《International Journal of Hydrogen Energy》：Electro-thermal coupled energy allocation for fuel cell heavy-duty trucks: Multi-energy coordination with waste heat recovery
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一个统一的电-热建模框架（Electro-thermal Modeling Framework）对于审慎协调燃料电池重型卡车（Fuel Cell Heavy-Duty Trucks，FCHDT）中带有余热回收和再利用的多能流，从而改善氢利用行为是必不可少的。在
一个统一的电-热建模框架（Electro-thermal Modeling Framework）对于审慎协调燃料电池重型卡车（Fuel Cell Heavy-Duty Trucks，FCHDT）中带有余热回收和再利用的多能流，从而改善氢利用行为是必不可少的。在运行过程中，燃料电池堆（Fuel Cell Stack）温度的升高与低温条件下驾驶室和集装箱急剧增加的热需求产生了加热能量不匹配，从而恶化了FCHDT的整体运行效率。为克服这一局限，研究人员开发了一个用于FCHDT的系统级电-热耦合建模框架（Electro-thermal Coupled Modeling Framework），该框架考虑了热需求与热供应的交互作用。基于经典电气负载模型，研究人员开发了FCHDT的多区域热负荷模型，以捕获在规定的行驶和环境条件下的耦合能量需求。在此，驾驶室和集装箱的热负荷被显式建模以利用燃料电池系统的多余余热，而任何未满足的热需求则被转换为由暖通空调系统（HVAC System）供应的等效电气负载。在供应侧，研究人员开发了燃料电池系统和电池的物理模型，其中燃料电池运行受热生成和冷却能力限制的影响。此外，所提出的电-热平衡模型（Electro-thermal Balance Model）实现了对供需交互适当匹配的物理表征。仿真表明，显式考虑电-热耦合可使氢消耗降低约9.7%，从而强调了带有加热协调的系统级建模在提升FCHDT能效和运行鲁棒性方面的影响。? 2026 Published by Elsevier Ltd. Selection and/or peer-review under responsibility of Global Science and Technology Forum Pte Ltd.
**论文解读：燃料电池重型卡车电-热耦合能量分配与余热回收研究**
**研究背景与问题**
燃料电池重型卡车（Fuel Cell Heavy-Duty Truck，FCHDT）被视为长途公路货运深度脱碳的可行路径，其动力系统尾气排放近乎为零，可显著减少温室气体排放。然而，与传统柴油卡车稳定输出大量可直接用于驾驶室加热的发动机余热不同，FCHDT的燃料电池（Fuel Cell，FC）余热温度、可用性和可回收性受堆栈升温动态和冷却能力共同约束，使余热回收与再利用成为系统级能量协调问题。尤其在低温环境下，电池可用容量下降、电加热需求激增，导致整体性能恶化。现有研究多集中于电域能量管理，对余热回收与详细热负荷交互的建模尚不充分，缺乏统一的多物理场耦合模型。因此，开展系统级电-热耦合建模研究，对于提升FCHDT能效与运行鲁棒性具有重要意义。该论文发表在《International Journal of Hydrogen Energy》。
**开展的研究与结论**
研究人员开发了一个系统级电-热耦合建模框架，该框架统一了电气负载、多区域热负荷及燃料电池电-热特性，实现了能量流与热流的协同管理。基于Daimler卡车参数与欧盟卡车测试标准（EU truck testing standards）进行案例研究，对比有无显式电-热耦合的两种能量平衡方案。结果表明：显式电-热耦合将燃料电池峰值功率降低约14%，堆栈温度维持在约70.9°C；平均燃料电池毛效率从0.391提升至0.423，高效运行时间比例从8.5%增至53.7%；通过余热回收与热约束功率交互，暖通空调系统（HVAC）电耗显著降低，电池更积极参与瞬态功率补偿；经荷电状态（State of Charge，SOC）校正后，氢消耗从每百公里15.59 kg降至14.08 kg，降低约9.7%。敏感性分析验证了模型在不同环境温度、热负荷设置及散热能力下的物理一致性。
**主要关键技术方法**
研究人员采用的关键技术方法包括：(1) **系统级电-热耦合建模框架**：集成电气负载模型、多区域热负荷模型和燃料电池电-热耦合模型；(2) **电气负载模型**：基于纵向车辆动力学，将行驶工况映射为电机侧功率需求；(3) **多区域热负荷模型**：独立计算驾驶室和冷藏集装箱的热负荷，并考虑余热优先利用；(4) **燃料电池电-热耦合模型**：描述功率输出、热生成、余热可用性与冷却限制，定义可持续热输出阈值；(5) **迭代电-热平衡求解**：优先利用燃料电池余热，不足时由电加热补充，确保电热闭环一致性。仿真参数来源于Daimler卡车报告参数及欧盟卡车测试标准。
**研究结果**
**5.1 行驶工况与仿真输入**：采用混合行驶工况（含低速启停、中速过渡和高速巡航），车辆速度曲线经数值微分得到加速度，行驶约20 km，时长1800 s。
**5.2 电-热耦合对功率分配的影响**：对比无电-热耦合（Case A）与有电-热耦合（Case B）两种情况。Case B中燃料电池峰值功率从449 kW降至385 kW（降低约14%），平均功率从121.5 kW降至114.6 kW；电池累积能量交换从-8.6 MJ增至-17.4 MJ，表明电池更积极参与瞬态补偿。
**5.3 驾驶室与集装箱热性能**：两种方案均能维持驾驶室温度约27°C、集装箱温度约18°C。但Case B中HVAC电耗显著降低，余热利用量随时间变化，有效替代部分电加热。
**5.4 氢消耗与电池SOC演化**：Case B直接氢消耗为2.73 kg（Case A为3.11 kg），经SOC校正后氢消耗降低约9.7%（从15.59 kg/100 km降至14.08 kg/100 km）。Case B中燃料电池平均毛效率从0.391提升至0.423，高效运行（ηg≥0.43）时间比例从8.5%增至53.7%。
**5.5 燃料电池输出**：Case B中燃料电池峰值电功率约385.4 kW，平均约91.9 kW；余热供应峰值约31.46 kW，平均约19.63 kW；电功率与余热供应比在0.19–0.21之间，表明高功率运行时余热可部分抵消电加热需求。
**5.6 敏感性分析与验证**：降低环境温度（从10°C至-10°C）使氢消耗增加至2.750 kg，HVAC电耗上升至5.040 kW，余热利用增加至12.200 kWh；提高驾驶室或集装箱设定温度均会小幅增加氢消耗与HVAC电耗；增强散热器换热能力（150 W/K至220 W/K）使余热利用从9.102 kWh增至10.384 kWh。
**总结与结论**
讨论部分指出，显式电-热耦合建模通过热约束功率交互和余热回收，有效提升了系统能效并降低氢消耗，为未来FCHDT的热约束能量流分析与电-热交互研究提供了理论基础。研究结论如下：
1. 开发了统一的FCHDT电-热框架，实现了牵引需求、车载多区域热负荷与燃料电池电-热特性的系统级耦合，支持系统级仿真与物理一致性行为分析。
2. 显式电-热耦合平衡将燃料电池运行限制在热可持续区域，峰值功率降低约14%，堆栈温度维持在约70.9°C，平均毛效率从0.391提升至0.423，高效运行时间比例从8.5%增至53.7%。
3. 通过协调余热回收与热约束功率交互，所提框架显著降低了HVAC电耗并改善了整体能量利用行为；电池更积极参与瞬态功率补偿，累积能量交换在电-热耦合条件下几乎翻倍。
4. 综合余热利用、热可持续燃料电池运行及改进的功率交互效果，经SOC校正后氢消耗从3.11 kg降至2.81 kg（同一行驶循环），对应氢消耗降低约9.7%。
