內(nèi)部產(chǎn)生的總能量減去電池輸出的電能[14]。氫燃料電池相關(guān)參數(shù)[13]如表2所示。

表2 燃料電池系統(tǒng)參數(shù)

電池產(chǎn)熱量:

Qb=(V0-Vcell)IcellN

(2)

Icell=iA

(3)

式中:Qb為電池產(chǎn)生熱量,W;V0為單片電池參考電壓,V;Vcell為單片電池即時(shí)電壓,V;Icell為系統(tǒng)即時(shí)電流,A;N為電堆總片數(shù);i為單位活化面積電流,A/m2;A為電堆活化面積,m2。

乘員艙熱負(fù)荷的計(jì)算式:

Qc,heating=QA+Qw-Qp-Qs-Qe

(4)

Qc,cooling=QA+Qw+Qp+Qs+Qe

(5)

式中:Qc為乘員艙熱負(fù)荷,W;QA為室外空氣帶入的熱量,W;Qw為車身圍板結(jié)構(gòu)與外界熱交換產(chǎn)生的熱量,W;Qp為乘客自身散發(fā)的熱量,W;Qs為太陽(yáng)輻射熱量,W;Qe為車內(nèi)設(shè)備熱負(fù)荷,W。

根據(jù)產(chǎn)生的熱量可以計(jì)算所需的制冷劑流量:

V=Qtotal/[cp(Tout-Tin)]

(6)

式中:V為冷卻液流量,kg/s;Qtotal為總熱負(fù)荷,W;cp為冷卻液定壓比熱,kJ/(kg·K);Tout為冷卻液出口溫度,K;Tin為冷卻液進(jìn)口溫度,K。

本研究通過綜合考慮各部分的熱管理需求,結(jié)合整車參數(shù),構(gòu)建系統(tǒng)模型。在AMESim軟件中,將各模塊進(jìn)行一體化設(shè)計(jì),建立整車熱管理系統(tǒng)如圖3所示,并合理設(shè)置相應(yīng)參數(shù)。

圖3 氫燃料電池汽車熱管理系統(tǒng)AMESim仿真模型

3 結(jié)果分析

根據(jù)所搭建的氫燃料電池整車熱管理系統(tǒng)模型,進(jìn)行系統(tǒng)的模擬運(yùn)行。采用NEDC(new European driving cycle)工況[15]作為車輛運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)工況,測(cè)試熱管理系統(tǒng)在一個(gè)NEDC工況下的運(yùn)行情況,并分別測(cè)試系統(tǒng)在夏季、冬季等多種環(huán)境下的表現(xiàn),測(cè)試電池預(yù)熱模式下該系統(tǒng)與傳統(tǒng)PTC加熱的能耗差異,驗(yàn)證該熱管理系統(tǒng)的可行性。

3.1 綜合仿真工況

將乘員艙目標(biāo)溫度設(shè)置為24 ℃,氫燃料電池溫度設(shè)置為70 ℃;夏季工況下環(huán)境溫度分別設(shè)置為30、35、40 ℃,冬季工況下環(huán)境溫度分別設(shè)置為-5、0、5 ℃,以確保該模擬結(jié)果的有效性。將仿真時(shí)間設(shè)置為一個(gè)NEDC工況時(shí)間,總運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)為800 s(圖4),步長(zhǎng)為1 s。

圖4 NEDC工況車速

對(duì)于燃料電池,其產(chǎn)生的能量主要供應(yīng)以下幾個(gè)部分:

1)為汽車的運(yùn)行提供動(dòng)力,為動(dòng)力電池供電,克服汽車運(yùn)行時(shí)的滾動(dòng)阻力和風(fēng)阻;

2)為熱泵模塊中壓縮機(jī)和各部分中的泵供能,為壓縮機(jī)供能以起到制熱或制冷效果,為泵供能以維持制冷劑的正常流動(dòng);

3)為電控制模塊供能,該部分主要包括車輛的電子控制系統(tǒng),考慮到其相對(duì)于其他部分所需能量較少,出于簡(jiǎn)化計(jì)算考慮,將該部分能量消耗忽略不計(jì);

4)以熱量形式被制冷劑即水乙二醇溶液吸收,或以空氣形式排出。

進(jìn)行分析時(shí),出于簡(jiǎn)化計(jì)算考慮,將車輛電控系統(tǒng)的能耗忽略,認(rèn)為泵和壓縮機(jī)在工作時(shí)轉(zhuǎn)速一定,功率為定值,因此只需對(duì)燃料電池產(chǎn)熱進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析。

在該工況下,氫燃料電池的發(fā)熱量如圖5所示,為簡(jiǎn)化模型,認(rèn)為該發(fā)熱量不隨外界環(huán)境因素變化。

圖5 燃料電池發(fā)熱量

3.1.1 夏季工況

在夏季工況下,起步階段乘員艙溫度較高,需要CO2熱泵對(duì)其進(jìn)行制冷。在40、35、30 ℃的環(huán)境溫度下,考慮到夏季太陽(yáng)輻射較強(qiáng),在車輛長(zhǎng)時(shí)間停放于室外條件下,車內(nèi)空氣溫度較高,通過經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算車內(nèi)溫度:

Tin=kTout

(7)

式中:Tin為車內(nèi)溫度,℃;Tout為環(huán)境溫度,℃;k為修正系數(shù),根據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)[16],取值為1.6。

根據(jù)計(jì)算,乘員艙內(nèi)部溫度分別達(dá)到64、56、48 ℃。夏季3個(gè)工況下,整車相關(guān)初始參數(shù)對(duì)照如表3所示。

表3 夏季不同工況初始參數(shù)

夏季工況下乘員艙溫度變化如圖6所示。由圖6可知,對(duì)乘員艙制冷50～80 s后,可將溫度穩(wěn)定在24 ℃。初始環(huán)境溫度越高,乘員艙熱管理需求越大,制冷所需時(shí)間越長(zhǎng)。但即使在外界環(huán)境溫度為40 ℃的炎熱條件下,仍可在100 s內(nèi)將車內(nèi)溫度降至目標(biāo)溫度。可以認(rèn)為,在大部分夏季條件下,該系統(tǒng)均可使車內(nèi)溫度迅速控制至適宜的車內(nèi)溫度,且車內(nèi)溫度波動(dòng)幅度較小。

圖6 夏季工況下乘員艙及燃料電池溫度

由于氫燃料電池理想工作溫度較高,一般其正常運(yùn)行適宜溫度應(yīng)控制在60～80 ℃[17],因此在夏季工況下仍需對(duì)其進(jìn)行一定的預(yù)熱處理。

假定電池初始溫度與環(huán)境溫度相同,即分別對(duì)應(yīng)40、35、30 ℃,模擬結(jié)果如圖6所示。經(jīng)分析,夏季工況下電池達(dá)到目標(biāo)溫度所需平均時(shí)間約為250 s,且初始環(huán)境溫度越高,達(dá)到目標(biāo)溫度時(shí)間越短。在約730 s時(shí)溫度有相對(duì)較大波動(dòng),原因?yàn)樵摃r(shí)間車輛迅速加速至120 km/h,此時(shí)對(duì)應(yīng)的車速最大,導(dǎo)致整體能耗上升,使燃料電池發(fā)熱量較大。在該狀態(tài)下最高溫度仍低于80 ℃,處于燃料電池的適宜工作溫度區(qū)間,且燃料電池能夠在熱管理系統(tǒng)的控制下持續(xù)工作在理想溫度區(qū)間,在車輛轉(zhuǎn)為勻速運(yùn)行后迅速降溫至70 ℃。

圖7所示為夏季工況下氫燃料電池的耗氫量隨時(shí)間的變化。在40、35、30 ℃下,耗氫量分別為126.8、121.6、117.3 g。由此可知,耗氫量隨環(huán)境溫度的升高而增加,因?yàn)榄h(huán)境溫度越高,乘員艙所需制冷量越大。

圖7 夏季工況下燃料電池耗氫量

3.1.2 冬季工況

對(duì)于冬季工況,由于冬季太陽(yáng)輻射較弱,相比于夏季,可以忽略長(zhǎng)時(shí)間停放在室外對(duì)車輛內(nèi)部溫度的影響,認(rèn)為車輛內(nèi)外的溫度相同。

由此可得冬季車輛初始參數(shù),如表4所示。

表4 冬季不同工況初始參數(shù)

表5 CO2熱泵臺(tái)架實(shí)驗(yàn)與仿真結(jié)果對(duì)比

在冬季工況下,初始階段乘員艙溫度較低,為保證乘員艙舒適性,在電池安全運(yùn)行的前提下,優(yōu)先對(duì)乘員艙進(jìn)行制熱。

模擬運(yùn)行所得溫度變化如圖8所示,CO2熱泵可迅速對(duì)乘員艙進(jìn)行制熱,在運(yùn)行的3種工況下,均能夠在100 s內(nèi)將乘員艙制熱至24 ℃,并能夠保持溫度穩(wěn)定。分析可知,初始環(huán)境溫度越低,乘員艙熱管理需求越大,制熱所需時(shí)間越長(zhǎng),但均可保證其在較短時(shí)間內(nèi)達(dá)到目標(biāo)溫度。并且隨著車速的變化,車內(nèi)溫度并不會(huì)出現(xiàn)明顯波動(dòng)。

圖8 冬季工況下乘員艙及燃料電池溫度

考慮到冬季工況下燃料電池的初始溫度極低,電池的預(yù)熱至關(guān)重要。環(huán)境溫度越低,所需預(yù)熱時(shí)間越長(zhǎng)。

冬季工況下燃料電池的溫度變化如圖8所示。在環(huán)境溫度為0 ℃的情況下,需要約600 s使電池達(dá)到理想溫度。

溫度曲線斜率逐漸增加的原因是隨著車輛開始運(yùn)行,燃料電池也會(huì)開始產(chǎn)生熱量,此時(shí)配合CO2熱泵產(chǎn)生的熱量會(huì)加速電池的預(yù)熱。相關(guān)文獻(xiàn)指出[18],目前燃料電池汽車完全預(yù)熱至最佳工作溫度時(shí)間約為4 800 s。相比之下,本文設(shè)計(jì)的熱管理系統(tǒng)相比于傳統(tǒng)的預(yù)熱方式具有顯著優(yōu)勢(shì),可以極大地減少預(yù)熱時(shí)間,提高效率。

當(dāng)電池溫度達(dá)到設(shè)定溫度時(shí),由圖8可知,電池溫度能夠較好地穩(wěn)定在適宜工作溫度區(qū)間,由于燃料電池的功率與夏季運(yùn)行工況相同,所以在溫度達(dá)到設(shè)定溫度后,其曲線變化趨勢(shì)也與夏季工況相似,且均能使氫燃料電池的溫度穩(wěn)定在合理運(yùn)行區(qū)間。

圖9所示為冬季工況下燃料電池耗氫量,分析圖像可知,冬季工況下燃料電池的耗氫量比夏季工況更高,約為136.5 g。

圖9 冬季工況下燃料電池耗氫量

這是由于冬季工況環(huán)境溫度低,需要對(duì)電池進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的預(yù)熱,這需要耗費(fèi)更多能量,且車艙與外界的平均溫差更大,散熱量更大,使車輛的熱管理需求增加,進(jìn)而導(dǎo)致出現(xiàn)更大的耗氫量。

3.2 熱管理系統(tǒng)與傳統(tǒng)PTC加熱方式對(duì)比

傳統(tǒng)新能源汽車在低溫條件下多采用PTC對(duì)乘員艙進(jìn)行制熱,且在對(duì)電池預(yù)熱時(shí)也采用PTC進(jìn)行加熱,效率較低。本系統(tǒng)以熱泵空調(diào)為核心,在嚴(yán)寒工況下同時(shí)對(duì)乘員艙與燃料電池進(jìn)行加熱,進(jìn)行一體化熱管理。

CO2熱泵與傳統(tǒng)PTC對(duì)乘員艙制熱及對(duì)燃料電池預(yù)熱的對(duì)比如圖10所示。

圖10 熱管理系統(tǒng)與PTC對(duì)乘員艙制熱及對(duì)電池預(yù)熱效果對(duì)比

以冬季環(huán)境溫度-5 ℃為例,通過CO2熱泵,可快速將乘員艙溫度制熱至理想溫度,相比于僅用PTC進(jìn)行制熱的方式,節(jié)省了約300 s的時(shí)間,保證乘員艙在嚴(yán)寒環(huán)境下的舒適性。

此外,CO2熱泵對(duì)電池預(yù)熱時(shí)間可以比PTC預(yù)熱減少約200 s,說明該熱管理系統(tǒng)加熱效率更高,可大幅加快電池達(dá)到最佳工作溫度的速度。

使用熱泵制熱與使用PTC制熱的綜合氫耗量對(duì)比如圖11所示。由圖11可知,在PTC加熱工況下,溫度達(dá)到燃料電池目標(biāo)溫度時(shí),電池部分停止加熱,開始散熱,乘員艙繼續(xù)加熱,此時(shí)對(duì)應(yīng)時(shí)間約為730 s。

圖11 熱管理系統(tǒng)與PTC制熱耗氫量對(duì)比

對(duì)比此時(shí)兩者耗氫量可知,其差值約為45 g,即使用CO2熱泵制熱比只使用PTC加熱,在相同目標(biāo)溫度的情況下,PTC多消耗的燃料可達(dá)30%以上。

這也證明通過使用基于CO2熱泵的熱管理系統(tǒng)可以極大減少氫燃料電池汽車在冬季的能耗,證明了本文設(shè)計(jì)的熱管理系統(tǒng)的可行性和優(yōu)越性。

3.3 熱管理系統(tǒng)仿真結(jié)果與臺(tái)架實(shí)驗(yàn)對(duì)比

為驗(yàn)證本系統(tǒng)的合理性,將熱管理系統(tǒng)中的CO2熱泵模組與武悅等[19]在臺(tái)架實(shí)驗(yàn)中得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比,將系統(tǒng)各項(xiàng)參數(shù)設(shè)置為與臺(tái)架實(shí)驗(yàn)相同,分別在與臺(tái)架實(shí)驗(yàn)外部環(huán)境相同的溫度下進(jìn)行仿真,得到結(jié)果如表4所示。

由于仿真與臺(tái)架實(shí)驗(yàn)采用的設(shè)備存在一定的差異,兩者結(jié)果之間存在一定的誤差,但誤差基本控制在10%以內(nèi),證明CO2熱泵可以滿足實(shí)際運(yùn)作中的各項(xiàng)需求。

同理,將燃料電池模組與朱高輝等[20]進(jìn)行的臺(tái)架實(shí)驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,在電堆不同的輸出功率下,將仿真得到的電堆出水溫度與臺(tái)架實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,結(jié)果如圖12所示。

圖12 電堆溫度仿真結(jié)果與臺(tái)架實(shí)驗(yàn)對(duì)比結(jié)果

根據(jù)對(duì)比結(jié)果,本系統(tǒng)燃料電池模組仿真結(jié)果與臺(tái)架實(shí)驗(yàn)得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的相對(duì)誤差均在10%以內(nèi),進(jìn)一步證明了仿真結(jié)果的有效性。

4 結(jié)論

本文針對(duì)氫燃料電池汽車,應(yīng)用CO2熱泵設(shè)計(jì)了一套熱管理系統(tǒng),并對(duì)其進(jìn)行了模擬仿真,得到如下結(jié)論:

1)以氫燃料電池汽車為研究對(duì)象,運(yùn)用專業(yè)工程建模軟件AMESim,搭建了一套將動(dòng)力控制模塊、CO2熱泵模塊、燃料電池預(yù)熱與冷卻模塊、乘員艙模塊一體化的熱管理系統(tǒng),通過設(shè)計(jì)控制邏輯,合理的調(diào)配整車熱量,實(shí)現(xiàn)了熱量的再利用及冷量的多級(jí)利用。

2)以NEDC工況為運(yùn)行工況進(jìn)行模擬仿真,通過模擬夏季和冬季環(huán)境,獲取并分析了燃料電池溫度、乘員艙溫度和氫氣消耗量等變量的變化,驗(yàn)證了該熱管理系統(tǒng)的可靠性,并說明該系統(tǒng)具有高效節(jié)能的特點(diǎn)。

3)通過對(duì)比嚴(yán)寒條件下所設(shè)計(jì)熱管理系統(tǒng)與傳統(tǒng)PTC加熱方式,發(fā)現(xiàn)該熱管理系統(tǒng)可極大減少能耗,對(duì)于提高氫燃料電池汽車整車運(yùn)行效率具有極大推動(dòng)作用。

4)熱管理系統(tǒng)以CO2作為主要工質(zhì),實(shí)現(xiàn)了對(duì)傳統(tǒng)工質(zhì)的替代,對(duì)于淘汰傳統(tǒng)氟利昂制冷劑,防止臭氧層破壞和溫室效應(yīng)具有重要意義。