燃料電池客車整車熱管理系統分析與探討

張宇陽

湖南卓辰科技有限公司

0 引言

我國燃料電池客車研究起步較晚，但隨著我國氫能和燃料電池汽車產業發展步伐的加快，近年來我國燃料電池整車技術進步較快，產業鏈逐漸完善。特別是燃料電池動力系統技術明顯提升，但部分關鍵技術與國外仍存在一定差距，其中整車熱管理技術就面臨非常嚴峻的挑戰。

1）系統非常復雜。燃料電池客車整車熱管理系統由燃料電池發動機（簡稱：FCE）熱管理系統、動力系統平臺（簡稱：PCU）散熱系統、電池熱管理系統和空調系統（HVAC）四個系統構成。每個系統都有不同的循環，基于不同的功能、不同的決策機制、不同控制邏輯等，整個系統非常復雜，要使整個系統實現優化匹配，合理有效控制，給設計研發帶來挑戰。

2）PCE 散熱要求高。燃料電池系統（簡稱：FCPS）熱效率一般約為35%～45%（理論值41%），而傳統發動機熱效率約30%左右。傳統發動機散熱，15%是通過機體輻射散出，45%通過尾氣排放，不到10%的熱量是由散熱器散出。而燃料電池發動機（FCE）并不符合這種散熱規律。FCE 主要依靠散熱器，惡劣工況下，FCPS的熱效率約35%，僅3%的熱量通過尾氣排放，其余62%的熱量需要通過散熱器散出。因此盡管FCE 的效率遠高于傳統發動機，但是其散熱問題卻是一個巨大的考驗。同時，由于燃料電池工作溫度較低（60～80 ℃），散熱器對環境的傳熱溫差遠低于傳統汽車，加上客車FCE 功率大，這都為熱管理帶來了嚴峻挑戰。所以燃料電池客車整車熱管理系統研究中對整車散熱系統進行深入研究至關重要[1]。

3）必須嚴格控制零部件的離子釋放。根據燃料電池的結構特性，為了帶走電堆工作產生的熱量，熱管理系統的中冷卻液需流經高電勢的雙極板，如果熱管理系統絕緣性不好，高電壓就可以通過冷卻液傳導出來，影響電堆的正常工作和整車安全性。由于金屬的腐蝕作用，金屬雙極板和熱管理系統中的中冷器、散熱器和管接頭等零部件，都會持續向冷卻液中釋放離子，導致冷卻液電導率升高，影響系統絕緣性。這對熱管理設計是新挑戰。

1 燃料電池汽車（Fuel Cell Vehicle，FCV)整車熱管理系統概述

目前，燃料電池客車多采用燃料電池加動力電池（簡稱：FCV+B）混合驅動的技術路線，如圖1 所示，其整車熱管理共有FCE 熱管理，PCU 散熱系統，電池熱管理和空調系統（乘員熱管理）等四個子系統，是燃料電池客車整車開發的關鍵技術之一[2]。

圖1 燃料電池客車整車熱管理系統示意圖

循環水補充水閥7開啟后，分流一部分循環水，去水冷塔循環水流量減少，水冷塔液位下降，促使水冷塔液位調節閥開大，增加補充水量，保證水冷塔液位正常。由于水冷塔液位調節閥6前后管道管徑為DN80，相對較小，另外自動調節閥反饋調節過程中有一定的延遲性，從而造成水冷塔液位波動大的現象。水冷塔補充水量波動造成水冷塔內水氣比波動大，不利于充分發揮氮水預冷系統的作用。

2 PCE 熱管理

2.1 設計要求

溫度的高低對電堆性能影響很大。溫度過低，電堆內部極化增強，內阻增大，電堆性能惡化。溫度升高時，內阻降低，極化減小，電化學反應速度及質子膜內傳遞速度增加，有利于提高電堆性能，但是溫度過高將導致質子膜脫水，其導電率下降，電堆性能惡化，因此需要維持燃料電池內部熱平衡。FCE 熱管理主要功能就是通過采用冷卻水循環，使燃料電池在一定的溫度范圍內工作，滿足熱平衡需要。具體要求如下：①控制溫度范圍在70～80 ℃之間。②控制內部溫度均勻，要求進出電堆冷卻水溫差小于10 ℃，最好小于5 ℃。③控制溫度極限，要求系統的大部分部件都在某極限溫度以下。如電堆局部溫度高于100 ℃時，質子膜將出現微孔，使空氣和氫氣混合導致嚴重的安全事故[3]。

2.2 技術方案

目前學者對市場間聯動性的研究成果豐富，但多以靜態相依性描述為主，本文基于GJR-GARCHDCC模型對“深港通”前后深港股市之間的聯動性進行動態互動分析，文章可能的貢獻有：第一，以“深港通”為切入點，首次系統性分析了“深港通”機制的運行對深圳股市與香港股市的聯動效應影響；第二，為了刻畫兩地股市的時變特征，本文運用DCC模型來描述市場聯動效應的動態變化，測算了深市與港市的動態風險溢出效應。研究發現“深港通”開通之后，兩地聯動效應經過一定的過渡期才得到顯著加強，風險溢出方向主要還是由深市向港市溢出，為金融市場跨地區的協作提供動態監管方向，也為中國股市的健康發展提供可靠的實證依據。

圖2 PCE 熱管理+PCU 熱管理系統圖

冷卻系統：根據電堆溫度高低，冷卻液循環采用大、小循環的雙回路設計。溫度不高時為小循環，冷卻水由節溫器出口直接進入電堆，將電堆中電化學反應的廢熱帶出，并回到水泵入口。溫度較高時采用大循環，冷卻水由節溫器出口進入主、副散熱器，與空氣進行熱交換，變為溫度較低的冷卻液，然后由散熱器排出進入電堆，將電堆反應余熱排出后，重新回到冷卻水泵入口[4]。

加熱系統：考慮提高低環境溫度下電堆的啟動性能，在小循環回路設計WPTC，用于加熱冷凍液，改善啟動性能。

2.3 散熱器方案

MoS2納米微球表現出非常優異的摩擦性能、催化活性、吸附性能等，可以滿足很多領域的使用要求，在固體潤滑、功能材料、化學催化、光電材料等方面具有極大的應用潛力[20]。尤其是相較于傳統的層狀結構MoS2納米粒子，表現出更為良好的耐磨減損性能，目前已引起學者們的廣泛關注。

散熱器的設計和布置是PEC 熱管理系統的關鍵，根據散熱器在客車上的安裝位置特點，可采用頂置、底置和背置三種方案。

頂置方案：散熱器安裝固定在車頂，優點：安裝維修方便，通風散熱環境好，不易集聚飛塵，換熱效率好。缺點：增加了車頂負荷，提高整車重心，對在整車平穩性有一定影響。

底置方案：散熱器安裝固定在車底架上，優點：較頂置安裝車頂負荷小，整車重心低，有利于整車的平穩性。缺點：通風散熱條件差，容易積聚飛塵臟物，影響換熱效率，安裝維修不方便。

(2)假設有i個電梯(i=1,2,3...)，其中第i個電梯不動時停在第ji層(j=1,2,3...)；

過載保護是依據“反時限”的原則，針對超負荷電流對供電回路進行切斷的一種保護方式，超出設計的整定值越大，切斷的時間越快。如果機器長期過載運行，繞組溫升就會超過允許值，導致絕緣老化或損壞，進一步導致建筑電氣設計中低壓配電系統的安全性問題。

散熱器的散熱性能主要取決于散熱面積大小、結構和安裝形式，同時還與冷卻風機性能密切相關，因此風機的選型至關重要。由于燃料電池客車沒有機械運動產生的噪聲，冷卻風機的噪聲成為燃料電池客車的主要噪聲源之一，為了有效降低整車噪聲，冷卻風機應采用大風量、低噪音、可調速風機。

2.4 零部件去離子處理方案

根據零部件的離子釋放機理，可考慮從以下兩個方面采取措施：

根據理論分析，PCE 熱管理系統設計如圖2 所示。主要由電子水泵、節溫器、去離子器、中冷器、水暖（WPTC）、PCE 散熱器、電子風扇、水箱及冷卻管路等部分組成。

背置方案：散熱器安裝固定在車輛后艙，優點：受太陽輻射、路況等外界條件干擾小，安裝維護方便。缺點：減少了客車內部的空間。

1）改進冷卻系統的機械結構和材料。為提高PEC熱管理系統的絕緣性，零部件選型及系統裝配上采取如下措施：水泵內部結構調整為采用非金屬材質隔水套的屏蔽泵、節溫器用絕緣塑料殼體替代金屬殼體、冷卻管路采用硅膠替代EPDM 材料、中冷器安裝增加絕緣橡膠墊等，通過對以上零件進行絕緣處理，避免PEC 高電勢通過冷卻液傳導由零件接地，從而導致絕緣故障。

2）降低燃料電池冷卻液的電導率。①定期零部件清洗：冷卻液循環過程中帶電離子會不斷增加，導致其電導率會不斷上升，阻值降低，系統絕緣性能下降。為了避免此類問題帶來的不利影響，需要保證冷卻液經過的零部件達到一定清潔度，因此需要定期清理零部件。②采用去離子裝置：試驗表明，系統采用去離子裝置，在開啟去離子裝置狀態下，冷卻液電導率迅速下降，關閉后，冷卻液電導率逐漸上升，因此，采用去離子裝置是確保冷卻系統絕緣性能的有效手段。

3 PCU 散熱系統

PCU 動力平臺主要包括電機、DC/DC、空壓機、多合一控制器（PCU）等各種電器元件及動力設備的散熱需求，為了確保PCU 平臺處于良好的工作狀態，一般要求PCU 散熱器冷卻液進口溫度不超過70 ℃，出口溫度不超過65 ℃。

根據要求，PCU 散熱系統設計如圖2 所示。采用強制液冷的冷卻方式，散熱原理與電堆冷卻類似。主要由電子水泵、PCU 散熱器、水箱及冷卻管路等組成，一般與PCE 熱管理散熱器共用冷卻風機。

4 電池熱管理

混合型燃料電池客車動力系統采用輔助電池，主要在客車起動、爬坡、加速等工況下，提供助力功率，這樣可以降低對燃料電池的峰值功率要求，使燃料電池在穩定的工況下工作。同時可以吸收燃料電池功率大于驅動功率時的富余能量，以及吸收回饋制動能量，提高動力系統能效。

教學改革研究項目管理系統的實現 系統采用Java語言，以J2EE技術為基礎，采用目前應用較為廣泛的SSH Web框架，運用Struts+Spring+Hibernate技術搭建表示層、業務邏輯層、數據持久層和域模塊層，建立結構清晰、可復用性好、維護方便的Web應用程序。

目前主要采用鋰離子動力電池，鋰離子電池自身溫度高低和內部溫度均勻性對其性能和壽命影響很大。過高的溫度會加快電化學反應速度，對電池結構造成永久破壞，嚴重時影響電池壽命。過低的溫度將影響電池放電性能和充電特性，研究表明：鋰離子電池的最佳工作溫度范圍為25-45 ℃，電池單體之間的溫度差應控制在5 ℃以內[5]。

根據不同的地質條件、潮汐風浪等環境因素，對具有相同建設條件、有代表性的燈樁進行設計（包括基礎選擇、選材、作用、尺寸、樓梯設計），以此為依據編制燈樁標準化設計施工圖紙。

獨立式電池熱管理系統方案：如圖3 所示，主要由電子水泵、電子膨脹閥、板式換熱器、水箱及管路等組成，以滿足電池的散熱要求，同時為了滿足低溫充放電要求，系統增加水暖PTC，以加熱冷卻液。

鋰離子電池熱管理主要分為以空氣為介質，以液體為介質和基于相變傳熱介質三大類熱管理方式。目前主要采用以液體為介質的電池熱管理系統，包括獨立式和非獨立式兩種方案。

當然，產假制度也有其消極影響。一方面，對于企業來說，員工休產假會打亂企業平常的節奏，企業還要承擔部分因員工產假而導致的工作調動、繳納社保、工資等費用。另一方面，對于女職工自身而言，她們會因為休產假而長期脫離工作崗位，可能存在著影響個人晉升與職業長期發展的擔憂。公司和員工在產假這個問題上進行博弈，由于雇主擁有權力和信息方面的絕對優勢，可以通過釋放一些模棱兩可的信息和隱晦的威脅，從而對員工產生壓力并且在實際操作中變相降低她們的收入等。

燃料電池客車整車熱管理系統根據溫度不同，可分為高低溫區兩部分，高溫區包括FCE 熱管理、PCU散熱系統；低溫區包括電池熱管理和空調系統。這四個子系統都各自有不同的溫度限值和散熱需求，需要相應采取不同熱控制方式和電氣控制邏輯，整車布置時，還需要考慮熱風回流和各個熱管理主體艙內外流場的影響，這些決定了整車熱管理設計方案多樣性。

圖3 獨立式電池熱管理系統圖

非獨立式電池熱管理系統方案，如圖4 所示，即與空調系統耦合式的電池熱管理系統。具體做法就是在空調蒸發器上并聯一路電子膨脹閥和板式換熱器作制冷劑回路，然后將包括電子水泵、水箱及WPTC 的冷卻液回路連接到電池液冷板。

圖4 非獨立式電池熱管理系統圖

5 空調系統

空調系統（HVAC）用于乘員艙內降溫、采暖及空氣凈化，為乘客提供舒適的乘車環境。主要采用蒸汽壓縮式制冷循環，主要由蒸發器、冷凝器、壓縮機、膨脹閥、風機、電控系統及制冷管路等組成。

為了改善影像物理學的教學效果、跟上影像技術設備的迅速發展，近年來國內外醫學影像物理學的教學均有許多改革。如美國放射學委員會對學生的考核已經用新的考試替代了以往影像物理學、筆試、口試分別進行的模式，新的模式重在考核學生對知識的運用能力。因此，相關的教學模式正從傳統的看和聽的方式過渡到以動手運用為主的教學形式[3-4]。國內也有研究將科研知識加入現有的影像物理學內容中以改善教學效果、采用PBL方式進行影像物理學教學以培養創新人才等[2，5]，均有一定成效。

目前，燃料電池客車主要采取頂置式電驅動空調。通常，如果利用余熱采暖，一般配置單冷型空調。如果不利用余熱，一般配置熱泵型冷暖空調，在冬季環境溫度低于-5 ℃區域使用，空調還需選裝10～14 kW 的PTC 電加熱器。這部分技術已經非常成熟，而且諸多文獻均有論述，在此不再贅述。但如果電池熱管理系統采用非獨立式方案，則上述空調系統中需要并聯耦合電池熱管理系統，見圖4。

6 余熱綜合利用可行性

燃料電池系統排熱量非常大，其熱功率和發電功率幾乎相當，是傳統發動機的2～3 倍，如果對這部分熱量進行回收利用，不僅可以降低散熱難度，而且可以大大提高系統的能源利用效率，因此熱能綜合利用對燃料電池動力系統具有重要意義。目前，熱能利用主要有以下三個方向。

一是制冷。制冷可采用吸附式制冷、蒸汽噴射式制冷和吸收式制冷三種方式。吸收制冷系統內部構造簡單不受外部因素影響。利用熱源驅動，不消耗電能，在燃料電池汽車余熱利用方面有一定的應用前景，不過仍處于實驗階段且系統的體積較大，因此受到限制。蒸汽噴射式制冷系統在較低的冷凝溫度就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，因此不太適合客車這種變工況特性，加上噴射器氣流產生的噪聲比較大，會對乘客產生不良影響[6]。吸收式制冷系統應用廣泛，在利用100 ℃以下的低品位余熱方面已取得相當的成果，因此正受到燃料電池動力系統方面的研究者的高度重視，但是由于燃料電池汽車動力系統的變工況特性、車用環境、空間等限制因素，吸收式制冷系統的商品化應用還有相當長的路要走[7]。

二是ORC 發電。余熱ORC 發電主要原理是采用朗肯循環，利用余熱將有機工質加熱成飽和氣體或過熱氣體，驅動膨脹機轉動做功，帶動發電機轉動，實現機械能轉化為電能發電。ORC 系統在低溫余熱利用中已經比較成熟，一般而言，余熱初始溫度越高，余熱能級越高，ORC 系統回收效果就越好。有研究數據顯示，對于溫度為473 K 的余熱資源，其能級為0.213，即理論發電效率為21.3%，實際不到理論值一半。燃料電池系統余熱溫度僅350 K，能級不到0.1，100 kW 的燃料電池系統發電量理論上不到10 kW，實際值就5 kW左右，而這套系統目前價值比較高，因此性價比低[8]。

三是直接熱利用。燃料電池系統排熱最簡單的利用就是直接熱利用，冬季可以比較輕易的利用排熱對空氣、氫氣進行預熱，實現電堆保溫，以及乘客區采暖、除霜等。12 m 燃料電池客車直接利用余熱為整車提供采暖方案如圖5 所示，通過中冷器耦合，利用余熱解決除霜、乘員艙采暖和司機室采暖。經測試，當燃料電池輸出功率達到全功率的75%時，即可實現全余熱供暖。并且節能效果顯著，可實現采暖節能約70%，整車節能約8%。

圖5 直接利用余熱采暖系統圖

7 結束語

本文介紹了燃料電池客車整車熱管理技術，探討了燃料電池客車余熱利用的可行性途徑。重點分析了燃料電池客車整車熱管理整體方案，以及PCE 熱管理，PCU 散熱系統，電池熱管理和空調系統等四大子系統的設計要求，基本原理構造和各種可行性方案，為燃料電池客車熱管理的開發研究提供參考。