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國家電動客車電控與安全工程技術研究中心燃料電池客車-30℃低溫環境適應性研究報告 發布日期:2019-01-28

國家電動客車電控與安全工程技術研究中心 柴結實

【摘要】為檢測燃料電池汽車低溫環境適應性,國家電動客車電控與安全工程技術研究中心(以下簡稱“工程中心”)近期對宇通燃料電池電動客車開展了-30℃低溫環境適應性驗證,試驗結果表明在-30℃環境艙中冷凍超過20小時后,燃料電池能夠在15分鐘內成功起動,車載氫系統安全無泄漏,整車低溫啟動控制策略合理有效。

1.引言

燃料電池是一種將氫氣和氧氣的化學能直接轉換為電能的裝置,具有高能量密度、零排放、高效率等優點,因此燃料電池汽車被認為是汽車產業發展的重要方向。氫能和燃料電池技術快速發展,目前國內多地均已開展了一定規模的燃料電池商用車示范運營。

燃料電池反應生成水,車用燃料電池在冰點以下存放和啟動面臨重大挑戰,因此燃料電池車輛的低溫適應性是對其進行評價重要指標之一。近期工程中心對宇通第三代燃料電池電動客車(FCEB)進行了-30℃高寒試驗,率先在行業內驗證了燃料電池商用車的低溫環境適應性。

宇通FCEB與純電動客車相比主要有兩點不同:,增加了燃料電池發動機及車載氫系統等核心部件;第二,增加了基于燃料電池-動力電池電電混合動力系統構型的整車控制策略。因純電動客車在北方高寒地區已經得到批量推廣和應用,其低溫環境適應性得到了充分驗證,所以FCEB低溫環境適應性主要驗證燃料電池發動機的低溫適應性(存放和起動)、車載氫系統低溫安全性和整車低溫起動控制策略的合理性。

2.-30℃低溫試驗條件

2.1 試驗車輛

宇通第三代FCEB采用了燃料電池加動力電池的電電混合動力系統。因燃料電池受限于當前的技術發展水平,存在起動響應慢、不能功率跟隨等問題,無法滿足車輛起動、剎車、加速、停車等頻繁變化工況下的耐久性、可靠性要求,因此配備一定容量的動力電池,對燃料電池起到“削峰填谷”的保護作用。

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圖1 FCEB電電混合動力系統構型圖

宇通第三代FCEB核心參數如表1。

表1 宇通第三代FCEB主要技術參數

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2.2 環境艙

因燃料電池尾排氣體中有微量的氫氣,在密閉艙內進行試驗有一定的危險性,對試驗環境艙提出了較高的涉氫要求,所用環境艙主要技術參數如表2。

表2 試驗環境艙技術參數

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涉氫環境艙主要體現在燃料電池車輛尾氣能夠直接排放在艙體內,不需通過抽風管道將尾氣導出艙體外,所有電子器件均為防爆部件,艙內設置高靈敏度氫氣傳感器并與緊急排風裝置聯動,確保試驗安全。

2.3 FCEB低溫起動控制策略

(1)當司機停車斷電時,整車控制策略按照下述邏輯執行:

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圖2 FCEB停車下電時整車控制策略邏輯框圖

當整車控制器識別到司機將鑰匙轉至OFF檔/拔除鑰匙時開始判斷環境溫度,如果環境溫度達到冰點以下則識別為低溫狀態,這樣燃料電池在停機過程中要執行吹掃程序,排出電堆內部的水,使燃料電池能夠在低溫下存放而不會損壞,環境溫度越低則吹掃時間越長,支持燃料電池更低溫度存放。

(2)當車輛起動時,整車控制策略按照下述邏輯執行:

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圖3 FCEB起動時整車控制策略邏輯框圖

當整車控制器識別到燃料電池和動力電池溫度過低時,會計算其暖機時間并在儀表顯示,同時二者開始自動暖機,當燃料電池暖機成功后則直接起動并開始發電。

3. -30℃低溫試驗過程

在環境艙外開啟燃料電池,待燃料電池運行穩定后將車輛開進環境艙。

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圖4 FCEB停放在環境艙中(環境艙未開啟)

將環境艙溫度設置為-30℃,試驗按照下述步驟展開:

(1)待環境艙溫度降至-30℃后整車下電,觀察燃料電池停機吹掃過程。

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圖5環境艙內溫度維持在-30℃

(2)車輛在-30℃環境中冷凍2小時后檢測車載氫系統所有易漏點,排查是否在快速降溫并短時間冷凍后有泄漏。車載氫系統易泄露點主要有9處:加氫口、加氫面板、加氣艙高壓接頭、高壓管路彎通、氫瓶組減壓器、氣瓶組接頭1、氣瓶組接頭2、低壓管路彎通、低壓接頭和鋼絲軟管接頭。

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圖6 車載氫系統泄露檢測(環境艙開啟)

A-檢測氣瓶組接頭,B-檢測加氫口,C-檢測高壓管路彎通

(3)車輛在-30℃環境中持續冷凍20小時以上,每隔一段時間車輛上電采集燃料電池和動力電池溫度,記錄二者溫降曲線,評估電池艙保暖措施效果;當記錄到燃料電池溫度≤-20℃、動力電池溫度≤-25℃時判斷冷凍停止。

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圖7 FCEB停放在環境艙中(環境艙-30℃)

(4)冷凍試驗結束前再次檢測車載氫系統所有接口處,排查經過20小時冷凍后是否泄漏。

(5)冷凍試驗結束,開啟燃料電池,并依次記錄以下內容:儀表臺是否正常顯示,燃料電池和動力電池是否開始暖機,燃料電池和動力電池溫升速率,燃料電池和動力電池暖機成功所耗電量。當燃料電池正常運行后低溫狀態結束,此時關閉環境艙,將車輛開出艙外并停機,低溫起動試驗結束。

整體試驗過程中進行了詳細的數據記錄,各試驗步驟試驗結果如下:

(1)停機吹掃過程試驗結果記錄如下:將鑰匙轉至OFF檔并拔除后,燃料電池開始關機,關機過程持續280秒,完全停機后整車高壓電斷開。

(2)在-30℃環境下冷凍2小時后,經高精度氫氣探測器檢測,所有位置均未泄露,證明快速降溫并短暫冷凍并未對車載氫系統低溫安全性產生影響。

(3)環境溫度保持-30℃,燃料電池和動力電池溫度下降速率測試結果如下:

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圖8 環境溫度-30℃,燃料電池和動力電池溫降曲線

-30℃環境下持續冷凍21小時,燃料電池溫度從60℃下降至-20℃,平均溫降速率3.8℃/min;動力電池溫度從從37℃下降至-25℃,平均溫降速率2.95℃/min,證明電池保暖措施效果良好。

(4)在-30℃環境下持續冷凍20小時后,經檢測,所有位置均未泄露,證明長時間低溫冷凍并未對車載氫系統低溫安全性產生影響。

(5)冷凍結束后進行FCEB低溫起動試驗,以評估燃料電池的低溫適應性和整車低溫起動控制策略合理性,試驗結果證明:燃料電池-30℃下長期存放后能夠在15分鐘內正常起動,且整車控制策略合理、無故障,詳細驗證結果如下表。

表3 FCEB-30℃低溫起動過程數據記錄

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5.結論

車用燃料電池的低溫起動能力以及車載氫系統安全性是整個社會對燃料電池車輛的兩大疑慮,為此工程中心選用宇通FCEB在行業內率先開展了燃料電池商用車的-30℃低溫環境適應性試驗,以驗證燃料電池的低溫性能和車載氫系統的低溫安全性,得到相關結論如下:

(1)燃料電池在-30℃環境中冷凍超過20小時后,能夠在15分鐘內成功起動;

(2)車載氫系統在-30℃環境中冷凍超過20小時后,所有管路連接處均無泄漏;

(3)燃料電池整車低溫停機和起動控制策略合理有效。

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