氢燃料电池汽车整车集成式热管理系统研究

doi:10.19562/j.chinasae.qcgc.2023.11.001

摘要/Abstract

摘要：

有效的热管理对于燃料电池汽车（fuel cell vehicles，FCV）的高效运行至关重要。燃料电池汽车热管理多采用各子系统独立管理方式，然而这种独立的方式并不能很好地利用自身余热从而提高热管理效率和续航里程。对此，本文开发了一种利用燃料电池余热的整车集成式热管理（vehicle integrated thermal management，VITM）系统，采用热交换器进行一体化的VITM，实现燃料电池的余热回收和各部件高效的热管理，通过六通阀的集成设计实现各回路解耦的灵活管理。并在AMESim仿真平台上开展热管理的仿真研究。结果表明：本文开发的VITM系统能保持燃料电池汽车各部件稳定维持在规定的工作温度范围内；在-10 ℃的环境温度下，利用燃料电池余热作为热源的热泵空调给动力电池加热，与直接加热模式相比，加热时间缩短55%；给乘员舱加热的时间缩短85%，且能耗比（coefficient of performance，COP）值为4，能耗降低75%。

关键词: 燃料电池汽车, 集成式热管理, 余热回收

Abstract:

Effective thermal management is crucial for the efficient operation of fuel cell vehicles （FCVs）. Fuel cell vehicle thermal management often adopts independent management methods for each subsystem， but this independent method cannot effectively utilize its own waste heat to improve thermal management efficiency and range. In this regard， a vehicle integrated thermal management （VITM） system that utilizes fuel cell waste heat is developed in this paper. The VITM uses a heat exchanger to achieve waste heat recovery of fuel cells and efficient thermal management of various components. The flexible management of each circuit decoupling is achieved through the integrated design of six-way valves. And simulation research on thermal management is conducted on the AMESim simulation platform. The results show that the VITM system developed in this paper can maintain the stability of various components of fuel cell vehicles within the specified operating temperature range. At an ambient temperature of -10 ℃， compared with direct heating mode， a heat pump air conditioner using fuel cell waste heat as a heat source to heat the power battery， the heating time is reduced by 55%.The heating time for the passenger compartment is reduced by 85%， and the energy consumption ratio （COP） value is 4， resulting in a 75% reduction in energy consumption.

Key words: fuel cell vehicles, integrated thermal management, waste heat recovery

朱仲文,汪鑫,江维海,李丞. 氢燃料电池汽车整车集成式热管理系统研究[J]. 汽车工程, 2023, 45(11): 1991-2000.

Zhongwen Zhu,Xin Wang,Weihai Jiang,Cheng Li. Research on Integrated Thermal Management System of Hydrogen Fuel Cell Vehicle[J]. Automotive Engineering, 2023, 45(11): 1991-2000.

图/表 19

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参考文献 17

1	欧阳明高.我国节能与新能源汽车发展战略与对策［J］. 汽车工程，2006，28（4）：317-321.
	OUYANG M G. Development strategy and countermeasures for energy conservation and new energy vehicles in China ［J］. Automotive Engineering，2006，28（4）：317-321.
2	SUNG W，SONG Y I，YU K H，et al. Recent advances in the development of Hyundai · Kia’s fuel cell electric vehicles ［C］. SAE Paper 2010-01-1089.
3	ZHANG Y， ZHANG C， HUANG Z， et al. Real-time energy management strategy for fuel cell range extender vehicles based on nonlinear control ［J］. IEEE Trans Transport Electr，2020，5（4）：1294-1305.
4	LI M， BAI Y， ZHANG C， et al. Review on the research o hydrogen storage system fast refueling in fuel cell vehicle ［J］. Int J Hydrogen Energy， 2019，44（21）：10677-10693.
5	常国峰，许艺鸣，樊芮嘉.进口温湿度对质子交换膜燃料电池输出性能的影响［J］.同济大学学报（自然科学版），2021，49（S1）：231-237.
	CHANGT G F， XU Y M， FAN R J. The effect of imported temperature and humidity on the output performance of proton exchange membrane fuel cells ［J］. Journal of Tongji University （Natural Science Edition）， 2021，49 （S1）： 231-237.
6	李冠中，李琛研.低温环境下纯电动汽车动力电池热管理方法［J］.汽车实用技术，2023，48（6）：10-16.
	LI G Z， LI C Y. Thermal management methods for pure electric vehicle power batteries in low-temperature environments ［J］. Automotive Practical Technology，2023，48（6）：10-16.
7	李军求，吴朴恩，张承宁.电动汽车动力电池热管理技术的研究与实现［J］.汽车工程，2016，38（1）：22-27，35.
	LI J Q， WU P E， ZHANG C N. Research and implementation of thermal management technology for electric vehicle power batteries ［J］. Automotive Engineering，2016，38 （1）： 22-27，35.
8	LIN J C， LAI C M， TING F P， et al. Influence of hot-pressing temperature on the performance of PEMFC and catalytic activity［J］. J Appl Electrochem，2009，39：1067-1073.
9	PUTRA N， ARIANTARA B. Electric motor thermal management system using L-shaped flat heat pipes［J］. Applied Thermal Engineering， 2017，126：1156-1163.
10	RUGH J P， BENNION K， BROOKER A， et al. PHEV/EV integrated vehicle thermal management e development of a KULI model to assess combined cooling loops［J］. Vehicle Thermal Management Systems Conference and Exhibition （VTMS10）， 2011：649-660.
11	CHANG H， WAN Z， ZHENG Y， et al. Energy- and exergy-based operating fluid selection and performance analysis of a high-temperature PEMFC-based micro combined cooling heating and power system［J］. Applied Energy， 2017， 204： 446-458.
12	LU D， YI F， LI J. Optimization of the adaptability of the fuel cell vehicle waste heat utilization subsystem to extreme cold environments ［J］. Sustainability， 2022， 14（18）： 11570.
13	ALBERTO B， PABLO O， XANDRA M， et al. Different strategies in an integrated thermal management system of a fuel cell electric bus under real driving cycles in winter ［J］. Energy Conversion and Management，2023，288：117137.
14	XU J， ZHANG C， FAN R， et al. Modelling and control of vehicle integrated thermal management system of PEM fuel cell vehicle［J］. Energy， 2020， 199（4）：117495.
15	DICKS A， RAND D A J. Fuel cell systems explained ［M］.Wiley，2000.
16	王峰，李茂德. 电池热效应分析［J］.电源技术， 2010（3）：4.
	WANG F， LI M D. Thermal effect analysis of batteries ［J］. Power Technology， 2010 （3）： 4.
17	刘子诚.Model Y热管理系统研究［J］.机电信息，2022（10）：71-73，77.
	LIU Z C. Research on model Y thermal management system ［J］. Electromechanical Information， 2022 （10）： 71-73，77.

参数	数值
整车质量/kg	3 375
长×宽×高/mm	6200×1998×2785
迎风面积/m²	4.9
轴距/mm	3 780
车轮规格	6.50R16LT 12PR
最大爬坡率/%	20

参数	数值
单体数量	280
额定功率/kW	85
峰值功率/kW	95
输出电压/V	160～300
输出最大电流/A	550
冷启动最低温度/℃	-30
平均工作温度/℃	60～80

参数	数值
电池类型	磷酸铁锂电池
电池包总能量/（kW·h）	80
工作电压范围/V	460～670
标准充电电流/A	140
最大持续放电电流/A	140
最佳工作温度/℃	20～40
工作温度范围/℃	-30～60
最低充电温度/℃	0

参数	数值
电机类型	永磁同步电机
额定电压/V	387
峰值功率/kW	140
额定功率/kW	70
最高效率/%	94
工作温度范围/℃	-40～105

参数	数值
最高工作电压/V	720
最低工作电压/V	300
最高效率/%	98
工作温度范围/℃	-40～85