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汽车工程师
Automotive Engineer
FOCUS 技术聚焦
Automotiiv E ngineer^
开发目标需求，对匹配的120 kW 大功率燃料电池在-30。
"低温启动热平衡初步分析，基于电堆外加热控制策略，经初步 匹配计算，在理想情况下需要13 min 才能启动，为拟开发目标设定提供了依据。文章对开发大功率燃料电池乘用车具有 参考意义。
关键词：大功率燃料电池；低温冷启动；计算分析
Analysis of Cold Starting Performance of High Power PEMFC used for Vehicle
Abstract ： Low temperature cold start of PEMFC is considered to be one of the main factors affecting the commercialization of
fuel cell vehicle. In this paper,according to the development target demand of a fuel cell vehicle, the preliminary analysis of the heat balance of the matched 120kw high-power fuel cell at 一30°
C is conducted. Based on the heating control strategy outside
the stack, the preliminary matching calculation shows that it takes 13 minutes to start under ideal conditions, which provides the basis for the target setting of the proposed development. This paper has reference significance for the development of high-
power fuel cell passenger vehicle.
Key words : High power PEMFC; Start-up at low temperature; Analysis
质子交换膜燃料电池(PEMFC )相比传统内燃机, 拥有其特有优势h ,PEMFC 的高效率、高比功率、零排 放及响应快速等特性使其成为未来汽车领域最有潜力
的动力源45;、车用PEMFC 在商业化进程中，冷启动困 难或启动时间过长是主要制约因素之一6目前，国内 外车型对燃料电池发动机冷启动能力进行了大量实
验，国外相关车型已量产且技术相对成熟3w，国内大多
从实际运行情况来看，在低温启动方面的技术称不上
很好，如表1所示。从表1可以看岀，国内部分车型没 有明确启动时间，一方面相关标准的暂缺，另一方面可 靠性方面有待市场验证。
表！国内外对标车型冷启动情况
对标车型
本田 CLARITY 丰田MIRAI 现代NEXO 广汽 Aion Lx Fuel Cell 上海大通MUXUS EUNIQ7长安燃料电池SUV DOE 电堆输出功率/k W 1031139585115--冷启动温度/°c -30-30-30-30
-30-30
-30
冷启动时间/s 30
30
30-30-30
数据公布年份
201520162018
2020
2020
20202017
文章拟开发的大功率燃料电池乘用车项目，截止 目前，国内还没有关于142 kW 大功率燃料电池乘用车 的相关文献，甚至鲜有报道。文章结合实际情况及拟开
发项目目标需求，通过对国内某型号122 kW 燃料电池
进行低温冷启动初步匹配并摸底分析，初步得岀在理 想情况下整车在-33T 下低温启动时间，其分析结果
为后期拟开发车型目标的设定提供了理论依据，同时 也曝露岀冷启动短板，若要与对标车型相当，必须选择
更加先进的燃料电池电堆及控制策略。
1拟开发车型参数设定
根据实际情况及预研项目需求，拟开发车型目标 初步设定如表2所示。
-
40
-
表2整车技术参数
整车参数
整车尺寸/mm x mm x mm
整备质量/kg
4 835x 1 850x 1 670
1 880
动力参数燃料电池种类
质子交换膜
燃料电池峰值功率/kW
120输出电压范围/（165〜264输出电流范围/A
40〜730
燃料电池低温启动性能/"-待定
储气罐压力/MPa
70
载氢体积及质量/（L/kg ）172%6.93
镍氢动力电池电量/kW-h
1.72
驱动电机参数电机最大功率/kW
120
电机最大扭矩/N • m
330性能参数
最高稳定车速/（km/h ）160
设定值百公里加速/2
!
9.5
设定值续航里程/km 815
设定值
文章拟选择的122 kW 燃料电池电堆，具体技术参数如表3所示。
表3某型号120 kW 燃料电池技术参数
发动机
质子交换膜燃料电池
型号
待定
120板、绝缘板和端板等组件组成。整个电堆系统由120kW 电堆、空气供给系统、氢气供给系统、冷却系统、高/低 压系统等组成。建立的电堆及其系统冷启动模型，做出
以下假设:1）电堆停机后内部水被吹扫干，即启动前内 部不存在初始水;2）电堆材料物性参数不随温度变化
而变化;3）忽略电堆组件向外界环境的散热;4）忽略冷 却水通过时的热损失;5）镍氢电池在最低工作环境温 度-30C 下，按照输出功率6 kW 时可持续放电5 s，每
间隔时间10 s，假设能够放电!次;6）按照提供的电堆 规范，电堆及小循环水加热至0C 时即认为电堆启动成
功44，。
2.2燃料电池冷启动原理图
燃料电池冷启动系统单独设计一回路，小循环水 体积约为1.0 L，串联一个50 kWPTC 加热器，如图1
所示，该系统由电堆、PTC 、低压电子风扇和电控三通阀
等组成。
电控三通阀
进水口
电堆
出水口
214.5±1.5
电子风扇
初始生命最大功率/kW 电堆电压（额定电流时）/V
输出电压范围/（165〜264输出电流范围/A 40〜730
图1电堆冷启动加热原理图
电堆效率/%
"
45
3冷启动时间计算
电堆尺寸（长X 宽X 咼）/mm X mm X mm 558X 213X 361
基于上述冷启动热平衡分析假设及控制策略，结合
电堆质量/kg
40
电堆结构、部分物理常数和材料物性参数冋，对120 kW 2冷启动热平衡分析
燃料电池电堆从-30C 加热至0C 冷启动阶段所需热
2.1燃料电池冷启动分析假设
量进行评估，计算得到-30C 冷启动总时间为779.0 .
PEM 燃料电池一般由膜电极、金属双极板、集流即约13 mio 。
表4 -30°C 至0°C 电堆冷启动阶段热量及启动时间计算
序号
某型号120 kW 燃料电池电堆材料比热容参数
计算值
组件名称
质量/kg
比热容/J-(kg-K)-1
所需热量/J
1金属双极板38.17502574 840.22端板
7.302
480
105 148.83
膜电极 3.3886487 609.64阴极集流板 2.59639030 373.25
阳极集流板
2.284
39026 722.8
6水
1.64 200
201 6007所需总热量/J 1 026 294.6
8
所需电量/kW *
h 0.285
91011
按PTC 输出功率4 kW 持续对电堆及水加热时，计算所需总时间/2
按镍氢电池-30$C 以6kW 放电5 sj 可隔10 2，计算间隔总时间/2
从-30$C 加热至0$C 启动成功，所需总时间/2256.6513.1
769.7
4
结论
过对燃料电池电堆低温启动热平衡分析，计算得到在
综上所述，预研项目首次采用国内先进的某型号理想情况下从-33°C 低温启动所需时间约13 mis，而实
122 kW 大功率燃料电池电堆，根据开发目标需求，通
（下转第47页）
-41
—
根据上述试验数据,2辆样车没达到电量平衡，严格按照标准设定条件没办法归一化其综合能耗。但为了各样车间的横向比对，参考标准对各循环的NEC变化量与NG燃料消耗量拟合，结果如图7所示。可以看出，线性拟合度较好⑺2三0.9）,—定程度上也能够表征样车的能耗趋势:1）2号样车综合能耗偏高。通过循环气耗流量曲线发现，该车在车速44km/h以下时，其发动机长期处于怠速状态，该现象在纯电续驶里程试验中同样存在（发动机长期怠速，但未参与驱动，也未对REESS进行充电，用于补充整车气压）;2）3号样车虽然持续充电，但综合能耗较低。通过循环气耗流量曲线发现，该车在循环的怠速和低速阶段发动机多处于不工作状态；在高速加速阶段发动机多处于最佳工作状态；在减速阶段，发动机迅速关闭，充分发挥能量回收系统的作用，持续为REESS充电，随着SOC的升高，发动机在后续循环的
介入强度有自动越弱的趋势。
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NEC/（kW-h）
图7参考拟合曲线4结论
通过对3款主流CNG混合动力城市客车进行测试和结果分析，可以得出以下结论：1）带能量回收系统的混合动力城市客车，滑行阻力大的车辆其综合能耗未必大；2）C-WTVC工况测试中持续充电的混合动力车辆，其综合能耗不一定高；仅通过6次循环就按标准得出整车控制策略不合理的结论不一定正确，整车控制策略的合理与否应以其综合能耗为唯一判定依据；3）部分混合动力车辆在纯电工作模式下，发动机在部分时段启动为整车补充气压（不参与驱动，也不为REESS充电）,GBT19754-2015中关于纯电工作模式结束的标志需要进一步细化，该部分消耗的燃料实际存在，也应明确如何处理；4）满载状态下混合动力城市客车按C-WTVC工况进行试验,3个车型中有2个未达到GB/T19754—2019所述的电量平衡条件，达到电量平衡的车型NEC比值也不能严格满足SOC修正程序的要求，工况适用性有待进一步验证。
参考文献
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GB/T27840-201139匕京：中国标准出版社,2011.
⑶全国汽车标准化技术委员会.重型混合动力电动汽车能量消耗量试
验方法:GB/T19754-201539匕京冲国标准出版社,2015.
3全国汽车标准化技术委员会.电动汽车能量消耗率和续驶里程试验方法:GB/T183&—201739匕京：中国标准出版社,2015.
（收稿日期：2221-03-15）
（上接第41页）
际现实中所需启动时间将会更长。文章分析结果将为拟开发车型目标的设定提供参考。
因文中采用的大功率电堆本身并不具备自加热功能，再加上采用外部加热控制策略，导致所需低温启动时间远远超过对标车型如丰田MIRAE本田CLAR【-TY、现代NEXO的冷启动时间。若要与对标车型相当，必须选择更加先进的燃料电池电堆和冷启动控制策略，因此行业内开发车规级先进的大功率且具备自加热功能的燃料电池已迫在眉睫。
参考文献
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(收稿日期：2021-04-09)
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