某燃料電池公交車低溫采暖試驗研究*

王國卓 王志軍 郭婷 聶振宇 吳詩雨 武振

（1.中國汽車技術(shù)研究中心有限公司，天津 300300；2.中汽研汽車檢驗中心（天津）有限公司，天津 300300）

主題詞：燃料電池汽車 低溫冷起動 熱泵采暖 PTC采暖

1 引言

在國家節(jié)能減排和“雙碳”目標(biāo)的背景下，燃料電池汽車（Fuel Cell Vehicle，F(xiàn)CV）受到了越來越多的關(guān)注，國內(nèi)外的汽車廠商紛紛推出不同的FCV 車型，F(xiàn)CV 產(chǎn)銷量在近幾年取得了爆發(fā)式增長[1-2]。然而，F(xiàn)CV在技術(shù)方面仍然存在很多不足，例如燃料電池電堆的耐久性問題、低溫冷啟動問題等，其中低溫冷啟動問題是制約FCV在寒冷地區(qū)推廣應(yīng)用的重要因素，也是國內(nèi)外研究人員重點攻關(guān)的問題之一。目前，經(jīng)過一系列技術(shù)和控制策略方面的優(yōu)化，F(xiàn)CV的低溫冷啟動問題已得到初步改善[3-4]。在北京冬奧會期間，F(xiàn)CV 示范運行也取得了良好效果。FCV 的低溫冷啟動不應(yīng)只關(guān)注車輛能否正常啟動和行駛，車輛采暖效果也是影響駕駛員及乘客舒適性的一個重要指標(biāo)。因此，對FCV在低溫冷啟動過程中的采暖進行研究具有重要意義[5]。

本文對FCV 常用的采暖方式進行了分析，對比了熱泵采暖系統(tǒng)和PTC 采暖系統(tǒng)的原理和特點，并且以一款燃料電池公交車為例，分析了低溫冷啟動過程中的采暖效果，提出了進一步提升采暖效果的研究方向。

2 燃料電池汽車采暖系統(tǒng)

目前車輛使用的采暖方式主要有2 種，一種是熱敏電阻（Positive Temperature Coefficient，PTC）加熱采暖，另一種是熱泵采暖。除此之外，還有少部分車輛采用廢氣余熱采暖[6]，但是相對于燃油車，F(xiàn)CV 的廢氣溫度較低，并不適合采用廢氣余熱采暖的方式。

熱泵采暖系統(tǒng)基于逆卡諾循環(huán)，如圖1所示[7]。壓縮機為冷卻液的循環(huán)提供動力，并且將制冷劑蒸氣壓縮，使制冷劑蒸氣在車內(nèi)換熱器內(nèi)冷凝放熱，為車內(nèi)提供熱量。采用四通閥可以改變制冷劑的流動方向，從而實現(xiàn)夏季制冷、冬季制熱的功能[8-9]。

圖1 熱泵采暖系統(tǒng)示意[7]

熱泵系統(tǒng)的一個工作循環(huán)的制熱量為：

壓縮機消耗的功為：

因此熱泵系統(tǒng)的制熱COP為：

式中，ha、hb、hd分別為冷卻液在不同狀態(tài)下對應(yīng)的比焓值，顯然COP＞1。

熱泵系統(tǒng)可以很大程度利用冷卻液的相變潛熱，優(yōu)點是能量利用效率更高[10]，并且集制冷和制熱的功能于一體，使機艙內(nèi)的裝置更加緊湊，但是由于現(xiàn)用R134a 為制冷劑的熱泵空調(diào)低溫時產(chǎn)生的熱量不足，所以在低于-10 ℃的環(huán)境中還需采用PTC電加熱作為輔助采暖[11]。

PTC 采暖系統(tǒng)采用電源供電，即熱敏電阻產(chǎn)生的熱量為冷卻液加熱，冷卻液的熱量通過暖風(fēng)散熱器進入車輛中，如圖2 所示。PTC 采暖系統(tǒng)的出風(fēng)口一般位于靠近駕駛員和乘客足部的位置，也有一部分公交車的出風(fēng)口位于車輛頂部。

PTC 采暖系統(tǒng)的優(yōu)點是在任何的環(huán)境溫度下都可以工作，并且PTC的阻值會隨自身溫度的變化而變化：當(dāng)自身溫度降低時，阻值也會隨之減小，從而使PTC的發(fā)熱量增加。PTC加熱器的輸出功率為：

式中，U為熱敏電阻兩端的電壓;RPTC為熱敏電阻。

PTC 與冷卻液之間的熱量傳遞方式屬于強制對流換熱，其熱流密度可以用牛頓冷卻公式進行計算[12]：

式中，tPTC和tf分別表示PTC和冷卻液的溫度；h為表面換熱系數(shù)，可以用Dittus-Boelter公式進行計算：

式中，Nuf為冷卻液的努塞爾數(shù)；Ref為冷卻液的雷諾數(shù)；Rrf為普朗特數(shù)。

PTC采暖系統(tǒng)的制熱效率為：

式中，A為PTC 的表面積；qpump為冷卻液循環(huán)泵消耗的功率；qptc為PTC加熱器的輸出功率。

強制對流換熱方式的表面換熱系數(shù)一般要高于自然對流換熱，然而PTC采暖所使用的冷卻液不涉及相變過程，而且PTC熱敏電阻和冷卻液循環(huán)泵都會消耗能量，所以能量利用效率不如熱泵高，會縮短車輛的續(xù)駛里程，并且PTC采用的電加熱方式在安全方面也存在一定的隱患。但是當(dāng)FCV 在低溫環(huán)境下工作時，PTC采暖仍然是目前最理想的方案[13]。

3 試驗車輛參數(shù)及試驗流程

本文分析了一款燃料電池公交車在低溫啟動過程中，開啟PTC采暖系統(tǒng)后的車內(nèi)溫度變化。該款車輛同時使用燃料電池堆和動力電池作為動力源，基本參數(shù)如表1 所示。車輛采用PTC 采暖的方式，內(nèi)部一共有個7出風(fēng)口，分別位于司機腳下和車廂內(nèi)部前排、中排、后排的左右兩側(cè)乘客的腳部，車廂內(nèi)部的出風(fēng)口從前向后依次命名為第1 出風(fēng)口、第2 出風(fēng)口、第3出風(fēng)口，如圖3所示。

表1 燃料電池公交車基本參數(shù)

圖3 車輛內(nèi)出風(fēng)口位置示意

GB/T 12782—2007《汽車采暖性能要求和試驗方法》[14]中要求，在環(huán)境溫度（-25±3）℃下試驗進行到40 min或在環(huán)境溫度（-15±2）℃下試驗進行到35 min時，汽車采暖性能應(yīng)滿足如下要求：

（1）駕駛員、副駕駛員足部位置的環(huán)境溫度不小于15 ℃；

（2）乘客足部位置環(huán)境溫度不小于12 ℃；

（3）駕駛員、副駕駛員頭部位置環(huán)境溫度比足部溫度低2～5 ℃。

上述要求中，駕駛員頭部的測溫點位于駕駛員左耳外側(cè)20 mm 處，足部測溫點位于距客廂內(nèi)壁100 mm、地板上表面20 mm、前后方向距離駕駛員頭部測溫點500 mm 處；乘員足部測溫點位于距客廂內(nèi)壁100 mm、地板上表面20 mm、前后方向距乘員右耳500 mm 處；車外環(huán)境溫度測點位于右后視鏡中心距鏡面20 mm處。在測試過程中，需要啟動全部采暖裝置，并調(diào)到最大采暖位置。

GB/T 18386.1—2021《電動汽車能量消耗量和續(xù)駛里程試驗方法第一部分：輕型汽車》[15]也提出了低溫環(huán)境開啟暖風(fēng)裝置制熱狀態(tài)下能量消耗量和續(xù)駛里程試驗方法。

本文采用熱電偶測試了車輛內(nèi)不同位置處的溫度，例如出風(fēng)口溫度、駕駛員頭部和足部溫度、不同位置處乘客的頭部和足部溫度。出風(fēng)口位置處的熱電偶測點位于距離出風(fēng)口100 mm 處，駕駛員和乘客的頭部及足部處的熱電偶測點均按照GB/T 12782—2022中的要求進行布置。另外，本文也分別測試了車輛的燃料電池和動力電池的輸出功率。

本文的試驗流程如下：

（1）將車輛在環(huán)境艙中降溫至目標(biāo)溫度，然后靜置12 h；

（2）開啟車輛低壓電源為動力電池加熱；

（3）待動力電池溫度升高到指定值后，動力電池啟動，為燃料電池堆加熱；

（4）待燃料電池堆溫度升高到指定值后，燃料電池堆啟動；

（5）待燃料電池堆能夠穩(wěn)定運行后，開啟PTC 采暖系統(tǒng)，使PTC 采暖系統(tǒng)以最大功率模式持續(xù)工作40 min以上。

在本文的試驗中，車輛一直處于怠速狀態(tài)，燃料電池堆和動力電池所輸出的所有能量全部用于采暖系統(tǒng)的能量消耗。

4 試驗結(jié)果及分析

本文測試的FCV在-30.0 ℃的環(huán)境中啟動時的能量變化如圖4所示?？梢钥闯鲈趩拥那?80 s，動力電池和燃料電池并沒有功率輸出，說明在此階段是蓄電池在為動力電池加熱。在第281 s時，動力電池開始工作，為燃料電池堆加熱，此時的動力電池輸出功率較小。在第462 s以后，燃料電池堆啟動，先以較小的功率運行，待輸出電壓和電流穩(wěn)定以后再以70 kW左右較高功率穩(wěn)定運行。在燃料電池堆可以正常工作后，動力電池功率出現(xiàn)負(fù)值，說明此時燃料電池堆正在為動力電池充電，燃料電池堆和動力電池功率的差值為車輛電源的總輸出功率。在第506 s時，車輛開啟PTC采暖，在此階段中燃料電池堆既為PTC 采暖系統(tǒng)提供能量，也為動力電池充電，其中PTC采暖系統(tǒng)消耗的功率為20～30 kW。

圖4 車輛燃料電池和動力電池功率

車輛在低溫冷啟動過程中環(huán)境溫度和出風(fēng)口的溫度變化如圖5 所示。熱電偶測得環(huán)境溫度值在1 800 s和3 200 s左右出現(xiàn)了2次波動，這是由于測試人員上下車對車輛進行操作時開關(guān)車門導(dǎo)致，并且測得的溫度值在升高之后又降低至-30 ℃，這說明車外的環(huán)境溫度一直維持在-30 ℃。

圖5 出風(fēng)口處溫度

車輛在第506 s開啟PTC采暖，此時車輛內(nèi)部出風(fēng)口的溫度迅速升高，從圖5可以看出第1出風(fēng)口的溫度升高速率最快，其次是第2出風(fēng)口，第3出風(fēng)口的溫度升高地最慢，這是由于車輛的冷卻液存儲于尾部，第3出風(fēng)口位于PTC冷卻液管路的上游，所以冷卻液在剛進入第3出風(fēng)口處的加熱器時的初始溫度較低，而在進入第2和第1出風(fēng)口時的初始溫度已經(jīng)有所上升。出風(fēng)口的溫度在開啟PTC 加熱的初始階段升高速率較快，而后升高速率逐漸減慢，第1出風(fēng)口的溫度穩(wěn)定在30～40 ℃之間，第3出風(fēng)口的溫度穩(wěn)定在20 ℃。

駕駛員和部分乘客足部溫度變化如圖6所示。從不同測點處的溫度變化可以看出，左后排乘客的足部溫度最高，與右前排、駕駛員、左前排的溫度相差不大，右后排乘客的足部溫度最低，由此可以推測出車內(nèi)PTC冷卻液的流動方向是從車輛的右后方進入，在車內(nèi)逆時針流動一周后從左后方流出；駕駛員的足部溫度高于頭部，這是因為出風(fēng)口的暖風(fēng)會向車輛上部聚集。從第506 s啟動PTC采暖系統(tǒng)開始，40 min內(nèi)駕駛員的足部溫度沒有升高到15 ℃以上，頭部溫度也沒有升高到10 ℃以上，乘客位置只有左后排乘客足部的溫度升高到12 ℃以上。整個車輛內(nèi)部只有左后排乘客處的溫度達到GB/T 12782—2022[14]的要求。

圖6 駕駛員和部分乘客足部溫度

部分乘客足部和頭部溫度變化對比如圖7 所示。可以看出不同位置處的乘客頭部溫度相差不大，主要是因為暖風(fēng)從出風(fēng)口進入客艙后會向客艙上部流動，所以客艙上部的溫度分布會比下部更均勻，不同位置乘客頭部的溫度在啟動PTC 采暖系統(tǒng)后的40 min 內(nèi)均沒有升高到20 ℃以上。

圖7 部分乘客足部和頭部溫度

從試驗結(jié)果來看，該款燃料電池公交車在低溫冷起動過程中大部分位置處的溫度都沒有達到GB/T 12782—2022[14]相關(guān)要求，主要原因有以下4個方面。

（1）冷啟動的環(huán)境溫度為-30 ℃，低于標(biāo)準(zhǔn)中提到的（-25±3）℃的要求，車輛的初始溫度過低并且與環(huán)境的溫差較大會導(dǎo)致溫度升高速率減慢。

（2）標(biāo)準(zhǔn)中提出的采暖性能要求是針對所有車輛類型，包括乘用車和商用車，而公交車由于客艙空間較大，因此溫升速率較慢。

（3）該款燃料電池公交車的尺寸較大，而車內(nèi)的出風(fēng)口數(shù)量較少，因此采暖系統(tǒng)和車內(nèi)空間的換熱不夠充分。

（4）試驗過程中整輛車內(nèi)只有1名操作人員，如果車內(nèi)坐有乘客，乘客也可以作為熱源，也會加快車內(nèi)溫度升高。

5 結(jié)論

本文分析了汽車熱泵采暖系統(tǒng)和PTC 采暖系統(tǒng)的原理和特點，并且以一款燃料電池公交車為例分析了PTC采暖系統(tǒng)在公交車中的應(yīng)用效果，結(jié)果表明：

（1）熱泵采暖系統(tǒng)具有更高的能量利用效率，但是車輛在低于-10 ℃的環(huán)境下工作時，只能采用PTC采暖的方式，因此在寒冷環(huán)境下工作的車輛必須裝備PTC 采暖系統(tǒng)。考慮到對車輛整體能量利用效率的優(yōu)化，可以采用低溫下使用PTC 采暖、常溫或高溫下使用熱泵的方式。

（2）對于燃料電池汽車，車輛的能量來源主要為燃料電池堆和動力電池，PTC采暖系統(tǒng)工作時會消耗掉一部分能量，會縮短車輛的續(xù)駛里程，也會影響到車輛正常工作，因此優(yōu)化燃料電池汽車的能量管理方案至關(guān)重要。

（3）燃料電池公交車由于車內(nèi)空間較大，因此溫度升高速率較慢，建議采用增加出風(fēng)口數(shù)量、增大冷卻液流量的方式，強化采暖系統(tǒng)與車內(nèi)空間換熱。

（4）燃料電池汽車處于非怠速工況時，電堆的工作會產(chǎn)生更多的熱量，因此在未來可以針對燃料電池汽車低溫冷啟動中的采暖過程進行研究。

致謝

感謝中汽研汽車檢驗中心（天津）有限公司青年基金項目“基于環(huán)境工況的燃料電池汽車關(guān)鍵部件能耗測試方法研究（TJKY2223008）”以及中國汽車技術(shù)研究中心有限公司科研項目“燃料電池汽車能量管理與續(xù)駛里程測試評價研究（20220118）”對本文提供的支持。