燃料电池客车整车热管理技术研究

2021年10月24日
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摘要:燃料电池汽车作为汽车行业的一种全新发展形式,对于汽车行业的发展有着至关重要的反作用,热管理系统对燃料电池汽车的开发工作来说有着重要作用,但是结合相关行业的实际发展情况来看,对于相关系统的研究工作还比较少,没有实现系统的研究,很难为行业的发展注入持续的发展活力。燃料电池客车的应用对于实现我国的可持续发展战略有着巨大的促进作用,本文结合我国燃料电池客车余热利用和热管理技术的实际研究情况,针对其中的几项重点进行了着重分析。

1 引言

燃料电池客车是新能源汽车的重要组成部分,将氢气作为主要能源,对于促进我国汽车客运行业的可持续发展有着重要作用,具有节能、噪声低和无污染等优势,不仅满足了我国客运行业的实际发展需求,同时也适应了我国客运行业发展的实际情况,结合行业的实际发展情况来看,燃料电池动力系统的热效率一般在40%左右,同传统的燃油发动机相比,热效率有了很大程度的提高,对于实现我国客运行业的资源优化配置也有很大的帮助,所以说推进相关的研究工作很有必要。余热利用和热管理技术作为燃料电池客车研究中的两大重点,涉及到的部件和因素比较多,自然也就成为研究工作中的难点。

2 燃料电池客车整车热管理技术的概述

想要有序推进相关研究工作,首先就要对相关技术有一个较为全面的认识和了解,结合行业发展的实际情况来看,主要可以分为以下几点:
作为一种新能源汽车,节能和无污染是该类汽车的主要特点,相关特点正好与我国经济社会的发展不谋而合,燃料电池动力系统的热效率相较之传统的电池汽车有了很大程度的提高,同时节能效率也有了很大程度的提高,对于客运汽车行业的资源优化配置有很大的帮助。
但是燃料电池发动机也有一些发展瓶颈,首当其冲就是其散热问题,结合传统燃油发动机的散热情况来看,传统发动机的散热,大约只有10%的热量通过散热器排出,大部分热量都通过排气管排出,但是这种情况无法适应燃料电池客车,因此整车的散热系统成为行业研究工作中的重点和难点。
结合传统汽车的研发工作来看,空调冷凝器同发动机散热器之间并没有较大的散热冲突,但是在燃料电池客车上就要充分考虑到这一点。

3 FCV热管理系统的概述

FCV热管理系统的具体组成比较多,伴随行业的不断发展,具体组成逐渐复杂化,想要实现对这些具体组成的把握,对于行业来说也是一项较为严峻的挑战,热管理系统的把握除了零部件之外,还要对外部影响因素进行把握,譬如温度和湿度等,结合行业的实际发展情况来看,针对热管理系统的把握主要可以分为以下几点:

3.1 热管理系统

根据用途的不同,可以将热管理系统划分为制冷系统和冷却水系统,以制冷系统为例进行说明,该系统由压缩机、冷凝器和蒸发器等部件组成,同时还可以对冷凝器进行进一步的细分,譬如可以将冷凝器划分为一级冷凝器和二级冷凝器,冷凝器的安装需要结合系统的实际需求,大多数情况下并不会对冷凝器进行更为深入的划分工作,二级冷凝器一般都是后期加入,想要保障不同级别冷凝器的正常工作,可以通过串联的方式满足散热需求,冷凝器的散热一般都是以空冷式散热为主,不同级别的冷凝器都带有一定的风扇系统。制冷系统相较之其他系统来看,是一个较为封闭的系统,这也是为了满足行业的实际需求。

3.2 散热具体部件

不同的散热部件能够满足不同的散热需求,合理的部件能够满足大多数散热需求,结合行业实际来看,可以将散热部件划分为以下几点:
首先就是PCE散热器,顾名思义,该类散热器主要用于PCE的散热,该类型散热器的主要散热介质是空气,通过空气对电池的冷却水进行散热工作,在周围温度升高的过程中,该散热器的散热量会逐渐降低,无法满足散热需求,因此要尽量避免PCE散热器的超负荷工作,在这时行业工作人员就要充分发挥自身的主观能动性,通过多种方式增加散热量,譬如增加散热器的散热面积和提高换热系数等,换热系数的提高也有多种有效方式,提高散热器的风量是较为有效的一种方式,所以高压风扇在该类型散热器中的应用也较为广泛。
其次就是PCU散热器,PCU单元的组成也较为复杂,主要包括水冷系统、空调和电机控制器等,如果将冷凝器置于PCE散热器前,就会在一定程度上提高散热器的进风温度,同时也会降低散热器的散热量,所以在进行冷凝器的设计工作中,一定要结合设计工作的实际需求。
最后就是高压风扇,为了保障高压风扇的工作效率,风扇一般都是由燃料电池直接进行供电,之所以会应用高压风扇,也是因为高压风扇具有很多优点:首先就是应用高压风扇能够进行一定的让电,因为在整个系统中存在很多低压电器;其次高压风扇的风量比较大,能够满足大部分散热器的风量需求,综合多种因素来看,加强高压风扇的应用很有必要。
燃料电池客车整车热管理技术研究

3.3 零部件洁净度的控制

结合行业实际来看,在FCV中,只要有冷却液流过的零部件,譬如管路、散热器等,都要满足洁净度的要求,不然就可能存在FCE中毒的风险,对乘客的人身安全埋下隐患,所以说加强对零部件的清洗工作显得很有必要,除此之外,还要对零部件的材料进行把握,将铝合金作为零部件的主要原材料,主要还是因为铝合金的自身特质较为特殊。
想要实现对零部件洁净度更为全面的认识和把握,需要采用较为合理的测量和实验方式,不同的测量实验方式有着不同的侧重点,对电子传导率的把握是一种主要的测量方法,在零部件洁净度的控制工作中应用较为广泛。
在测量的过程中,行业工作人员一定要充分发挥自身的主观能动性,值得注意的是,在进行测量和实验的过程中,要保障周围环境的清洁,避免外部不稳定因素对整个实验造成较大的负面影响,将温度控制在25度左右,湿度尽量不超过70%,除此之外还要对实验的其他变量进行控制,譬如时间等。

4 余热利用及整车热管理技术的具体方案

由于周边环境和自身环境的不同,采用不同的热管理方案往往能起到不同的管理效果,所以在选用热管理方案的过程中,一定要充分发挥自身的主观能动性,选择合理的热管理方案,结合行业的实际发展来看,主要可以分为以下几种:

4.1 方案一

首先将一级冷凝器放置于PCE散热器后,同时配有一定的高压风扇,将一级冷凝器安装在车头位置,为了达到最佳的散热效果,将二级冷凝器安装于车架纵梁右边,一般来说,PCU散热器自带风扇,将其放于车架纵梁左边。

4.2 方案二

该方案中利用两个FCE散热器。分别为主、副散热器,副散热器在主散热器后部,在散热器的上面安装一级冷凝器,高压风扇独立安装。主、副散热器和一级冷凝器安装在车头,二级冷凝器安装在车架纵梁右边,PCU散热器安装在车架纵梁右边。

4.3 方案三

在此方案中,将PCU散热器安装在燃料电池散热器后部靠下位置,一级冷凝器安装在上部,带有一定的独立高压风扇,PCE主、副散热器和一级冷凝器安装在车头位置,FCE副散热器和风扇安装在车架纵梁右边,二级冷凝器安装在纵梁左边。

4.4 方案四

将FCE副散热器安装在主散热器后面,进行独立高压风扇的安装,将主、散热器安装在车头,PCU散热器安装在车架纵梁右边,在该方案中只设置了一个冷凝器,同样安装在车架纵梁左边。

5 热管理控制技术及具体策略

综合多种影响因素来看,在燃料电池客车的日常运营过程中,制定完善的热管理控制具体策略很有必要,在策略的制定过程中也要立足于实际,主要可以分为以下几点:
电器控制是燃料电池汽车日常运营中的重点和关键,相关的电器控制工作都利用的是控制器局域网技术,热管理控制技术作为整项控制工作中的重点,自然也就会对行业的长远健康发展产生重要的反作用,结合热管理工作的实际内容来看,控制器的组成和具体类型较为复杂,譬如空调压缩机控制器、空调控制器和水冷系统控制器等。
燃料电池客车不同于传统的燃油客车,散热量有了很大程度的提高,这时合理的热管理控制技术就显得尤为重要,能够有效提高车辆的散热效率,在FCE散热器工作和运转的过程中,整车管理控制器和FCE管理控制器能够发挥重要的辅助作用,不同的控制器各司其职,能够有效完成不同的散热任务,对于促进整车的散热工作也有较大的帮助。在散热的过程中,不仅要满足散热的实际需求,同时还要保持车辆的动力需求,因为燃料电池客车往往都有一定的运输任务,进行车辆动力需求的保障很有必要。
冷却风扇的控制工作也是热管理工作中的另一重点,冷却风扇能够在不同的转速下运行,结合实际散热工作来看,冷却风扇的工作压力比较大,因为冷却风扇肩负着PCE散热器、空调冷凝器和PCU散热器的冷却工作,如果散热需求比较大,就会通过较高的风扇转速完成散热任务,当然,如果冷却风扇没有开启,那么VMS就会对风扇控制器发送一定的信号,保证冷却风扇的低速运转,保障风扇最为基本的冷却能力。

6 燃料电池客车余热利用的可行性研究

余热利用也是燃料电池客车日常运营过程中的一大重点,因为燃料电池汽车的空调需要耗费一定的能源,燃料电池的大部分能量都通过余热的方式被浪费,所以说实现燃料电池客车余热利用工作很有必要,尤其是利用燃料电池余热实现制冷工作,是实现资源优化配置的又一重点。下面就针对余热利用的可行性进行研究。
不同的制冷系统有着不同的特点,选择合理的制冷系统能够实现燃料电池客车余热的有效利用。吸附式制冷系统,这种制冷系统的内部构造较为简单,汽车在日常运行过程中一些外部因素一般不会影响制冷器的正常工作,除此之外,整个制冷系统利用热源驱动,不会出现耗电的情况,这时对燃料电池汽车的余热进行利用尤为重要,这种制冷方式的发展前景比较广阔,但是这种制冷系统一般都处于实验阶段,但是这种系统也存在一定的弊端,因为这种系统主要利用的物理吸附方式,所以系统的体积较大,会对燃料电池客车的内部空间产生一定的负面影响。
吸收式制冷系统的应用也较为广泛,在热源温度比较低的情况下可以采用两级制冷系统,利用低品位余热,吸收式制冷系统的发展周期比较长,在长期的发展过程中积累了大量的经验和教训,但是这种系统的体积也比较大,如果采用两级制冷系统,也会在一定程度上增加系统的复杂性,除此之外,由于客车在日常运行的过程中,难免会出现颠簸的情况,如果出现了一定的颠簸,就会造成制冷剂的损失,也会对整个制冷系统的正常运转产生重要的负面影响,因此这也是燃料电池汽车日常应用中需要着重进行把握的关键点。
最后就是蒸汽喷射式制冷系统,如果冷凝温度比较低,能够得到较高的热力系数,但是系统COP会随着冷凝温度的升高下降,当然如果能够满足冷却系统的需求,对燃料电池汽车的余热进行利用就能够得到较好的制冷效果,喷射器气流产生的噪声比较大,会对客车乘客产生不良影响,所以对噪声进行把握也很有必要。
虽然燃料电池客车相较之传统的燃油客车,在污染程度上有了很大程度的降低,但是还存在一定的能源损失,所以加强余热利用工作很有必要,想要提高余热利用工作的效率和质量,可以从多个方面入手,一方面要对多种先进的余热利用设备进行利用,另一方面也要切实提高相关设计工作人员的素质,为余热利用工作的推进奠定坚实的人才基础。

7 结束语

综上所述,燃料电池客车的余热利用和热管理控制技术对于我国汽运行业的发展有着重要意义,可以说是任重而道远,但是局限于技术等层面的因素,在控制和管理的过程中还存在很多不足之处,为了保障相关工作的有序推进,可以从以下几个方面入手:从国家层面来说,要发挥自身宏观调控的作用,利用相关的福利政策,为行业的发展营造一个较为稳定的外部环境;从行业自身来说,要充分发挥自身的主观能动性,对多种影响因素进行把握,为行业的发展注入源源不断的动力。燃料电池客车的余热利用工作和热管理控制技术事关我国人民的日常生活质量,让我们携起手来一起努力。

作者:梁满志 囤金军 陈振国 陈波 张振旺

中通客车控股股份有限公司

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