燃料电池重卡热管理研究

2021年4月17日
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摘要

燃料电池具有启动速度快、发电效率高等优点,是未来新能源重卡的重要发展方向,热管理成为燃料电池重卡开发的关键技术之一。

摘要:燃料电池重卡包含电堆热管理、电池热管理和电机冷却等三套热管理子系统,根据各子系统的温度限值、散热需求和热管理方式,分析了燃料电池重卡整车热管理的基本组成和各子系统的基本原理、基本构造、特点和控制逻辑等,为后续燃料电池重卡的热管理研究提供了依据。

前言

燃料电池具有启动速度快、发电效率高等优点,是未来新能源重卡的重要发展方向。目前常用燃料电池和动力电池混合驱动的技术路线,共有电堆热管理、电池热管理和电机冷却等三套热管理子系统,热管理也因此成为燃料电池重卡开发的关键技术之一。
如图1 所示,为燃料电池和动力电池混合驱动的整车热管理示意图,各子系统在整车布置时需考虑热风回流和动力舱内外流场的影响,各子系统的温度限值、散热需求、热管理方式和控制逻辑均不相同。
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图1 燃料电池重卡热管理示意图
受整车控制器接口数量的限制,各子系统均由相应的子控制单元进行控制,其优点是各子系统既相对独立,又实现了车辆信息的集中监控,改善了人机操控性,提高了整车控制器的通用性和适用性。

1电堆热管理系统

燃料电池重卡的功率需求较大,而电堆的单堆功率较小,目前多采用两路并联的技术方案,其热管理系统也采用两套相对独立的方案。当电堆温度过低时,热胀冷缩会导致催化剂从膜上脱落,影响燃料电池性能;当电堆温度过高时,催化剂中的Pt 烧结,催化剂颗粒变大,表面积减少,降低了燃料电池性能。因此电堆热管理系统包括了电堆冷却系统和电堆加热系统,如图2 所示,为燃料电池热管理系统的示意图。
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图2 电堆热管理系统示意图

1.1 电堆冷却系统

电堆冷却系统采用强制液冷的路线,主要由散热器总成、电动水泵、电动风扇、膨胀箱、连接管路、低压线束、传感器、三通阀、控制单元等零部件组成。结合燃料电池的特点,需注意以下几个问题:
(1)冷却液多采用去离子水,电导率≤5μs/cm;膨胀箱需带氢气浓度传感器;
(2)钢管需采用食品级316 不锈钢,胶管需采用食品级内氟外硅胶管;
(3)尽量选用大直径、低噪音、大风量的风扇。
电堆冷却小循环可由燃料电池控制器控制、大循环由电堆热管理控制单元控制,燃料电池控制器向整车控制器发送三通阀的开度信息,电堆热管理控制单元接收整车控制器的氢气浓度信息、三通阀开度信息和空调开启信息等,并按预设控制逻辑调整风扇转速等。

1.2 电堆加热系统

电堆加热系统一般采用PTC 直接加热冷却液的方式,PTC 加热器串联到电堆冷却系统的小循环中,由燃料电池控制器按预设逻辑控制PTC 的开启和关闭,并向整车控制器发送水温等信息。

2 电池热管理系统

电池的适宜工作温度一般为20℃~40℃,其热管理系统也分为电池冷却系统和电池加热系统两部分。

2.1 电池冷却系统

电池冷却系统多采用液冷的热管理技术,其原理如图3所示。
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图3 电池冷却系统原理图
电池冷却系统主要由板式换热器、电动水泵、电动压缩机、膨胀阀、电动风扇、冷凝器、高压预充、高低压线束、传感器、控制单元等零部件组成。
电池冷却系统分为三种模式,分别为关机模式、自循环模式和制冷模式,其工作模式受电池管理系统(BMS)的控制。BMS 将预设工作模式,预设水温通过整车控制器的CAN总线发送至电池冷却系统;电池冷却系统接收报文,根据出水温度自行调节电动压缩机、电动风扇和膨胀阀等,同时将电池冷却系统的各种工作状态、故障、水温等通过CAN 总线反馈到整车控制器。

2.2 电池加热系统

动力电池在低温环境下的放电性能较差,故需对电池进行预热。目前主要有两种加热方式,一种是在电池冷却系统中串联PTC 加热器,另一种是在电池包中增加加热膜,现多采用第二种加热方式。
电池加热系统在充电或冷启动时加热,放电时不加热。加热系统的开启根据环境温度和电池包内部温度,受BMS的控制,不经过整车控制器。

3 电机冷却

电机冷却系统的散热原理与电堆冷却类似,也采用强制液冷的冷却方式。电机的冷却液出口温度一般不超过70℃,控制器的冷却液出口温度一般不超过65℃,故将控制器统一接入电机冷却系统。
因电堆采用两套系统并联的方式,其空压机控制器、燃料电池DCDC 均为两套,与之配套的低压DCDC 也有两套,再加上电机、电机控制器、四合一控制器等,需散热零部件较多,故电机冷却可采用并联或混联的方式,如图4 所示。
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图4 电机冷却系统原理图
尽量使两支路阻力基本相当、散热量基本相当,以保证冷却液温度的一致性,提高零部件的可靠性。在整车布置允许的前提下,尽量增大散热器芯体的正面积。尽量选用高扬程、大流量的电动水泵;若不能满足需求,可采用两个水泵串联以增加扬程,或两个水泵并联以增加流量。
电机冷却控制单元根据散热器进出水口温度、环境温度等,按照预设逻辑控制风扇转速、水泵转速等,使冷却液始终维持在合适的温度范围内,并通过CAN 总线向整车控制器反馈工作状态、故障、水温等信息。

4 结论

燃料电池重卡整车热管理包括了电堆热管理、电池热管理和电机冷却三个子系统,根据各子系统的温度限值、散热需求、热管理方式等,分析了各子系统的基本原理、基本构造、特点和控制逻辑,为后续燃料电池重卡的热管理研究提供了依据。

作者:郭帅,赵航,张有文,张俊

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