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(yàn)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(dòng) 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(dòng)問題等，其中低溫冷啟動(dòng)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(diǎn)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(dòng)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(yùn)行也取得了良好效果。FCV 的低溫冷啟動(dòng)不應(yīng)只關(guān)注車輛能否正常啟動(dòng)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(gè)重要指標(biāo)。因此，對FCV在低溫冷啟動(dòng)過程中的采暖進(jìn)行研究具有重要意義[5]。

本文對FCV 常用的采暖方式進(jìn)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(diǎn)，并且以一款燃料電池公交車為例，分析了低溫冷啟動(dòng)過程中的采暖效果，提出了進(jìn)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(jī)為冷卻液的循環(huán)提供動(dòng)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(dòng)方向，從而實(shí)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(gè)工作循環(huán)的制熱量為：

壓縮機(jī)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(diǎn)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(jī)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(shí)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(jìn)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(diǎn)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(shí)，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(qiáng)制對流換熱，其熱流密度可以用牛頓冷卻公式進(jìn)行計(jì)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(jìn)行計(jì)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?cái)?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(qiáng)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(shí)，PTC采暖仍然是目前最理想的方案[13]。

3 試驗(yàn)車輛參數(shù)及試驗(yàn)流程

本文分析了一款燃料電池公交車在低溫啟動(dòng)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(shí)使用燃料電池堆和動(dòng)力電池作為動(dòng)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(gè)7出風(fēng)口，分別位于司機(jī)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(yàn)方法》[14]中要求，在環(huán)境溫度（-25±3）℃下試驗(yàn)進(jìn)行到40 min或在環(huán)境溫度（-15±2）℃下試驗(yàn)進(jìn)行到35 min時(shí)，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(diǎn)位于駕駛員左耳外側(cè)20 mm 處，足部測溫點(diǎn)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(diǎn)500 mm 處；乘員足部測溫點(diǎn)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(diǎn)位于右后視鏡中心距鏡面20 mm處。在測試過程中，需要啟動(dòng)全部采暖裝置，并調(diào)到最大采暖位置。

GB/T 18386.1—2021《電動(dòng)汽車能量消耗量和續(xù)駛里程試驗(yàn)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(yàn)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(diǎn)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(diǎn)均按照GB/T 12782—2022中的要求進(jìn)行布置。另外，本文也分別測試了車輛的燃料電池和動(dòng)力電池的輸出功率。

本文的試驗(yàn)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(dòng)力電池加熱；

（3）待動(dòng)力電池溫度升高到指定值后，動(dòng)力電池啟動(dòng)，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(dòng)；

（5）待燃料電池堆能夠穩(wěn)定運(yùn)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(yàn)中，車輛一直處于怠速狀態(tài)，燃料電池堆和動(dòng)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(yàn)結(jié)果及分析

本文測試的FCV在-30.0 ℃的環(huán)境中啟動(dòng)時(shí)的能量變化如圖4所示。可以看出在啟動(dòng)的前280 s，動(dòng)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(dòng)力電池加熱。在第281 s時(shí)，動(dòng)力電池開始工作，為燃料電池堆加熱，此時(shí)的動(dòng)力電池輸出功率較小。在第462 s以后，燃料電池堆啟動(dòng)，先以較小的功率運(yùn)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(yùn)行。在燃料電池堆可以正常工作后，動(dòng)力電池功率出現(xiàn)負(fù)值，說明此時(shí)燃料電池堆正在為動(dòng)力電池充電，燃料電池堆和動(dòng)力電池功率的差值為車輛電源的總輸出功率。在第506 s時(shí)，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(dòng)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(dòng)力電池功率

車輛在低溫冷啟動(dòng)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(dòng)，這是由于測試人員上下車對車輛進(jìn)行操作時(shí)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(shí)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(jìn)入第3出風(fēng)口處的加熱器時(shí)的初始溫度較低，而在進(jìn)入第2和第1出風(fēng)口時(shí)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(diǎn)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(dòng)方向是從車輛的右后方進(jìn)入，在車內(nèi)逆時(shí)針流動(dòng)一周后從左后方流出；駕駛員的足部溫度高于頭部，這是因?yàn)槌鲲L(fēng)口的暖風(fēng)會向車輛上部聚集。從第506 s啟動(dòng)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(gè)車輛內(nèi)部只有左后排乘客處的溫度達(dá)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?？梢钥闯霾煌恢锰幍某丝皖^部溫度相差不大，主要是因?yàn)榕L(fēng)從出風(fēng)口進(jìn)入客艙后會向客艙上部流動(dòng)，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(dòng)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(yàn)結(jié)果來看，該款燃料電池公交車在低溫冷起動(dòng)過程中大部分位置處的溫度都沒有達(dá)到GB/T 12782—2022[14]相關(guān)要求，主要原因有以下4個(gè)方面。

（1）冷啟動(dòng)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(yàn)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(diǎn)，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(shí)，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(dòng)力電池，PTC采暖系統(tǒng)工作時(shí)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(qiáng)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(shí)，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(dòng)中的采暖過程進(jìn)行研究。

致謝

感謝中汽研汽車檢驗(yàn)中心（天津）有限公司青年基金項(xiàng)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(xiàng)目“燃料電池汽車能量管理與續(xù)駛里程測試評價(jià)研究（20220118）”對本文提供的支持。