燃料电池商用车低温启动过程中的能量流分析

琦睿电池科技专注于储能及氢燃料电池发动机、仿真系统及相关关键零部件自主研发及产业化的高新技术企业。目前氢能事业部核心产品有燃料电池仿真系统、燃料电池增湿器、燃料电池离子过滤器、燃料电池水气分离器、燃料电池引射器、燃料电池空压机、燃料电池氢气循环泵等。

1、引 言

燃料电池汽车（FCV）由于具有环保、噪声小、效率高的优点，近年来在国内外受到了广泛的关注，并且全球范围内多家汽车制造厂商纷纷推出FCV产品，包括商用车和乘用车。与纯电动汽车充电时间较长这一特点相比，FCV在5min左右即可完成一次氢气加注，极大地方便了用户的出行。另外，动力电池在低温下面临着性能衰减、续驶里程“缩水”的问题，而燃料电池的使用可以缓解这些问题。然而，FCV在推广应用的过程中仍然存在诸多制约因素，例如当车辆在低温环境（低于0°C）下停放时，燃料电池内部残留的水可能会结冰，对车辆下次的启动造成干扰；车辆在低温下启动时，燃料电池产生的水可能会重新结冰，堵塞反应气体的通道；另外，当燃料电池温度低于正常工作温度（60~80°C）时，其输出性能也会下降，因此，有必要对FCV的低温启动过程进行研究。目前国内外的研究人员提出了多种低温启动方案，包括停机吹扫、停机后电池继续低电流运行、外部热源加热的方式，这些方式都离不开FCV的能量管理策略的实施。Wang等以NEDC循环和CLTC循环为例，对车辆怠速和运行工况下的能量流进行了分析和研究；Hao等提出了一种适用于插电式和非插电式混合动力燃料电池汽车的电能消耗率的测试方法；Shen等设计了一种FCV的能量管理方案，通过使用最优控制原理，降低了氢气消耗量，提高了系统性能。因此，对FCV工作过程中的能量流进行分析，可以了解汽车的能量分配策略，有助于优化汽车的能量管理模式、提高整车的系统效率、提高FCV低温启动能力。

2、燃料电池汽车的工作原理

燃料电池的输出功率PFC可以用以下公式计算：

PFC=IFCUFC（2）

式中，I为电流；U为电压；下标FC表示燃料电池。动力电池的输出功率PBAT可以用下式计算：

PBAT+IBATUBAT（3）

式中，下标BAT表示动力电池。

燃料电池的输出能量EFC可以用以下公式计算：

式中，T为总采样时间。

动力电池的输出能量EBAT可以用下式计算：

3、车辆低温启动过程中的能量流控制策略

以一款燃料电池客车为例，分析FCV在低温启动工程中的能量流控制策略以及能量变化。该车的外型尺寸为12.0m×2.6m×3.8m，电机功率为170kW，燃料电池堆的额定功率为150kW，动力电池的额定电压为630V。

4、试验结果及分析

在FCV稳定怠速运行期间，燃料电池持续为动力电池充电，并为车辆的其它附件提供能量。由于在509s开启空调为乘员舱内供暖，动力电池的充电功率降为30~40kW，平均值为35kW，动力电池消耗的功率占燃料电池发电功率的48.6%。

FCV在低温启动过程中，燃料电池、动力电池发电量和其它附件耗电量的变化如图4所示。在燃料电池功率升高至最大稳定功率前，动力电池总共提供了0.17kW·h的能量。在燃料电池启动后，燃料电池发电量和其它附件耗电量的差值即为燃料电池为动力电池充电消耗的电量。从燃料电池启动至稳定功率运行之间的阶段，燃料电池总共产生了0.42kW·h的能量，因此在FCV低温启动的过程中，动力电池提供的能量相当于燃料电池提供能量的40.5%，燃料电池输出能量的贡献率为71.2%。

在燃料电池稳定运行阶段，燃料电池的发电量为11.96kW·h，其中为动力电池充电消耗了6.25kW·h，为其它附件的工作提供了5.71kW·h。为动力电池充电消耗的能量占燃料电池发电量的52.3%，超过了燃料电池发电量的50%，不过当其它附件的用电需求增加或者动力电池电量充满以后，这一比例会有所降低。

5、结束语