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DOI：https://doi.org/10.1016/j.etran.2024.100341
引言
燃料电池混合动力车辆通常配备有燃料电池和动力电池两个能量源，其中燃料电池在运行时会产生大量的废热。在低温环境下，这些废热的充分利用可以有效弥补电动车辆热源不足的问题。然而，现有的双能量源混合动力车辆尚未充分考虑电热协同控制，低温环境下乘员舱的供热能耗、升温时间以及供热对续驶里程的影响等问题也未得到充分关注。针对这些实际问题和研究空白，本文为燃料电池混合动力客车提出了一种电热协同能量管理策略，该策略充分考虑了燃料电池余热的充分利用。在全气候场景下，本文对比分析了纯电动工作模式和混合动力工作模式下的多模态车辆能量流耦合规律，并展示了燃料电池系统如何提升低温工况下电动汽车的能效和性能。
图1展示了在环境温度介于-2℃至0℃之间，乘员舱初始温度为1℃的条件下，燃料电池客车在单个CHTC-B循环工况混动工作模式下的能流情况。由该图可知，燃料电池在运行过程中的电能转换效率仅为50%左右，其余能量则主要以热量的形式散失。然而，考虑到乘员舱采暖需要大量的热能，因此将部分燃料电池产生的余热用于乘员舱的供热，是实现能量充分利用的有效方式。由于燃料电池电动客车具有多样的工作模式，并且环境温度变化范围广泛，因此需要深入探究不同工作模式与环境温度下燃料电池与电池的配合策略，以期在各模式下实现最优的整车能量利用率。
图1 低温环境下混动工作模式的燃料电池客车能流图
实验方案简述
为了全面获取燃料电池客车在不同工作模式下的能量流分配，本文在宽温域条件下进行了多个循环的实验。如图2所示，实验方案不仅涵盖了双电机系统的驱动能耗，还特别纳入了高能耗场景，如电池自加热、乘员舱加热以及乘员舱制冷等。为了精确掌握乘员舱的热功率需求，我们在驾驶员座椅、出风口、内壁、地板、乘客区等典型区域布置了温度传感器。同时，在电池、燃料电池以及车辆外壁等位置也布置了其他温度传感器。通过采集集成控制器中的电流信号，我们详细记录了各系统之间的能量流动情况。循环1-3代表车辆冷启动过程中的实验循环，这一过程中需要在行驶的同时实现乘员舱的升温。其余的实验循环是在不同的环境温度下，保持乘员舱温度维持在设定温度条件下的循环工况。其中，在纯电模式下，乘员舱加热完全由PTC提供，混合动力模式下则由燃料电池的余热和PTC供热协同提供。
图2 燃料电池混合动力客车实验测试方案示意图
电热协同控制策略
如图3所示，电热协同控制是基于整车对电能与热能的实时需求预测，通过制定最优能量管理策略实现电能与热能供应侧的最优分配与利用。其中，通过热平衡方程计算乘员舱热负荷，电功率与机械功率的转换需要考虑电驱动系统的工作效率，在获取电功率和热功率需求后，通过优化燃料电池与动力电池的输出功率达到电热协同优化供给的目的。在燃料电池混合动力客车上，为确保燃料电池系统的稳定安全运行，其冷却系统始终处于工作状态。在燃料电池低功率运行时，电堆产生的废热均通过冷却系统排出，无法用于乘员舱采暖。基于以上情况，我们获取了燃料电池最大可用余热量与环境温度及放电电流之间的关系（如图4所示），并将其用于优化不同工况下的电热协同控制策略。
图3 燃料电池混合动力客车电热协同控制策略示意图
图4 燃料电池最大可用余热量与环境温度及放电电流之间的关系
实验结果和讨论
1. 车辆冷启动过程
车辆冷起动过程的实验结果如图5至图10所示。实验循环1和循环2是不同环境温度下，车辆处于纯电工作模式时的车辆冷启动过程，实验结果见图5至图8。在该模式下，电池输出功率为加热功率与机械功率之和，由于乘员舱采暖对热功率的需求很高，此时PTC处于最大功率运行状态。在循环2中，在接近-10℃的环境下，由于电池作为唯一供热能量来源，在1800s后乘员舱仍未达到设定温度。在循环3中，车辆处于混动模式，在低驱动功率需求时，燃料电池为动力电池充电（图9（a））；PTC仅在乘员舱的快速升温阶段以最大功率运行，一般情况下仅起到辅助作用（图9（b））。在相同的实验条件下，混动模式下乘员舱由环境温度升温至设定温度仅需要850s，并且采样点之间的温度差异显著小于循环1中的温度差异，提升了乘员舱的热舒适性（图10（a））。在能量流方面，电驱动系统的能耗在不同循环下接近，纯电模式下PTC供热能耗分别达到了33%和40%，相比之下，燃料电池的余热量极大降低了PTC供热能耗比例。
图5 循环工况1实验结果：
（a）纯电模式下的电池输出功率与驱动功率；（b）环境温度与PTC加热功率
图6 循环工况1实验结果：
（a）乘员舱不同位置处的温升曲线；（b）纯电模式下的电耗分布情况
图7 循环工况2实验结果：
（a）纯电模式下的电池输出功率与驱动功率；（b）环境温度与PTC加热功率
图8 循环工况2实验结果：
（a）乘员舱不同位置处的温升曲线；（b）纯电模式下的电耗分布情况
图9 循环工况3实验结果：
（a）混动模式下的电池充放电功率与驱动功率；（b）环境温度、燃料电池功率以及PTC加热功率
图10 循环工况3实验结果：
（a）燃料电池余热和PTC协同供热下乘员舱不同位置处的温升曲线；（b）混动模式下的能流分布情况统计
2. 低温下车辆正常行驶过程
循环6和循环7是燃料电池混合动力客车在-2℃左右的环境温度下，乘员舱温度保持在20℃左右时的循环工况。其中，循环6采取的是电热协同控制策略，循环7采取的是基于原始设定规则的控制策略。由图11可以看出，在电热协同控制策略下，PTC仅在加速功率高时才被激活，因为燃料电池提供的热量不能满足座舱热需求。此时，燃料电池和动力电池都为双电机系统提供动力。能量流结果显示，通过协同优化燃料电池和电池的电功率分配，燃料电池和PTC热功率分配以及双电机扭矩分配，可以在相同的热舒适性和精确功率输出的情况下，有效提高能量转换效率。相同试验条件下，电热协同控制策略有效降低了9.3%的能源成本。
图11 循环工况6和循环工况7的实验结果：（a）采用电热协同控制策略时电池的充放电功率与电驱动功率；（b）燃料电池输出功率、PTC功率以及环境温度；（c）乘员舱测点温度；（d）循环6与循环7的能流分布对比
论文总结
在车辆冷起动时乘员舱升温的单循环工况下，纯电动模式时的PTC耗电量与总能耗的占比超过30%。而在混合动力模式下，通过电热协同控制，乘员舱电加热能耗显著降低，燃料电池的余热充分利用极大降低了乘员舱的供热电耗。通过电池与燃料电池的协同供热，乘员舱升温速率比纯电模式可提升35%，仅需787 s即可将乘员舱温度升高15℃。所提出的电热协同控制策略在混动模式下有效降低了9.3%的能源成本，最后文章对碳排放量进行了统计，在所有循环平均看来，纯电动和混合动力驱动模式的排放分别为9.65和2.46 kg/循环。
国际交通电动化杂志
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