燃料電池商用車低溫啟動過程中的能量流分析

王國卓 王志軍 郭婷 聶振宇 吳詩雨

（1.中國汽車技術研究中心有限公司，天津300300；2.中汽研汽車檢驗中心（天津）有限公司，天津300300）

主題詞：燃料電池汽車 低溫啟動 能量流

BAT Battery

FC Fuel Cell

FCV Fuel Cell Vehicle

SOC Stateof Charge

NEDC New European Driving Cycle

CLTC China Light-duty Vehicle Test Cycle

1 引言

燃料電池汽車（FCV）由于具有環保、噪聲小、效率高的優點，近年來在國內外受到了廣泛的關注，并且全球范圍內多家汽車制造廠商紛紛推出FCV產品，包括商用車和乘用車。與純電動汽車充電時間較長這一特點相比，FCV在5 min左右即可完成一次氫氣加注，極大地方便了用戶的出行。另外，動力電池在低溫下面臨著性能衰減、續駛里程“縮水”的問題，而燃料電池的使用可以緩解這些問題。然而，FCV在推廣應用的過程中仍然存在諸多制約因素，例如當車輛在低溫環境（低于0°C）下停放時，燃料電池內部殘留的水可能會結冰，對車輛下次的啟動造成干擾；車輛在低溫下啟動時，燃料電池產生的水可能會重新結冰，堵塞反應氣體的通道；另外，當燃料電池溫度低于正常工作溫度（60～80°C）時，其輸出性能也會下降，因此，有必要對FCV的低溫啟動過程進行研究。目前國內外的研究人員提出了多種低溫啟動方案，包括停機吹掃、停機后電池繼續低電流運行、外部熱源加熱的方式，這些方式都離不開FCV的能量管理策略的實施。Wang等以NEDC循環和CLTC循環為例，對車輛怠速和運行工況下的能量流進行了分析和研究；Hao等提出了一種適用于插電式和非插電式混合動力燃料電池汽車的電能消耗率的測試方法；Shen等設計了一種FCV的能量管理方案，通過使用最優控制原理，降低了氫氣消耗量，提高了系統性能。因此，對FCV工作過程中的能量流進行分析，可以了解汽車的能量分配策略，有助于優化汽車的能量管理模式、提高整車的系統效率、提高FCV低溫啟動能力。

本文針對燃料電池商用車低溫啟動過程，分析了其能量流控制策略及能量變化過程，研究了動力電池和燃料電池在FCV的能量管理中的作用，為企業技術提升提供一定的參考。

2 燃料電池汽車的工作原理

FCV的能量主要來源于燃料電池。單片燃料電池的理論輸出電壓為1.23 V，但由于燃料電池工作時存在活化極化、歐姆極化和濃差極化因素，因此燃料電池的工作電壓隨著輸出電流的增大而減小，燃料電池的性能曲線如圖1所示。而極化作用所損失的能量則轉化為熱量，可以用來加熱燃料電池自身，其產熱功率可由下式計算：

圖1 燃料電池性能曲線

單片燃料電池輸出的功率有限，為了滿足實際應用需要，FCV通常使用由多個單片燃料電池組成的電堆。從圖1中可以看出隨著電流的變化，燃料電池的輸出功率密度呈現先增大后減小的趨勢。FCV在實際道路行駛過程中會遇到多種工況，如加速、減速、爬坡、怠速、啟停，這需要FCV的輸出功率能夠滿足不同的使用工況。尤其是當FCV在低于0°C的環境下停放后，如果只用燃料電池作為能量來源，再次啟動很可能會啟動失敗，因此FCV通常同時裝備燃料電池和動力電池，依靠燃料電池和動力電池共同配合來保證穩定的功率輸出，其能量結構如圖2所示。

圖2 燃料電池汽車動力系統結構

燃料電池的輸出功率P可以用以下公式計算：

式中，為電流；為電壓；下標表示燃料電池。

動力電池的輸出功率P可以用下式計算：

式中，下標表示動力電池。

燃料電池的輸出能量E可以用以下公式計算：

式中，為總采樣時間。

動力電池的輸出能量E可以用下式計算：

對于動力電池，其電流存在以下2種狀態：

車輛運行過程中燃料電池和動力電池輸出的總能量：

燃料電池輸出能量的貢獻率η：

3 車輛低溫啟動過程中的能量流控制策略

以一款燃料電池客車為例，分析FCV在低溫啟動工程中的能量流控制策略以及能量變化。該車的外型尺寸為12.0 m×2.6 m×3.8 m，電機功率為170 kW，燃料電池堆的額定功率為150 kW，動力電池的額定電壓為630 V。

在FCV的低溫啟動試驗中，車輛在環境倉中達到-30°C后首先浸車12 h，保證整車溫度都能降低到指定溫度，然后開始啟動。首先蓄電池開始工作，并為動力電池加熱。當動力電池升高到一定溫度后，動力電池開始工作，同時為燃料電池加熱；此時車輛各部分的能量主要由動力電池提供。當燃料電池溫度升高到一定溫度后，燃料電池開始啟動。根據T/CSAE 122-2019《燃料電池電動汽車低溫冷起動性能試驗方法》，如果燃料電池的輸出功率達到廠商規定值后可以繼續穩定運行不少于10 min，則可以認為低溫啟動成功。啟動成功后，燃料電池作為車輛的主要能量源開始為動力電池充電，并且為空調、空壓機、氫泵等一系列附件供電；動力電池由功率輸出轉為功率輸入，進入充電狀態。在本文的測試中車輛保持怠速狀態，并開啟空調暖風為座艙內供暖。

本文通過分別測量燃料電池和動力電池的輸出電壓及電流，計算燃料電池和動力電池的能量變化，并以此來計算車輛其它附件的能量消耗。

4 試驗結果及分析

本文試驗所測試的FCV的初始為50%，從蓄電池工作開始計時，至燃料電池以穩定功率運行滿10 min為止，在這個過程中，燃料電池、動力電池、其它附件的功率變化如圖3所示。

圖3 燃料電池汽車低溫啟動過程中功率變化

從圖中可以看出，在啟動的前289 s由蓄電池為車輛提供低壓電，此時燃料電池和動力電池均無功率輸出。在289 s以后動力電池啟動，并為燃料電池加熱，工作電壓為631 V，功率為6.4 kW左右，此時車輛已經可以正常工作。在336 s開始啟動燃料電池電堆，電堆以7.3 kW左右的較低功率運行，此時燃料電池和動力電池同時為車輛輸出能量。燃料電池以較低功率運行，一方面可以降低產水量，避免在溫度升高到0°C以前燃料電池內發生結冰堵塞，另一方面也可以依靠極化損失產生的熱量為燃料電池自身加熱。在第455 s燃料電池功率開始升高，此時動力電池由功率輸出轉為功率輸入，說明燃料電池開始為動力電池充電。從第470 s開始，燃料電池的功率穩定在72 kW左右，并持續穩定運行10 min以上，低溫啟動成功。

在FCV穩定怠速運行期間，燃料電池持續為動力電池充電，并為車輛的其它附件提供能量。由于在509 s開啟空調為乘員艙內供暖，動力電池的充電功率降為30～40 kW，平均值為35 kW，動力電池消耗的功率占燃料電池發電功率的48.6%。

FCV在低溫啟動過程中，燃料電池、動力電池發電量和其它附件耗電量的變化如圖4所示。在燃料電池功率升高至最大穩定功率前，動力電池總共提供了0.17 kW·h的能量。在燃料電池啟動后，燃料電池發電量和其它附件耗電量的差值即為燃料電池為動力電池充電消耗的電量。從燃料電池啟動至穩定功率運行之間的階段，燃料電池總共產生了0.42 kW·h的能量，因此在FCV低溫啟動的過程中，動力電池提供的能量相當于燃料電池提供能量的40.5%，燃料電池輸出能量的貢獻率為71.2%。

圖4 燃料電池汽車低溫啟動過程中發電量和能量消耗

在燃料電池穩定運行階段，燃料電池的發電量為11.96 kW·h，其中為動力電池充電消耗了6.25 kW·h，為其它附件的工作提供了5.71 kW·h。為動力電池充電消耗的能量占燃料電池發電量的52.3%，超過了燃料電池發電量的50%，不過當其它附件的用電需求增加或者動力電池電量充滿以后，這一比例會有所降低。

5 結束語

本文分析了當前燃料電池汽車在低溫啟動過程中的能量流，結果表明，FCV在啟動初期，需要依靠動力電池作為主要能量來源，當燃料電池能夠持續穩定運行時，燃料電池才會作為主要能量來源。當車輛怠速運行并開啟采暖時，為動力電池充電消耗的能量超過燃料電池發能量的50%，如果車輛正常行駛，該比值會有所降低。在將來的研究中，應繼續優化燃料電池的性能，提高燃料電池低溫自啟動的能力；其次可以通過優化整車能量管理策略的方式，使燃料電池產生的能量盡可能地向其它附件傾斜，提高車輛的能量利用效率。

致謝

感謝中汽中心科研項目“燃料電池汽車能量管理與續駛里程測試評價研究（20220118）”對本文提供的支持。