燃料电池发动机-20℃冷启动研究.pdf

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A 版 燃料电池发动机一2 0o C 冷启动研究 汪飞杰 ( 上海汽车集团股份有限公司技术中心,上海2 0 1 8 0 4 ) 【摘要】 文章对上汽燃料电池发动机进行了一2 0 冷启动试验研究。基于现有系统架构和控制策略,利用环 境仓内开发试验台架,成功完成一2 0 冷启动,启动时长为4 0s ,电堆单池一致性满足要求,无明显单低和反极现象。 同时对启动过程中的能量分配和停机吹扫进行了分析,为后续一3 0 冷启动策略开发提供宝贵经验。 【A b s t r a c t 】T h i sp a p e ri n t r o d u c e st h er a p i ds t a r t u pe x p e r i m e n to fS A I Cf u e lc e l le n g i n eo n t e s tb e n c h B a s e do ne x i s t i n gs y s t e ma r c h i t e c t u r ea n dc o n t r o ls t r a t e g y ,b yu s i n gt h et e s tb e n c hi ne n v i r o n m e n t a ls t o r e h o u s e t h es y s t e mf i n i s h e d 一2 0 c o l ds t a r t u pe x p e r i m e n ts u c c e s s f u l l ya n dt h et i m e i s4 0S T h e r ei sn oo b v i o u sl o wc e l lv o l t a g ea n dc o f l t r ap o l a r i z a t i o np h e n o m e n o n ,w h i c hm e a n sg o o d c o n s i s t e n c y M e a n w h i l e ,p o w e rd i s t r i b u t i o na n ds t o pp r o c e s ss t r a t e g ya r ea n a l y z e d ,w h i c hs u p p o r te x - p e r i e n c ef o rf o l l o w u p 一3 0 s t r a t e g yd e v e l o p m e n t 【关键词】燃料电池发动机冷启动台架试验 d o i :1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 7 - 4 5 5 4 2 0 1 7 0 8 0 1 0 引言 质子交换膜燃料电池( P E M F C ) 具有运行温度 低、启动快速、能量效率高和无污染等优点J 。现 阶段制约燃料电池车发展的主要内部因素有:车 辆续驶里程,燃料电池发动机耐久性,车辆冷启动 能力和成本过高2o 。上汽针对以上问题进行了大 量工作,通过提高燃料电池电堆性能、优化系统架 构和控制逻辑,有效提升了发动机的耐久性、使用 效率和冷启动的能力。 2 0 1 6 年上汽生产的某款燃料电池车在续驶里 程、冷启动能力和发动机耐久性等方面显示了优 越的性能,使其与传统车之间的差距进一步缩减。 一种在零下环境中快速启动燃料电池发动机的方 法显著提升了车辆冷启动能力,使车辆可以在 收稿1 3 期:2 0 1 7 0 4 2 7 上海汽车2 0 1 7 0 8 2 0 环境中快速启动。 目前,国内外车企对燃料电池发动机的冷启 动能力进行了大量台架和实车试验,主要车企的 燃料电池发动机冷启动水平如表1 所示。上汽与 国外车企的燃料电池冷启动水平还有一定距离, 需要继续改进技术,提升实力。 表1国内外车企燃料电池冷启动温度对照表 日产 本田丰田 M o d e l现代 通用 车企上汽 D O E C l a r i t y M i r a iX T u C $ 0 1 1G e n1 T m i l 冷启动 一2 0一3 03 0一2 02 0 一4 0 7 一2 0 温度 数据公布 2 0 1 52 0 0 8 3 2 0 0 8E 4 2 0 0 8 I s 2 0 0 6E 6 2 0 1 0 s 时间年 研究所和高校也对燃料电池进行了大量的冷 启动研究。郑浩等分别测试了电堆初始温度、 - 3 万方数据 起动电压、吹扫时间等多种因素对电堆冷起动性 能的影响。J i a n gF M 等H 叫通过仿真进行非等温冷 启动的研究,发现此时膜可以吸收更多的水含量, 同时催化层内的结冰量也较少。I s h i k a w a 等川通 过可视化技术对单电池一1 0 冷启动过程中催化 层生成的液态水进行观察。 目前,国内外关于燃料电池冷启动的研究,主 要集中在仿真和理论研究,实践方面大都集中在 单电池上。车用级燃料电池发动机的冷启动主要 集中在整车厂2 、1 3 1 。本文通过台架试验,对车用 燃料电池发动机进行了快速冷启动研究。 1 冷启动试验条件 1 1 燃料电池系统 燃料电池发动机系统主要由电堆模块、供空 系统、供氢系统、热管理系统和电控系统5 部分组 成,如图1 所示。外界空气在空压机的作用下提 升压力,经过空气过滤器进入系统,为了增加湿度 和降低温度,采用增湿器和中冷器。节气门和空 压机的联动可以调节空气路的流量和压力,以配 合不同输出功率下的操作条件。氢气由高压氢瓶 提供,通过减压器进入氢气供应系统,保证人堆的 压力和流量。过量的氢气大部分由氢气循环系统 导回至电堆入口,小部分由排氢电磁阀排放至空 气尾排管,与过量的空气一同排至大气。发动机 运行过程中会产生大量的热量,冷却泵推动冷却 液将电化学产生的热量带至散热系统,保证热量 的正常扩散。电控系统包括控制器、单电池巡检、 传感器和高低压线束,通过传感器检测系统状态, 反馈信号至控制器,结合策略逻辑调整执行器运 行,以保证发动机正确工作。 1 2 试验条件 燃料电池发动机需要进行冷启动策略开发, 而台架试验是其中至关重要的一步。冷启动策略 开发包括启动和停机吹扫时的各执行器操作参数 确定和逻辑程序优化。 为保证冷启动试验的正常进行,提供了相应 配套设备:燃料电池电堆( 额定4 3k W ) 、系统零部 件、工控机、上位机软件、环境仓( 可模拟一4 0 4 图1 燃料电池系统简易原理图 5 0 环境温度) 、电子负载( 8 0k W ,反馈电网) 、散 热器( 最大可满足8 0k W 散热量) 、高低压电源、内 阻仪( 测量电堆吹扫完内阻) 和传感器( 温度、压 力、流量和湿度等) 。图2 为冷启动试验台架。 图2 环境仓内燃料电池发动机开发台架 2 试验步骤 燃料电池发动机台架冷启动试验步骤如下: ( 1 ) 将电堆和零部件打散放置于开发台架内, 并加装配套传感器采集数据; ( 2 ) 台架在环境仓一2 5 的温度下静置2 4h , 确保启动过程前电堆和零部件温度降至一2 0o C ; ( 3 ) 燃料电池发动机启动前确保其他辅助设 备正常待命; ( 4 ) 对燃料电池发动机发送启动指令,期间不 能有人工干预,启动完毕后可以正常拉载。 3 试验结果分析 图3 为燃料电池发动机在环境仓一2 5 下静 上海汽车2 0 1 7 0 8 万方数据 置2 4h 后,冷启动过程中电堆的输出功率、电压、 电流和出口冷却液温度变化情况。启动前,电堆 出口冷却液温度为一2 0q C ,5s 后发出启动命令, 水暖P T C 开始对冷却路液体进行加热,同时排氢 电磁阀自身进行加热,利于排氢阀化冰打开。1 0s 后,氢气和空气进入燃料电池发动机,电堆开路电 压开始上升至3 0 0V 左右。1 5s 后电子负载开始 拉载,电堆电压先降至1 2 0V ,随后持续上升。期 间结合冷却路循环策略,电堆产生的热量大部分 用于自身加热,同时保证管路内的冷却液缓慢上 升。运行至4 0s 时,电堆电化学产生的液态水有 部分在内部结冰,覆盖在扩散层之上( 此时电堆水 出温度还在0 以下) ,阻碍了气体传输,电堆传 质极化增加,性能略有下降。随着电堆人口温度 达到0 以上( 如图4 所示,4 5s 时) ,内部冰层逐 渐融化,性能又开始恢复。如果以电堆整体温度 在0 以上作为冷启动结束判据,整个过程持续时 间是4 0s p 鎏| | 篓 嚣: 印 之 出煺 哥哥 丑弭 舞壤 鲻磐 脚羽 时间8 图3 燃料电池冷启动关键参数( 电堆的输出功率 电压、电流和电堆出口冷却液温度) 图4 燃料电池系统温度参数 车辆在低温停放后,动力电池温度降至零下, 此时动力电池充放电性能会受到很大影响,要求燃 上海汽车2 0 1 7 0 8 料电池系统在冷启动过程中输出或者输入的功率 尽量小,以保护动力电池。但是电堆在零下冷启动 过程中会产生液态水,需要快速升温至0 以上,势 必需要电堆输出较大功率,所以此时辅助系统承担 绝大部分电堆产生的功率。图5 为燃料电池发动机 冷启动过程中电堆、系统和辅助系统( 包括水暖 P T C ) 的实时功率。系统输出功率等于电堆输出功 率减去辅助系统功率,辅助系统功率主要包括高压 件:空压机、冷却泵和水暖P T C ;低压件:氢气喷射 器、氢气循环泵、节气门和电磁阀。从图5 可见,系 统冷启动过程中最大输出功率为6k W ,最小输出功 率为一6k W ,电堆输出功率为最大1 4k W ,做到系 统输出功率尽量小,但还可以通过策略继续优化,如 继续增大空压机转速来增加功耗,通过旁通阀将过 量空气旁通至尾排等方法。 2 0 一系统输H 功率k Wt l l 雄输出功率k w 1 5 1 0 至5 婺0 0 - 5 - 1 0 1 5 时间3 图5冷启动过程系统、电堆和辅助系统功耗情况 图6 为燃料电池发动机一2 0 冷启动过程中 巡检电压情况,巡检选择为两片电池一检,电堆模 块内含两个裸堆,单电池总数为2 6 0 片,巡检测量 1 3 0 节( 两片一检) 。图6 ( a ) 为冷启动电流拉载瞬 间,此时,单电池一致性除1 1 1 节外其余较好,无 明显单低或反级情况( 对应图4 中2 2s 左右状 态) ,两侧和中间为电堆端板位置,空气和氢气量 最大,所以电压较其他位置高。当电堆温度上升 时,电压性能恢复,平均达到12 5 0m V 以上,如图 6 ( b ) 所示。电堆水出温度达到6 7o C 时,平均电 压达到14 0 0m V 以上,第1 1 1 节在电堆运行温度 升至工作温度点后性能恢复正常,这可能与生成 水堵塞流道有关。 S c h i e l 3 w o h l 等研究了影响燃料电池冷启动的 诸多因素( 包括冷启动温度、电压、冷却循环结构、 5 万方数据 2 1 l 22 5 0 l7 5 0 2 5 0 7 5 0 2 5 0 ( a ) 电堆水出温度- 1 9 8 【启动拉载瞬间) 9 01 02 0 3 0 4 05 06 0 7 08 0 22 5 0 7 5 0 l2 5 0 7 5 0 2 5 0 ( b ) 电堆水出温度一5 9 01 0 01 1 01 2 01 2 9 01 02 03 04 05 06 07 08 09 01 0 01 1 01 2 01 2 9 ( c ) 电堆水出温度67 图6 燃料电池发动机冷启动过程中单片电压情况 关机后的吹扫策略等) ,指出燃料电池运行结束后, 合理的关机吹扫策略是保证下次冷启动成功的最 关键因素。图7 为发动机运行结束后进行吹扫过 程,运行5 0 0s 时燃料电池发动机降载进入吹扫过 程,此时电堆冷却路出口温度为7 3 ,系统正常运 行停机。直到8 3 0S 左右带载吹扫结束,耗时 5 5m i n 。期间电堆的输出总电压下降了2 0V ,表示 电堆逐渐被吹干。为了在一2 0 的环境温度和电 堆自身产生热量很小的情况下将热量尽量保留在 电堆内部,但又要确保温度不超限,采
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