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国家电动客车电控与安全工程技术研究中心燃料电池客车-30℃低温环境适应性研究报告 发布日期:2019-01-28

国家电动客车电控与安全工程技术研究中心 柴结实

【摘要】为检测燃料电池汽车低温环境适应性,国家电动客车电控与安全工程技术研究中心(以下简称“工程中心”)近期对宇通燃料电池电动客车开展了-30℃低温环境适应性验证,试验结果表明在-30℃环境舱中冷冻超过20小时后,燃料电池能够在15分钟内成功起动,车载氢系统安全无泄漏,整车低温启动控制策略合理有效。

1.引言

燃料电池是一种将氢气和氧气的化学能直接转换为电能的装置,具有高能量密度、零排放、高效率等优点,因此燃料电池汽车被认为是汽车产业发展的重要方向。氢能和燃料电池技术快速发展,目前国内多地均已开展了一定规模的燃料电池商用车示范运营。

燃料电池反应生成水,车用燃料电池在冰点以下存放和启动面临重大挑战,因此燃料电池车辆的低温适应性是对其进行评价重要指标之一。近期工程中心对宇通第三代燃料电池电动客车(FCEB)进行了-30℃高寒试验,率先在行业内验证了燃料电池商用车的低温环境适应性。

宇通FCEB与纯电动客车相比主要有两点不同:第一,增加了燃料电池发动机及车载氢系统等核心部件;第二,增加了基于燃料电池-动力电池电电混合动力系统构型的整车控制策略。因纯电动客车在北方高寒地区已经得到批量推广和应用,其低温环境适应性得到了充分验证,所以FCEB低温环境适应性主要验证燃料电池发动机的低温适应性(存放和起动)、车载氢系统低温安全性和整车低温起动控制策略的合理性。

2.-30℃低温试验条件

2.1 试验车辆

宇通第三代FCEB采用了燃料电池加动力电池的电电混合动力系统。因燃料电池受限于当前的技术发展水平,存在起动响应慢、不能功率跟随等问题,无法满足车辆起动、刹车、加速、停车等频繁变化工况下的耐久性、可靠性要求,因此配备一定容量的动力电池,对燃料电池起到“削峰填谷”的保护作用。

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图1 FCEB电电混合动力系统构型图

宇通第三代FCEB核心参数如表1。

表1 宇通第三代FCEB主要技术参数

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2.2 环境舱

因燃料电池尾排气体中有微量的氢气,在密闭舱内进行试验有一定的危险性,对试验环境舱提出了较高的涉氢要求,所用环境舱主要技术参数如表2。

表2 试验环境舱技术参数

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涉氢环境舱主要体现在燃料电池车辆尾气能够直接排放在舱体内,不需通过抽风管道将尾气导出舱体外,所有电子器件均为防爆部件,舱内设置高灵敏度氢气传感器并与紧急排风装置联动,确保试验安全。

2.3 FCEB低温起动控制策略

(1)当司机停车断电时,整车控制策略按照下述逻辑执行:

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图2 FCEB停车下电时整车控制策略逻辑框图

当整车控制器识别到司机将钥匙转至OFF档/拔除钥匙时开始判断环境温度,如果环境温度达到冰点以下则识别为低温状态,这样燃料电池在停机过程中要执行吹扫程序,排出电堆内部的水,使燃料电池能够在低温下存放而不会损坏,环境温度越低则吹扫时间越长,支持燃料电池更低温度存放。

(2)当车辆起动时,整车控制策略按照下述逻辑执行:

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图3 FCEB起动时整车控制策略逻辑框图

当整车控制器识别到燃料电池和动力电池温度过低时,会计算其暖机时间并在仪表显示,同时二者开始自动暖机,当燃料电池暖机成功后则直接起动并开始发电。

3. -30℃低温试验过程

在环境舱外开启燃料电池,待燃料电池运行稳定后将车辆开进环境舱。

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图4 FCEB停放在环境舱中(环境舱未开启)

将环境舱温度设置为-30℃,试验按照下述步骤展开:

(1)待环境舱温度降至-30℃后整车下电,观察燃料电池停机吹扫过程。

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图5环境舱内温度维持在-30℃

(2)车辆在-30℃环境中冷冻2小时后检测车载氢系统所有易漏点,排查是否在快速降温并短时间冷冻后有泄漏。车载氢系统易泄露点主要有9处:加氢口、加氢面板、加气舱高压接头、高压管路弯通、氢瓶组减压器、气瓶组接头1、气瓶组接头2、低压管路弯通、低压接头和钢丝软管接头。

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图6 车载氢系统泄露检测(环境舱开启)

A-检测气瓶组接头,B-检测加氢口,C-检测高压管路弯通

(3)车辆在-30℃环境中持续冷冻20小时以上,每隔一段时间车辆上电采集燃料电池和动力电池温度,记录二者温降曲线,评估电池舱保暖措施效果;当记录到燃料电池温度≤-20℃、动力电池温度≤-25℃时判断冷冻停止。

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图7 FCEB停放在环境舱中(环境舱-30℃)

(4)冷冻试验结束前再次检测车载氢系统所有接口处,排查经过20小时冷冻后是否泄漏。

(5)冷冻试验结束,开启燃料电池,并依次记录以下内容:仪表台是否正常显示,燃料电池和动力电池是否开始暖机,燃料电池和动力电池温升速率,燃料电池和动力电池暖机成功所耗电量。当燃料电池正常运行后低温状态结束,此时关闭环境舱,将车辆开出舱外并停机,低温起动试验结束。

整体试验过程中进行了详细的数据记录,各试验步骤试验结果如下:

(1)停机吹扫过程试验结果记录如下:将钥匙转至OFF档并拔除后,燃料电池开始关机,关机过程持续280秒,完全停机后整车高压电断开。

(2)在-30℃环境下冷冻2小时后,经高精度氢气探测器检测,所有位置均未泄露,证明快速降温并短暂冷冻并未对车载氢系统低温安全性产生影响。

(3)环境温度保持-30℃,燃料电池和动力电池温度下降速率测试结果如下:

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图8 环境温度-30℃,燃料电池和动力电池温降曲线

-30℃环境下持续冷冻21小时,燃料电池温度从60℃下降至-20℃,平均温降速率3.8℃/min;动力电池温度从从37℃下降至-25℃,平均温降速率2.95℃/min,证明电池保暖措施效果良好。

(4)在-30℃环境下持续冷冻20小时后,经检测,所有位置均未泄露,证明长时间低温冷冻并未对车载氢系统低温安全性产生影响。

(5)冷冻结束后进行FCEB低温起动试验,以评估燃料电池的低温适应性和整车低温起动控制策略合理性,试验结果证明:燃料电池-30℃下长期存放后能够在15分钟内正常起动,且整车控制策略合理、无故障,详细验证结果如下表。

表3 FCEB-30℃低温起动过程数据记录

国家电动客车电控与安全工程技术研究中心燃料电池客车-30℃低温环境适应性研究报告

5.结论

车用燃料电池的低温起动能力以及车载氢系统安全性是整个社会对燃料电池车辆的两大疑虑,为此工程中心选用宇通FCEB在行业内率先开展了燃料电池商用车的-30℃低温环境适应性试验,以验证燃料电池的低温性能和车载氢系统的低温安全性,得到相关结论如下:

(1)燃料电池在-30℃环境中冷冻超过20小时后,能够在15分钟内成功起动;

(2)车载氢系统在-30℃环境中冷冻超过20小时后,所有管路连接处均无泄漏;

(3)燃料电池整车低温停机和起动控制策略合理有效。

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