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燃料电池公交车暖风系统对续驶里程的影响
2020-08-31 23:27:21· 来源：《燃料电池公交车暖风系统对续驶里程的影响》
0 引言相对于柴油机客车，燃料电池的能量转换效率更高，但意味着废热相对低，供暖可利用的余热较少，需要燃料电池的一部分电能用于供暖，因此在寒冷地区燃料电池
0 引言
相对于柴油机客车，燃料电池的能量转换效率更高，但意味着废热相对低，供暖可利用的余热较少，需要燃料电池的一部分电能用于供暖，因此在寒冷地区燃料电池汽车的续航里程将大大降低。本文中对燃料电池公交车的暖风系统对续航里程的影响进行研究，为燃料电池公交车开发提出改善建议。
1 客车采暖需求
暖风散热器总功率为除霜机和所有的散热器及供暖空调散热功率的总和。目前国内及部分国外的暖风性能要求为在某稳定环境温度下，暖风开启一定时间后，车上几个测试点温度应达到规定值。
大型高三级客车的人均供热功率为2000kJ/h，即0.56kW，我国东北地区运营的公交车采暖需求应适当加强，而公交车经常开门，所以按照载客数的1.2倍计算采暖需求。12m公交车运营时，平均载客量约为50人，因此12m公交车采暖功率约为33.6kW。
目前在用的传统车型中，比较典型的采暖方案为采用7个壁挂式散热器，每个功率为3.6kW，除霜机功率为7.5kW，司机座椅下暖风机功率为2.2kW，合计为34.9kW。
按照文献的要求，结合东北地区寒冷工况，本文中以35kW作为12m公交车的暖风散热需求功率，评估燃料电池系统氢气消耗情况。当整车可利用的废热功率不满足整车采暖需求时，需要考虑增加正温度系数(positive temperature coefficient，PTC)热敏材料电暖设备作为补充，整车使用PTC采暖的方式一般有2种:1)通过PTC加热循环水，补充整车采暖热量;2)直接在车内布置PTC散热器，将电热直接作用至乘客舱。PTC加热循环水方案存在管路散热、热交换效率等问题，热量在传输过程存在损失，因此在东北寒冷地区推荐使用热效率更高的第二种方案，即PTC散热器直接使用电热。
目前燃料电池客车的暖风系统仍然借鉴传统柴油车的采暖方案，即使用燃料电池的冷却液进行乘客舱加热，热量不足的部分，使用燃料电池发出的电能通过PTC电加热补充。由于燃料电池的废热较少，需要补充较多的PTC电加热系统，完成车内取暖。燃料电池客车暖风方案如图1所示。
2 氢耗分析
燃料电池公交车的氢耗主要由驱动整车所需的能量、燃料电池废热、用于PTC发热补充暖风所消耗的氢能等3部分组成。
2.1 无暖风时燃料电池公交车续驶里程计算
公交车不同驱动方案能耗仿真结果如表1所示。按照表1中国典型城市公交循环工况计算，综合考虑驱动系统不同形式，以取平均值的方式获取驱动12m公交车单位里程消耗的能量Ed=2.97MJ/km(包含制动能量回收，系统采用电平衡方案计算)，循环里程S0=5.92km，辅机系统需求功率Pa=2kW，循环时间t0=1314s。
考虑辅机，一个循环消耗的能量
可得，E0=20.2MJ。
12m燃料电池公交车一般采用35MPa车载储氢系统，8个储氢装置，每个装置储氢体积约为140L，在15℃时，氢气密度为24g/L，储氢量为26.88kg，可用氢量m0约为25kg，氢气的热值w约为1.4×10J/kg，目前商品化的燃料电池的效率η约为50%。
不考虑采暖，12m燃料电池公交车的续驶里程
可得S=513km。
2.2 开暖风时燃料电池公交车续驶里程计算
由于高压气态储氢系统特性，在－30℃时，氢气密度为27.6g/L，使用8×140L的储氢系统，可以存储氢气约30.9kg，可用氢量m0为28.7kg。燃料电池汽车采用燃料电池冷却水加PTC电热方式供暖。
驱动整车完成中国典型城市公交循环工况循环需求功率
可得P0=15.37kW。
按照燃料电池效率为50%计算，燃料电池散热功率P1=15.37kW。采用水暖部分，考虑到尾排、管路损失等因素，用于乘客舱加热的热量按照水暖热量的80%估算，不足的部分利用燃料电池发电驱动PTC加热完成，PTC散热效率按照理论值即100%计算。
燃料电池公交车的采暖需求功率
式中:PH=35kW;Pp为PTC散热功率，kW。
由(1)可得，Pp=25.22kW。
整车需求功率
可得P=55.96kW。
开暖风时12m燃料电池公交车的续驶里程
可得S=323km。
由上述计算可知，在寒冷工况下开启暖风系统时，燃料电池汽车的续航里程约为323km，相对于不开暖风工况的513km的续航里程，减少了190km，降幅约为37%。
3 结语
本文中所有计算均基于中国典型城市公交循环工况计算，与实际工况有差别，仅从计算角度，评估暖风对续驶里程的影响。结合计算过程及燃料电池公交车目前现状，得出如下结论及建议。
燃料电池汽车续驶里程在寒冷地区会出现大幅缩减，不考虑燃料电池部件本身特性影响，从能量角度计算，续驶里程下降约37%。
低温可以增加车载储氢系统的储氢量，但不足以消除暖风对续驶里程的影响。
考虑到管路散热、热交换效率等问题，燃料电池公交车的暖风系统不推荐使用通过PTC加热循环水的方式供暖，适合直接使用电热供暖，提升燃料电池使用效率。
未来燃料电池公交车暖风设计可以考虑增加类似燃油加热器的方式，使用甲醇等便于加注、成本较低、排放较好的清洁燃料，减小燃料电池发动机的能耗，提高燃料电池公交车在寒冷地区的续航里程。
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