一、引言
在全球加速向可持续能源转型的进程中，氢能源汽车凭借其零排放、加氢速度快、续航里程长等显著优势，逐渐成为未来交通领域的重要发展方向。然而，与传统燃油汽车和纯电动汽车相比，氢能源汽车的热管理系统面临着更为复杂和严峻的挑战，尤其是在极端气候条件下。无论是酷热难耐的沙漠地区，还是天寒地冻的极地环境，极端气候都会对氢能源汽车的关键部件，如氢燃料电池、动力电池（若有）、电机及电控系统等的性能、寿命和安全性产生重大影响。因此，升级氢能源汽车热管理系统，有效应对极端气候挑战，已成为推动氢能源汽车大规模商业化应用和技术进步的关键任务。
二、氢能源汽车热管理系统的重要性及工作原理
（一）重要性剖析
保障燃料电池性能稳定：氢燃料电池的最佳工作温度通常在 70 - 80°C 之间，对温度变化极为敏感。温度过高，会加速催化剂的老化，降低质子交换膜的性能，导致燃料电池的电化学反应效率下降，输出功率降低；温度过低，则可能使电池内部的水结冰，堵塞气体通道，损坏电池结构，甚至无法启动。热管理系统通过精确调控燃料电池的工作温度，确保其始终处于最佳性能区间，延长电池使用寿命 。
提升动力电池效能（如有）：部分氢能源汽车配备了动力电池作为辅助电源，用于回收制动能量、提供瞬间高功率支持等。动力电池的性能同样受温度影响显著。在高温环境下，电池的自放电率增加，循环寿命缩短，甚至可能引发热失控等安全问题；在低温环境下，电池的内阻增大，充放电效率降低，可用容量大幅减少。热管理系统能够为动力电池创造适宜的工作温度环境，提升其能量转换效率和可靠性 。
确保电机及电控系统可靠运行：电机及电控系统在工作过程中会产生大量热量，如果不能及时散发，会导致电机退磁、电控元件性能下降，进而影响车辆的动力输出和操控性能。有效的热管理可以将电机及电控系统的温度控制在合理范围内，保障其稳定、可靠地运行 。
提高驾乘舒适性：极端气候条件下，车内环境温度的舒适性直接关系到驾乘人员的体验。热管理系统负责调节座舱温度、湿度和空气质量，在炎热天气提供制冷，寒冷天气提供制热，为驾乘人员营造舒适的车内环境 。
（二）工作原理概述
热量产生机制：氢燃料电池在电化学反应过程中，一部分化学能转化为电能，另一部分则以热量的形式释放出来。其产热速率与电池的输出功率、反应效率等因素密切相关。电机在运转过程中，由于绕组电阻、铁心损耗等原因会产生热量；电控系统中的功率电子器件在工作时也会因电流通过而发热 。
散热与加热方式：
散热方面：主要通过冷却液循环、风冷和相变材料等方式进行。冷却液循环系统通常由散热器、水泵、冷却管道等组成，冷却液在电池、电机、电控等发热部件中循环流动，吸收热量后，通过散热器将热量散发到外界空气中。风冷则是利用风扇强制对流，将热量带走，常用于一些对散热要求相对较低的部件或作为辅助散热手段。相变材料在温度升高时发生相变，吸收大量热量，从而起到储能和散热的作用 。
加热方面：在低温环境下，需要对燃料电池、动力电池和座舱进行加热。常见的加热方式有电加热（如 PTC 加热器）、利用燃料电池产生的废热加热以及热泵技术加热等。PTC 加热器通过电流通过电阻丝产生热量，但能耗较高；利用燃料电池废热加热较为节能环保，但受燃料电池工作状态限制；热泵技术则是通过逆卡诺循环，将热量从低温环境转移到高温环境，具有较高的能效比 。
热管理系统的控制策略：热管理系统通过传感器实时监测各部件的温度、环境温度等参数，然后将这些信息传输给控制器。控制器根据预设的控制策略，对水泵、风扇、加热器、制冷器等执行器进行调控，实现对热量的精确管理。例如，当燃料电池温度过高时，控制器会增大水泵流量和风扇转速，提高散热效率；当座舱温度过低时，控制器会启动加热器或调整热泵工作模式，提升座舱温度 。
三、极端气候对氢能源汽车热管理系统的挑战
（一）高温环境挑战
燃料电池性能衰减加剧：在高温环境下，氢燃料电池内部的化学反应速率加快，导致电池的温度进一步升高。过高的温度会使质子交换膜脱水，降低其质子传导率，增加电池内阻；同时，会加速催化剂的烧结和中毒，使催化剂活性降低，从而导致燃料电池的输出功率大幅下降，性能衰减加剧 。
散热负担加重：外界环境温度升高，使得散热器与环境之间的温差减小，散热效率降低。为了维持燃料电池、电机及电控系统等部件的正常工作温度，热管理系统需要加大冷却液循环流量和风扇转速，这不仅增加了系统的能耗，还可能导致风扇、水泵等部件的磨损加剧，可靠性下降 。
动力电池热安全风险增加：高温会使动力电池的化学反应活性增强，自放电率升高，电池内部产生的热量增多。如果热管理系统不能及时有效地将热量散发出去，电池温度可能会持续上升，引发热失控风险，严重威胁车辆和人员安全 。
座舱制冷需求增大：炎热天气下，驾乘人员对座舱制冷的需求大幅增加。传统的汽车空调系统在高温环境下制冷效率会受到一定影响，需要消耗更多的电能来维持座舱的舒适温度，这进一步增加了车辆的能源消耗 。
（二）低温环境挑战
燃料电池启动困难与性能受限：低温会使氢燃料电池内部的电化学反应动力学过程减缓，反应速率降低，导致电池启动困难。在低温启动过程中，为了使燃料电池达到工作温度，需要消耗大量的能量用于加热，这不仅增加了启动时间，还降低了电池的初始输出功率和能量转换效率。此外，低温下电池内部的水容易结冰，冰的体积膨胀可能会损坏电池的电极和质子交换膜等关键部件 。
动力电池性能大幅下降：低温会显著增加动力电池的内阻，降低电池的充放电效率和可用容量。例如，在 - 20°C 的环境下，锂电池的容量可能会下降 30% - 40%，导致车辆的续航里程大幅缩短。同时，低温还会影响电池的充放电倍率，使电池无法满足车辆瞬间高功率输出的需求，影响车辆的加速性能和爬坡能力 。
加热能耗高：为了提升座舱温度和保证燃料电池、动力电池的正常工作温度，热管理系统需要消耗大量的能量进行加热。传统的电加热方式（如 PTC 加热器）能耗极高，会进一步缩短车辆的续航里程。而利用燃料电池废热加热，在低温启动阶段，燃料电池尚未产生足够的废热，无法满足加热需求 。
热管理系统部件性能受影响：低温会使冷却液的粘度增加，流动性变差，影响冷却液循环系统的散热和加热效果。同时，风扇、水泵等部件的电机在低温环境下的启动性能和输出功率也会受到影响，可能导致热管理系统无法正常工作 。
四、应对极端气候挑战的热管理系统升级策略
（一）高温环境下的升级策略
优化散热设计
采用高效散热器：研发和应用新型高效散热器，如微通道散热器、相变散热器等。微通道散热器具有更小的通道尺寸和更大的散热面积，能够显著提高散热效率；相变散热器利用材料相变过程中的潜热吸收热量，散热能力强且具有良好的等温性 。
改进冷却回路布局：通过优化冷却液循环回路的布局，减少冷却液流动阻力，提高冷却液的分配均匀性，确保各个发热部件都能得到充分冷却。例如，采用分布式冷却回路，针对不同部件的发热特性进行个性化冷却 。
增强风冷效果：优化风扇设计，提高风扇的风量和静压，增强风冷散热能力。同时，合理设计风道，引导空气更有效地流经发热部件，提高风冷效率 。
提升燃料电池热管理能力
开发耐高温质子交换膜：加大对耐高温质子交换膜的研发投入，提高质子交换膜在高温环境下的稳定性和质子传导率。例如，采用新型聚合物材料或对现有质子交换膜进行改性，使其能够在更高温度下正常工作 。
优化燃料电池热管理控制策略：基于模型预测控制等先进控制算法，实时监测燃料电池的温度、电流、电压等参数，精确调节冷却液流量和风扇转速，实现对燃料电池温度的精准控制，避免温度过高或波动过大 。
强化动力电池热安全管理
引入主动冷却技术：对于动力电池，采用液冷板、直冷式电池热管理系统等主动冷却技术，确保电池在高温环境下的温度均匀性，防止局部过热引发热失控。同时，在电池组中安装温度传感器和热失控预警装置，实时监测电池温度变化，一旦发现异常及时采取措施 。
优化电池热管理系统与整车热管理系统的协同：将动力电池热管理系统与燃料电池、电机及电控系统的热管理系统进行协同优化，实现热量的合理分配和利用。例如，在燃料电池产生的废热过多时，可以将部分废热用于加热动力电池，减少电池加热的能耗 。
提高座舱制冷效率
采用新型制冷技术：探索和应用新型制冷技术，如吸附式制冷、磁制冷等，这些技术具有能效高、噪音低、无环境污染等优点，有望提高座舱制冷效率，降低能耗。同时，优化传统空调系统的设计，采用高效压缩机、换热器等部件，提升空调系统的整体性能 。
加强座舱隔热：通过改进座舱的隔热材料和结构设计，减少外界热量传入座舱，降低空调系统的制冷负荷。例如，采用多层隔热玻璃、隔热性能好的内饰材料等 。
（二）低温环境下的升级策略
改进燃料电池低温启动技术
开发快速加热技术：研究和应用高效的燃料电池快速加热技术，如内部加热（如采用加热丝、微波加热等方式对燃料电池内部进行加热）和外部加热（如利用冷却液加热、空气加热等方式对燃料电池外部进行加热）相结合的方法，缩短燃料电池的低温启动时间，降低启动能耗 。
优化电池结构设计：通过优化燃料电池的结构设计，减少电池内部的水含量，降低水结冰的风险。例如，采用新型的气体扩散层材料，提高其排水性能；设计合理的气体通道，促进水的排出 。
提升动力电池低温性能
采用电池加热技术：为动力电池配备高效的加热装置，如 PTC 加热器、加热膜等，在低温环境下对电池进行预热，提高电池的温度，降低内阻，提升电池的充放电性能。同时，优化加热控制策略，实现对电池温度的快速、均匀加热 。
研发低温性能优异的电池材料：加大对低温性能优异的电池材料的研发力度，如开发新型的电解液、电极材料等，提高电池在低温环境下的离子传导速率和电化学活性，改善电池的低温性能 。
优化加热系统
推广热泵技术应用：热泵技术在低温环境下具有较高的能效比，能够将外界环境中的热量转移到车内，实现座舱加热和电池加热。加大对热泵技术在氢能源汽车热管理系统中的应用研究和推广，降低加热能耗，提高车辆的续航里程 。
合理利用废热：优化燃料电池废热回收利用系统，在燃料电池启动后，及时将产生的废热用于座舱加热和电池加热，减少额外的加热能耗。同时，研究废热存储技术，将多余的废热存储起来，在需要时使用 。
改善热管理系统部件低温性能
选用低温适应性好的材料：对于冷却液、润滑剂等热管理系统中的流体介质，选用低温流动性好、凝固点低的材料，确保在低温环境下系统能够正常运行。同时，对风扇、水泵等部件的电机进行低温性能优化，采用低温性能好的电机材料和润滑油脂 。
加强系统保温：通过增加热管理系统管道和部件的保温层厚度，采用保温性能好的材料，减少热量散失，提高系统的保温性能 。
五、热管理系统升级的技术创新与实践案例
（一）技术创新成果
智能热管理控制系统：一些企业和科研机构开发了基于人工智能和大数据技术的智能热管理控制系统。该系统能够实时采集车辆各部件的温度、环境温度、车辆行驶工况等大量数据，并通过机器学习算法对这些数据进行分析和预测，从而自动优化热管理系统的控制策略。例如，根据车辆的行驶路线和实时交通状况，提前预测车辆的热负荷变化，合理调整散热和加热设备的工作状态，实现精准的热管理，提高能源利用效率 。
一体化热管理系统：为了提高热管理系统的集成度和协同效率，研发人员提出了一体化热管理系统的概念。这种系统将燃料电池、动力电池、电机及电控系统、座舱等各个部分的热管理功能进行整合，通过共享散热和加热设备、优化管路布局等方式，实现热量的统一分配和利用。例如，采用一套冷却液循环系统同时为燃料电池和动力电池散热，在低温时利用燃料电池的废热为座舱和动力电池加热，减少了系统的零部件数量和复杂度，降低了成本，提高了系统的可靠性 。
新型热管理材料应用：在热管理系统中，新型热管理材料的应用不断涌现。例如，气凝胶作为一种具有极低导热系数的新型隔热材料，被广泛应用于氢能源汽车的座舱隔热和热管理系统部件的保温。相变材料也在不断创新，研发出了相变温度范围更宽、储能密度更高的材料，用于电池热管理和散热器辅助散热等领域 。
（二）实践案例分析
北京冬奥会氢能源车热管理系统：在 2022 年北京冬奥会期间，大量氢能源车投入使用，这些车辆面临着低温、高海拔等极端气候条件的挑战。以北汽福田欧辉客车为例，其研发了新一代快速冷启动高功率密度燃料电池系统和极寒条件下快速升温动力电池系统。整车采用了一键加热技术，动力电池具备快速自加热技术，在 - 30℃的环境下，动力电池经过 48 小时低温静置后，仍能实现快速自加热，加热速率从 2018 年的 3℃/ 分钟提升到 2020 年的 7℃/ 分钟。燃料电池在 - 30℃的低温冷启动时间能够保证在 120 秒以内达到最佳行驶状态，同时通过综合式管理系统实现了 - 30℃静置车辆 8 小时开暖风，10 分钟之内将车内环境温度提升到接近 20℃，成功应对了冬奥会期间的低温环境 。
某企业高温环境下的氢能源车热管理实践：某氢能源汽车企业针对高温环境下的热管理问题，对其车型的热管理系统进行了全面升级。在散热方面，采用了新型微通道散热器和高效冷却风扇，优化了冷却回路布局，使散热器的散热效率提高了 30% 以上。在燃料电池热管理方面，开发了耐高温质子交换膜，并优化了热管理控制策略，有效降低了燃料电池在高温环境下的性能衰减。在动力电池热安全管理方面，引入了主动液冷式电池热管理系统，加强了电池的温度监测和预警功能。经过实际测试，在高温环境下，车辆的续航里程相比升级前提升了 20% 左右，燃料电池和动力电池的可靠性得到了显著提高 。
全部评论 （0）