燃料电池重卡热管理研究

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。


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。


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。


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。


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。