燃料電池發(fā)動機性能測試若干問題探討

文醉，吳迪，梁聰，王芳，韓麗瓊

燃料電池發(fā)動機性能測試若干問題探討

文醉，吳迪，梁聰，王芳，韓麗瓊

(中國汽車技術(shù)研究中心,天津300300）

針對目前開展的燃料電池發(fā)動機性能測試，對怠速工況、冷起動的定義、燃料電池發(fā)動機系統(tǒng)效率計算方式、絕緣電阻、測試工況等所存在的問題進(jìn)行探討,并提出相關(guān)建議。

燃料電池發(fā)動機；性能測試；若干問題

在國家十三五規(guī)劃中，電動汽車科技特別部署發(fā)展燃料電池汽車，計劃在關(guān)鍵基礎(chǔ)器件、燃料電池系統(tǒng)、基礎(chǔ)設(shè)施與示范三個方面加大研發(fā)和投入力度，燃料電池汽車迎來了示范運行和商業(yè)化的發(fā)展契機[1]。燃料電池發(fā)動機是燃料電池汽車的核心部件，如何準(zhǔn)確而有效地對其進(jìn)行測試評價將會對燃料電池汽車商業(yè)化的發(fā)展起到極為重要的作用。

目前，有關(guān)燃料電池發(fā)動機系統(tǒng)測試評價的國家標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)有GB/T24554-2009[2]，GB/T25319-2010[3]和GB/T 23645-2009[4]等。這幾項標(biāo)準(zhǔn)的制定時間較早，很多測試項目和術(shù)語的定義都借鑒了傳統(tǒng)內(nèi)燃機的相關(guān)內(nèi)容，在某些方面對于燃料電池發(fā)動機系統(tǒng)而言并不適用，在實際測試的過程中將會遇到一些問題，值得進(jìn)一步探討。

1 對怠速工況、冷起動定義的探討

1.1 怠速工況的定義所存在的問題

在國標(biāo)GB/T25319-2010中，燃料電池汽車的怠速工況的定義為發(fā)電系統(tǒng)處于工作狀態(tài)，能維持自身工作，但不對外輸出功率[3]。這一定義實際是從對內(nèi)燃機的怠速工況的定義中借鑒而來的。內(nèi)燃機的怠速是指內(nèi)燃機在無負(fù)荷的情況下運轉(zhuǎn)，只需要克服自身內(nèi)部機械的摩擦阻力，不對外輸出功率。對于燃料電池發(fā)動機而言，并沒有克服自身內(nèi)部機械摩擦阻力的情況，只有滿足輔助器件最基本電力的狀態(tài)（如空壓機、散熱系統(tǒng)的運轉(zhuǎn)等）。而燃料電池發(fā)動機的輔助器件并不都是由系統(tǒng)直接供電的，在某些情況下，整車上燃料電池發(fā)動機的輔助器件，如散熱系統(tǒng)會由動力電池來提供電力，而在臺架測試的時候亦是如此。且燃料電池發(fā)動機在起動成功后，由于燃料電池電堆的特性，若長時間處于不對外輸出功率的狀態(tài)，即長時間不對系統(tǒng)進(jìn)行加載時，可能會對燃料電池電堆造成損壞。因此，對于許多燃料電池發(fā)動機而言，都沒有“怠速工況”。這說明了燃料電池發(fā)動機的怠速狀態(tài)與內(nèi)燃機的怠速狀態(tài)有很大的不同。

為了明確怠速工況的實際狀態(tài)，在實際測試過程中，應(yīng)根據(jù)具體情況來明確測試條件。首先與制造商確定燃料電池發(fā)動機的輔助器件在整車上的供電方式，是由燃料電池發(fā)動機自身供電，還是由整車上的動力電池供電。若是由動力電池供電，在進(jìn)行臺架試驗時，需要準(zhǔn)備額外的電源，與制造商確定是否可以不加載，如果需要加載一定功率，則可視該工況為在整車上工作時的怠速工況。國內(nèi)一些燃料電池發(fā)動機的輔助部件是需要額外提供電源供電的；加拿大Ballard公司研制的燃料電池發(fā)動機，其氫氣循環(huán)泵及空壓機也是由外部電源單獨供電的。若是由燃料電池發(fā)動機自身供電的，應(yīng)認(rèn)定為可以不加載，即認(rèn)定只滿足輔助器件最基本的電力供應(yīng)而不對外輸出功率時的狀態(tài)作為怠速工況。怠速工況是其它性能測試如動態(tài)加載響應(yīng)、額定功率、峰值功率等測試的起點，需要頻繁地將燃料電池發(fā)動機系統(tǒng)置于這一狀態(tài)，這就要求怠速工況對于燃料電池發(fā)動機而言，應(yīng)該是正常可接受且能持續(xù)的狀態(tài)。

1.2 冷起動定義所存在的問題

在國標(biāo)[2]中冷起動定義為燃料電池發(fā)動機從冷機狀態(tài)（發(fā)動機內(nèi)部溫度與環(huán)境溫度相同）開始，按照制造商規(guī)定的起動操作步驟起動發(fā)動機。冷起動時間通常定義為燃料電池發(fā)動機由待機狀態(tài)起動至怠速工況所經(jīng)歷的時間，但這里并沒有確定環(huán)境溫度的范圍。為了評價燃料電池發(fā)動機低溫冷起動的性能，試驗廠家可能需要測試其產(chǎn)品在低溫環(huán)境下起動的特性，如在-10℃、-20℃甚至更低的溫度下嘗試起動燃料電池發(fā)動機的情況。通過試驗研究表明，燃料電池發(fā)動機在10℃以下的環(huán)境時，隨著溫度的降低，其起動時間將會明顯增加。

與汽油發(fā)動機不同的是，燃料電池發(fā)動機的起動受低溫的影響比柴油機更為明顯，有些系統(tǒng)在低溫下（0℃以下）會出現(xiàn)起動困難的情況，甚至無法起動，而低溫冷起動技術(shù)也是燃料電池發(fā)動機的關(guān)鍵技術(shù)之一。這是由于PEMFC廣泛應(yīng)用的質(zhì)子交換膜的特殊的化學(xué)結(jié)構(gòu)，必須保證膜中含有一定的水分，否則會影響電化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行。膜中的含水量或者燃料電池中的含水量不能過多，否則在低溫條件下冷起動之前多余的水就會發(fā)生凍結(jié)，影響電池性能，從而導(dǎo)致冷起動問題。

為了解決這一問題，現(xiàn)有PEMFC低溫冷起動策略分為不借助任何外加能量實現(xiàn)電池冷起動成功的自起動策略，和借助某種或某幾種外加輔助手段幫助電池冷起動成功的輔助起動策略[5]。自起動策略能夠很好地控制整個燃料電池系統(tǒng)的成本和復(fù)雜程度，但電池冷起動性能目前還不夠好，可用溫度范圍也較窄。而輔助起動策略雖然增加了系統(tǒng)的成本和復(fù)雜程度，但能夠保證電池更高的冷起動可靠性。輔助起動策略通常是進(jìn)行內(nèi)部加熱（流道中燒氫、催化反應(yīng)加熱、MEA電阻加熱），外部加熱（冷卻液加熱、熱空氣吹掃），加濕（控制反應(yīng)加濕排水、吹掃等）。首先將內(nèi)部溫度加熱到一定溫度后，再進(jìn)行自起動。此外，燃料電池系統(tǒng)的輔助部件如控制器、氫氣循環(huán)泵、空壓機等都可能受低溫的影響而無法正常工作。

判定低溫冷起動成功，就是在系統(tǒng)能順利進(jìn)入可加載模式即待機狀態(tài)后，對系統(tǒng)進(jìn)行加載，在怠速或低載荷下運行10 min，即證明其低溫冷起動成功了。因此，在實際測試的過程中，對于有些燃料電池發(fā)動機系統(tǒng)，其冷起動過程可能分為輔助起動和自起動兩個過程，需要分別記錄這兩個過程的冷起動時間。

美國能源部（DOE）對于燃料電池發(fā)動機低溫冷起動的要求是，在2015年要在-20℃時30 s內(nèi)實現(xiàn)起動，該目標(biāo)已經(jīng)實現(xiàn)了，而在國內(nèi)，上汽稱其燃料電池汽車也能達(dá)到這一要求。十三五期間，我國新能源汽車專項項目中，關(guān)于燃料電池低溫冷起動的要求是乘用車要實現(xiàn)-30℃下起動，商用車要實現(xiàn)-25℃下起動。

2 燃料電池發(fā)動機效率測試中的計算方式

在GB/T24554-2009[2]中，穩(wěn)態(tài)特性試驗要計算燃料電池發(fā)動機的效率。相較于傳統(tǒng)內(nèi)燃機，燃料電池發(fā)動機除具有環(huán)保的優(yōu)勢以外，其效率也明顯較高。通常，內(nèi)燃機的效率是用燃料的低熱值來表示的，而燃料電池的效率也可以用氫的低熱值來表示。理論上，燃料電池效率最大值為[6]：η=△G/△HLHV=228.74/241.98=94.5%。

在GB/T24554-2009中，燃料電池發(fā)動機實際效率的定義為單位時間內(nèi)所消耗的能量轉(zhuǎn)化為有效功率的份額，如下所示：

式中：ηF為燃料電池發(fā)動機效率；mH2為氫氣流量，g/s；LHVH2

為氫氣低熱值，1.2×106kJ/kg。

而燃料電池發(fā)動機功率PF=UFIF/1 000，其中：UF為燃料電池發(fā)動機系統(tǒng)的電壓，V；IF為燃料電池發(fā)動機系統(tǒng)的電流，A。

此公式參照了內(nèi)燃機效率的計算方法，以氫的低熱值來表示燃料電池的效率，但是，內(nèi)燃機凈功率即為其克服內(nèi)部阻力后可以對外做功的功率。而要維持燃料電池發(fā)動機的正常工作，其輔助系統(tǒng)也需要消耗功率，而當(dāng)燃料電池發(fā)動機安裝到整車上時，其輔助系統(tǒng)所消耗的功率往往有一部分不是由燃料電池發(fā)動機自身所提供的，而是由外部電源來提供的，如1.1中所述。因此，在計算效率時應(yīng)去除外部提供給輔助系統(tǒng)的功率PA，作為燃料電池發(fā)動機的凈功率輸出。因此，應(yīng)將式（1）修改

3 燃料電池發(fā)動機絕緣電阻的測量

為了確保駕駛員、乘客和車輛周圍環(huán)境的安全，電動汽車的帶電部件應(yīng)進(jìn)行觸電防護(hù)，電路和電平臺之間應(yīng)測量其絕緣電阻。燃料電池發(fā)動機的電源電壓一般為直流100～600 V，電氣安全問題不容忽視，有必要對其進(jìn)行絕緣電阻的測量。在國標(biāo)GB/T18384.3-2001《電動汽車安全要求第3部分：人員觸電防護(hù)》中，絕緣電阻的測量方法是用類似于兆歐表的儀器測量正負(fù)極端子對電平臺或?qū)Φ鼗蛳到y(tǒng)外殼的電阻。兆歐表是通過用一個電壓激勵被測裝置，然后測量激勵所產(chǎn)生的電流，再利用歐姆定律測量出電阻的，其激勵電壓往往不小于被測裝置的最大工作電壓。GB/T 18384.3-2001中對絕緣電阻的要求最小值是100 Ω/V，當(dāng)包括交流電路且沒有附加防護(hù)時，最小值應(yīng)不小于500 Ω/V。當(dāng)燃料電池發(fā)動機在不連接負(fù)載，已加冷卻液和加濕用水、水泵運轉(zhuǎn)的條件下時，可以采用上述方式進(jìn)行絕緣電壓的測試；當(dāng)燃料電池發(fā)動機處于有源狀態(tài)，即處于工作狀態(tài)時，如果以兆歐表來測量絕緣電阻，燃料電池電堆在工作時會承受一個瞬時的激勵電壓，這可能對燃料電池電堆產(chǎn)生不可預(yù)知的損傷。為了避免安全事故及對被測試件造成不可預(yù)知的損傷，當(dāng)燃料電池發(fā)動機處于熱機狀態(tài)，要對其進(jìn)行絕緣電阻測量時，可以參照GB/T 18384.1《電動汽車安全要求第1部分：車載可充電儲能系統(tǒng)》中的測量方法，通過燃料電池發(fā)動機系統(tǒng)與電平臺之間中添加一個已知的測量電阻R0的方式來測量絕緣電阻Ri，其計算公式為[7]：Ri=R0（U1-U2）/U2（1+U'1/U1）。其中：U1、U'1為添加于R0之前、系統(tǒng)兩個端子和車輛電平臺之間的電壓，較高者定義為U1，較低者定義為U1'；U2、U2'為添加于R0之后，系統(tǒng)兩個端子和車輛電平臺之間的電壓，較高者定義為U2，較低者定義為U'2。

采用GB/T18384.1進(jìn)行絕緣電阻測量，實際上是一種間接測量方式，通過計算得到絕緣電阻值，測試步驟和原理過程清晰，并沒有施加激勵電壓，對人員及測試樣品而言，安全性更高；GB/T 18384.3-2001中用兆歐表直接測量絕緣的方法，操作更為簡單，耗時更短。表1為分別采用兩種方法進(jìn)行絕緣電阻測量選取的典型值[8]。

4 結(jié)束語

隨著燃料電池技術(shù)的發(fā)展和產(chǎn)業(yè)的擴大，目前國內(nèi)與燃料電池發(fā)動機相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展的滯后已逐漸顯現(xiàn)。這需要在行業(yè)內(nèi)加快標(biāo)準(zhǔn)制修訂進(jìn)程，同時加強對燃料電池發(fā)動機測試方法及評價的研究。本文在結(jié)合相關(guān)的測試?yán)碚摰幕A(chǔ)上，對燃料電池發(fā)動機試驗中遇到的一些問題進(jìn)行了分析，并提出了一些建議，為標(biāo)準(zhǔn)制修訂和完善測試評價方法提供參考。

[1]孫宇軒.關(guān)于新能源汽車發(fā)展的現(xiàn)狀及趨勢[J].中外企業(yè)家，2015（9x）：21.

[2]全國汽車標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會.燃料電池發(fā)動機性能試驗方法：GB/T24554-2009[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2009：10.

[3]全國燃料電池標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會.汽車用燃料電池發(fā)電系統(tǒng)技術(shù)條件：GB/T 25319-2010[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2010：11.

[4]全國燃料電池標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會.乘用車用燃料電池發(fā)電系統(tǒng)測試方法：GB/T23645-2009[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2009：4.

[5]馬建新，高鑫，張存滿.質(zhì)子交換膜燃料電池冷起動機理及冷起動策略[J].電源技術(shù).2009（07）.

[6]弗朗諾·巴爾伯.PEM燃料電池：理論與實踐[M].北京：機械工業(yè)出版社，2016.

[7]全國汽車標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會.電動汽車安全要求第1部分：車載可充電儲能系統(tǒng)：GB/T 18384.1-2015[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2015：5.

[8]劉廣敏，喬昕，張曉鵬.電動汽車動力鋰電池在線絕緣電阻檢測方法研究[J].汽車技術(shù).2013（11）：51-54.

修改稿日期：2017-02-13

Discussion of Some Problems of Performance Test for Fuel Cell Engine

Wen Zui,Wu Di,LiangCong,WangFang,Han Liqiong
(China Automotive Technologyand Research Center,Tianjing300300,China)

Aiming at the present performance test for fuel cell engine system,the authors discuss the existing problems,such as the definitions of the idle condition and cold start,the calculation way of fuel cell engine system efficiency,the electric insulation resistance and the test conditions,and put forward some suggestions.

fuel cell engine;performance test;some problems

U464

B

1006-3331（2017）02-0053-03

國家863項目，鋰離子儲能電池和燃料電池備用電源安全性設(shè)計及性能評價研究（2014AA052201）

文醉（1985-），男，碩士；工程師；主要從事車輛燃料電池和動力電池的測試研究工作。