燃料電池汽車熱管理系統(tǒng)及策略分析

王國卓 吳守冰 吳詩雨 王志軍 郭婷

摘 要：燃料電池汽車的高效、穩(wěn)定運行需要合適的工作溫度，因此熱管理系統(tǒng)對于燃料電池汽車具有至關重要的作用。本文分析了燃料電池汽車熱量產(chǎn)生的原理、熱管理系統(tǒng)的組成以及燃料電池電堆的降溫方法，介紹了不同熱管理策略的優(yōu)缺點。對于不同類型的燃料電池汽車，應該根據(jù)其常見的行駛工況來選擇合適的熱管理系統(tǒng)和策略。

關鍵詞：燃料電池汽車 熱管理系統(tǒng) 熱管理策略

1 引言

近年來燃料電池汽車由于其綠色環(huán)保、無“續(xù)駛里程焦慮”等方面的優(yōu)點得到了越來越多的關注與應用，國家部委以及地方政府出臺了一系列政策來支持燃料電池汽車的示范運行。作為燃料電池汽車的能量源，燃料電池電堆直接決定了車輛的整體性能。由于燃料電池電堆的正常工作范圍在60～80℃之間，溫度過高或過低都會影響電堆的輸出性能，因此開發(fā)高效、穩(wěn)定的燃料電池汽車熱管理系統(tǒng)，是燃料電池汽車開發(fā)過程中的重要一環(huán)，對于提高燃料電池汽車動力性、經(jīng)濟性和環(huán)境適應性有著極為重要的作用。

2 燃料電池汽車熱管理系統(tǒng)

2.1 燃料電池汽車組成

燃料電池汽車是以燃料電池電堆為主要能量源的汽車，除了純?nèi)剂想姵仳?qū)動的燃料電池汽車，也有燃料電池與輔助動力電池或超級電容聯(lián)合驅(qū)動的燃料電池汽車，目前應用較為廣泛的是以燃料電池作為主電源，搭配輔助動力電池聯(lián)合驅(qū)動的方式。燃料電池汽車的主要組成包括燃料電池電堆、車載氫系統(tǒng)（包括高壓氫瓶、氫氣管路、氫氣訓話泵和相關的閥門、接頭等部件）、輔助電源、DC/DC變換器、驅(qū)動電機、整車控制器等，其中燃料電池電堆是由多個單體燃料電池串聯(lián)而成，每個單體燃料電池包括質(zhì)子交換膜、催化層、氣體擴散層、雙極板等。燃料電池電堆產(chǎn)生的電能通過DC/DC升壓后帶動驅(qū)動電機轉(zhuǎn)動，同時為輔助電源（動力電池）充電；當輔助電源的SOC較高時，燃料電池電堆停止工作，由輔助電源為驅(qū)動電機供電。

2.2 燃料電池電堆熱量來源

作為燃料電池的核心組成部分，研究表明質(zhì)子交換膜在60～80℃之間的反應活性最大，因此燃料電池電堆需要在合適的溫度下工作，溫度過高會使電池內(nèi)部的液態(tài)水蒸發(fā)，導致質(zhì)子交換膜脫水而降低活性，甚至影響電堆的壽命；溫度過低可能會造成電堆內(nèi)部的液態(tài)水結(jié)冰，堵塞電堆內(nèi)的氣體反應流道，從而使電堆不能正常工作[1]。因此燃料電池汽車需要一套熱管理系統(tǒng)，來使電堆的溫度穩(wěn)定在合適的范圍內(nèi)。

燃料電池的工作原理是利用氫氣和氧氣進行電化學反應而產(chǎn)生電能，在此過程中由于反應的熵變、電化學反應的不可逆熱、歐姆電阻以及水蒸氣冷凝釋放的潛熱等因素都會導致燃料電池溫度的升高。一般來說，燃料電池電堆工作產(chǎn)生的熱量為：

（1）

式中，Qgen為電堆反應產(chǎn)生的熱量；Ucell為電堆的電壓；I為電堆的電流；ncell為電堆內(nèi)單體電池的數(shù)量。

由于電堆熱量的80%都來自于熵變和反應熱，因此對于這部分熱量的管理能夠有效地控制電堆內(nèi)部的溫度，保證電堆的正常工作。

2.3 燃料電池汽車熱管理系統(tǒng)組成

燃料電池汽車熱管理系統(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)部關鍵零部件以及管路，根據(jù)車輛零部件的工作溫度，又可以將冷卻系統(tǒng)分為高溫冷卻系統(tǒng)和低溫冷卻系統(tǒng)。高溫冷卻系統(tǒng)主要作用于電堆和中間冷卻器，又被稱為電堆冷卻系統(tǒng)；低溫冷卻系統(tǒng)主要用于電動機、空氣壓縮機、動力控制單元等部件的冷卻。冷卻系統(tǒng)的主要組成部分有各個熱源的內(nèi)部散熱器、冷卻液循環(huán)泵、外部散熱器等，通過泵帶動冷卻液在冷卻系統(tǒng)的管路內(nèi)循環(huán)流動，將各個熱源的熱量帶出[2-3]。

由于不同零部件的工作條件和產(chǎn)熱能力不同，根據(jù)不同零部件的散熱需求，可以將散熱器劃分為以下幾類：

（1）PCE散熱器。PCE散熱器主要是通過風冷的方式為電池的冷卻水散熱，由于其對流換熱系數(shù)通常小于水冷的方式，并且換熱量受環(huán)境溫度的影響比較大，因此當電池的發(fā)熱量增大或者環(huán)境溫度升高時，可能會不能夠滿足散熱需求，需要設計換熱效率更高的散熱器以滿足不同行駛工況時的散熱需求[4]。

（2）PCU散熱器。車輛的PCU集成了各個高壓模塊的控制系統(tǒng)，組成部件復雜，因此其散熱需求較大，在設計PCU散熱器的形式時，要考慮布置方式、位置等多種因素的影響。

（3）高壓風扇。燃料電池汽車的高壓風扇一般采用車載燃料電池堆直接供電，這樣可以平衡車輛的能量流，另外由于高壓風扇的風量一般較大，可以為大部分的散熱器提供新風，因此在燃料電池汽車的冷卻系統(tǒng)中得到廣泛的應用。

2.4 燃料電池汽車熱管理系統(tǒng)面臨的問題

燃料電池汽車由于所包含的關鍵零部件較多，因此結(jié)構(gòu)較為復雜，這給燃料電池汽車的熱管理系統(tǒng)帶來了一些問題，有以下幾個方面：

（1）燃料電池電堆的熱負荷較大，不同工況下的熱負荷變化較大。燃料電池汽車絕大部分熱量來自于燃料電池電堆，然而跟傳統(tǒng)內(nèi)燃機不同的是，燃料電池電堆是通過冷卻液散熱，再通過外部散熱器將冷卻液的熱量散出，電堆并不會跟環(huán)境空氣進行換熱，因此燃料電池電堆的散熱負荷大約是內(nèi)燃機的2.5～3倍。另外由公式（1）可以看出燃料電池電堆的發(fā)熱量會隨著輸出電壓和電流的變化而變化，當車輛在實際道路上行駛時，電壓和電流必然會隨著車速、電機扭矩的不同而發(fā)生變化，并且發(fā)熱量的隨著工況的變化規(guī)律目前還沒有明確的研究結(jié)論，這也為燃料電池汽車的熱管理帶來了困難。

（2）燃料電池電堆的溫度控制要求較高。燃料電池電堆的穩(wěn)定工作溫度為60～80℃，并且需要電堆內(nèi)部溫度場分布均勻，因此對熱管理系統(tǒng)的溫度控制能力提出了較高的要求。然而電堆與外界的溫差小，會導致電堆與外界的換熱能力受到限制。

（3）機艙空間小，換熱空間受限。相比于普通燃油車，燃料電池汽車所需零部件較多且大部分都位于發(fā)動機艙內(nèi)，多個工作模塊均會作為發(fā)熱單元，增大了散熱器的熱負荷，且不同的模塊對工作溫度的需求以及散熱方式也可能不同，這樣極大的增加了熱管理的難度。

3 燃料電池汽車熱管理策略

3.1 燃料電池電堆冷卻

基于燃料電池電堆工作的特點，對電堆有以下幾種冷卻方式：

（1）空氣冷卻。電堆反應產(chǎn)生的熱量通過電堆表面的散熱器或者陰極流通的空氣被帶出，是最簡單的一種冷卻方法[5]，但是由于空氣的換熱能力有限，此種方式通常僅適用于低于5 kW的電堆。為了提高換熱效率，通常會針對電堆的流場板或者冷卻端板形式進行設計，比如使用金屬泡沫多孔流場等。

（2）液體制冷劑冷卻。顧名思義，液體制冷劑冷卻就是利用液態(tài)的制冷劑對燃料電池電堆進行冷卻。常用的液體冷卻系統(tǒng)采用乙二醇或水做冷卻液，為了提高換熱能力，目前一些研究人員也使用納米流體作為冷卻液。與空氣冷卻方式相比，液體制冷劑冷卻具有流體流速低、換熱系數(shù)高等優(yōu)點，適用于大功率的燃料電池電堆。

（3）相變冷卻。相變冷卻類似于液體制冷劑冷卻，不過是利用制冷劑在汽化過程中吸收的潛熱來實現(xiàn)降溫，這種換熱方式能夠在制冷劑升高相同溫度的情況下帶走更多的熱量，汽車中常見的相變冷卻方式有熱管冷卻和蒸發(fā)冷卻。熱管冷卻通常是在電堆的雙極板中埋入熱管，將電堆的熱量向散熱器傳遞，這種方式不需要外部輸入動力即可自發(fā)完成；蒸發(fā)冷卻是利用電堆雙極板的冷卻液流道中冷卻液的蒸發(fā)來帶走電堆工作產(chǎn)生的熱量。

3.2 熱管理控制策略

與普通燃油車類似，燃料電池也分為乘用車和商用車。由于燃料電池乘用車機艙空間小，因此各個零部件布置比較緊湊，因此結(jié)構(gòu)復雜，給熱管理帶來了困難；而商用車通常負載較大，燃料電池電堆通常需要在較高的功率下工作，熱負荷也較大。因此需要根據(jù)不同的車型常用的行駛工況選擇合適的熱管理策略，燃料電池汽車常用的熱管理策略有以下幾種[6-9]：

（1）比例-積分-微分控制。比例-積分-微分控制又叫PID控制，由比例單元（P）、積分單元（I）和微分單元（D）組成，是在工業(yè)生產(chǎn)中一種常用的控制方法。PID控制方法是首先設置目標溫度，控制器對產(chǎn)熱元件進行溫度調(diào)節(jié)，然后通過產(chǎn)熱元件反饋的溫度對控制器進行調(diào)節(jié)，使產(chǎn)熱元件的溫度穩(wěn)定在目標溫度的范圍。相比于其它的控制策略，PID控制的思路和結(jié)構(gòu)比較簡單，應用范圍廣，但是缺點是響應速度慢，導致溫度調(diào)節(jié)耗時較長。

（2）模型預測控制。燃料電池電堆內(nèi)部是一個綜合了流場、溫度場、電場的多場協(xié)同作用的體系，使用傳統(tǒng)的PID控制方法很難在較短的時間內(nèi)使其溫度穩(wěn)定。模型預測控制在熱負荷存在波動的情況下，也能夠快速地使電堆溫度達到穩(wěn)定，具有較強的魯棒性，并且能夠抑制電堆內(nèi)部電場的擾動對控制器精度影響，適用于車輛頻繁變化的工況。這種控制方法的缺點是在實際應用中，通常需要花費較多的成本在計算最優(yōu)化預測控制算法上。

（3）自適應控制。自適應控制是一種能夠通過不斷調(diào)整自身控制方案來適應控制對象的溫度波動的方法，通過自適應濾波方法辨識出被控對象的逆模型，串聯(lián)到對象的輸入端作為控制器，來控制對象動態(tài)特性的自適應控制方法。這種控制方法的優(yōu)點是可以動態(tài)地控制發(fā)熱元件的溫度，可以在較短的時間內(nèi)將溫度控制在目標范圍，也適用于頻繁變化的工況，具有良好的動態(tài)性能，并且能夠降低工況頻繁變化帶來的擾動。

（4）模糊控制。模糊控制是一種智能控制策略，通常不需要輸入準確的數(shù)學模型，而是利用人的認知對發(fā)熱元件的溫度進行控制。由于燃料電池電堆內(nèi)部是一個多場同時作用的系統(tǒng)，因此模糊控制策略能夠更快地響應工況變化，且抗干擾能力強，但是這種方法容易產(chǎn)生靜態(tài)誤差，需要在控制策略中并入積分環(huán)節(jié)以消除誤差的影響。

（5）協(xié)同控制。協(xié)同控制是指利用多種熱管理控制策略共同作用來對車輛的關鍵零部件實施溫度控制。協(xié)同控制可以使多種控制策略實現(xiàn)優(yōu)勢互補，充分發(fā)揮各種控制策略的優(yōu)點，更加準確地控制燃料電池汽車的溫度。協(xié)同控制的缺點是所需要的控制系統(tǒng)比較復雜，并且多種控制策略之間可能會互相矛盾，使車輛控制器的計算模型出現(xiàn)故障。

（6）其它控制。除了上述幾種控制策略以外，研究人員也在積極地開發(fā)其它的熱管理控制方法，以實現(xiàn)對車輛關鍵零部件溫度的快速、精確的控制。

3.3 熱管理測試方法

目前國家標準層面沒有專門針對燃料電池汽車熱管理能力的測試方法，只有在國家標準GB/T 12542-2020《汽車熱平衡能力道路試驗方法》中提出了對汽車熱平衡的相關測試方法，汽車生產(chǎn)企業(yè)和檢測機構(gòu)可以參照該標準用于燃料電池汽車熱管理能力的測試。

該標準規(guī)定了M、N類汽車在道路上行駛時，在發(fā)動機最大扭矩、發(fā)動機額定功率、高速行駛、熄火浸置、模擬山路、發(fā)動機怠速等工況下的熱平衡測試方法：a）當連續(xù)4 min各測點溫度的變化不超過±2 ℃且無明顯上升趨勢，即認為汽車達到熱平衡；b）當車輛內(nèi)部重要位置測點中的至少一個滿足a）中的條件，其余測點無明顯上升趨勢，即認為汽車達到熱平衡；c）由于汽車的控制策略導致測點溫度呈周期性波動，其余測點滿足（a）或（b）中的條件，即認為汽車達到熱平衡。

對于燃料電池汽車，燃料電池電堆、輔助電源、DC/DC、電堆進出氣、冷卻水進出口等部位是熱管理測試重點關注的對象，這些關鍵部位在不同工況下達到熱平衡時的溫度對于燃料電池汽車關鍵零部件的選型和熱管理策略的制定具有重大的參考價值。

4 結(jié)束語

本文介紹了燃料電池汽車熱量產(chǎn)生的原理、熱管理系統(tǒng)的組成和電堆冷卻的方式，并分析了不同熱管理策略的優(yōu)缺點。對于不同車型的燃料電池汽車，應該根據(jù)其經(jīng)歷最頻繁的行駛工況來選擇合適的熱管理策略，從而達到快速、高效控溫的目的。

基金項目：河南省重大科技專項“燃料電池汽車耐久性測試評價技術研究”（221100240200-12）。

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