鉅大LARGE | 點擊量：536次 | 2021年10月15日
燃料動力電池熱管理提升路徑在哪？
大功率密度、高冷啟動性能、自增濕以及車用工況的匹配等都對燃料動力鋰電池的熱管理策略提出了更高的要求。要用好氫燃料動力鋰電池，做好熱管理尤為關鍵。
“燃料動力鋰電池熱管理的最大瓶頸還是在于電堆的性能提升。”佛山市清極能源科技有限公司副總葉長流告訴高工氫電，燃料動力鋰電池熱管理的關鍵器件已經不存在“卡脖子”問題，從長遠來看，要做好熱管理，還要提升改進燃料動力鋰電池堆的性能。
熱管理的重要元器件
氫燃料動力鋰電池的熱管理系統將電堆反應生成的熱量排出系統外，使電堆維持在適合的溫度區間工作。事實上，燃料動力鋰電池熱管理系統重要包括燃料動力鋰電池熱管理（燃料動力鋰電池本體）和動力系統平臺熱管理兩部分。從燃料動力鋰電池系統熱管理的元器件組成來看，又重要由水泵、節溫器、去離子器、中冷器、水暖PTC、冷卻模塊及冷卻管路等不同部分組成。
燃料動力鋰電池為何要熱管理？
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
燃料動力鋰電池動力系統（簡稱：FCPS）的熱效率一般為35%-45%左右，而傳統的燃油發動機的熱效率在30%以下，在出現相同的功率的情況下，燃料動力鋰電池汽車一般要比燃油汽車節能25%左右，由此可見FCPS的環保和節能優勢比較突出。
然而，盡管燃料動力鋰電池發動機（簡稱：FCE）的效率遠高于傳統發動機，但是其散熱問題卻是一個巨大的考驗。
相關研究數據顯示，傳統的發動機散熱，15%是通過發動機機體散出，40%通過排氣管以尾氣的形式排放，只有8%的熱量是通過散熱器散出。跟傳統的燃油發動機不同，FCE在散熱方面重要依靠散熱器，理論上，FCPS的熱效率和散熱器的熱量在41%左右，有18%的熱量要通過散熱器來散出。
但在惡劣的工況下，FCPS的熱效率約為35%，此時僅有3%的熱量是通過尾氣排出，其余62%的熱量要通過散熱器來散發。
由于燃料動力鋰電池的工作溫度相對較低，散熱器中冷卻液與環境的溫差比傳統汽車小，這也為其熱管理帶來了嚴峻挑戰。
提升電堆性能是做好熱管理的基礎
事實上，改變電堆的輸出功率是通過改變電流的密度實現的。但是，隨著電流密度的改變，電堆發熱功率也會明顯變化，這就要對熱管理系統進行調節，以防止電堆過熱影響壽命和運行安全或溫度過低降低效率。
在電堆的實際運行中會發現，假如要調整電堆的溫度，要通過調節風扇轉速來實現。若僅在一定范圍內調節水泵的轉速，可能無法實現調節電堆溫度的目標。若調節水泵轉速至一定數值之上，水泵轉速的提高又只能新增熱管理系統的功耗，造成能量密度損失，降低發動機的效率。
如何在效率和熱管理方面達成最優化，成為擺在電堆公司面對的難題。此外，在實際裝車應用的過程中，還要考慮體積等其它方面的因素。
“考慮到車用燃料動力鋰電池的配置空間，特別是乘用車的高要求，熱管理最大的壓力反而轉移到電堆上了。”葉長流表示，希望適配的散熱器能做的更小，功耗更低，這也要求電堆的散熱量要小，效率要高，進而對電堆的運行溫度和濕度的匹配提出了更高的要求。
現階段，熱管理的配件基本能夠滿足供應，核心環節依然在于電堆環節。
“溫差要大，這對電堆來說就是很大的挑戰。”國內一家燃料動力鋰電池公司熱管理工程師認為，電堆工作的溫度越高，又會導致濕度降低，也又對膜電極的耐低濕度帶來的挑戰。這要提升電堆效率，要性能更好的膜電極。
另從雙極板的角度來看，石墨板和金屬板在熱管理的散熱性能方面差別不大，但是在冷啟動方面，石墨板的加熱速度較慢，金屬板要明顯優于石墨板。這意味著，不同類型的電堆有關熱管理的需求也不相同。
若對標國外先進的熱管理水平，國內還有很多地方有待改進。
“從目前已經成熟應用的情況來看，國內的燃料動力鋰電池熱管理跟國外相比還有較大的差距。”國內一家燃料動力鋰電池汽車熱管理工程師認為，這種差距重要體現在電堆上。國內的電堆的工作溫度控制在60度到70度左右，但是國外能做到80度以上，這與膜電極的耐熱性密切相關。
“按照額定電壓0.67V，國內膜電極的電流密度在1A/cm2左右，同樣的電壓，國外能做到1.5A-2A/cm2。”一名技術人員認為，在膜電極方面，國內外差距還是比較大的。
當然不必過于悲觀，現在國內的電堆公司進步很快，很多國內公司在對標豐田公司的先進標準。高工氫電了解到，目前有少數國內電堆公司研發的樣堆膜電極耐受溫度能達到85度，相當于接近豐田在2014年的水平。
