燃料電池耐久試驗(yàn)循環(huán)工況對比

黃彥維，侯永平，張建文，郝 冬

( 1.同濟(jì)大學(xué)新能源汽車工程中心，上海 201804； 2.上海機(jī)動車檢測認(rèn)證技術(shù)研究中心有限公司，上海 201805； 3.中國汽車技術(shù)研究中心，天津 300300 )

耐久性問題阻礙了燃料電池的商業(yè)化，急需解決[1]。近年來，許多機(jī)構(gòu)進(jìn)行了相關(guān)的耐久性試驗(yàn)，但大多數(shù)都是在恒流條件下進(jìn)行的，不能真實(shí)地反映車載條件下燃料電池堆的耐久性問題。為盡量使車用燃料電池堆耐久性臺架試驗(yàn)考核情況與實(shí)際道路運(yùn)行情況一致，不少學(xué)者采用在臺架上模擬實(shí)際道路工況運(yùn)行的方法進(jìn)行耐久性試驗(yàn)研究[2-6]。在之前的耐久性臺架試驗(yàn)研究中，采用的循環(huán)工況各不相同，對各類循環(huán)工況的對比也一直處于空白。在車用燃料電池堆耐久性臺架試驗(yàn)中，循環(huán)工況的合理性是影響結(jié)果有效性的關(guān)鍵因素。

有鑒于此，本文作者先分別對目前常見的各循環(huán)工況進(jìn)行分析，通過功率分布規(guī)律等找出它們各自特點(diǎn)；再對各循環(huán)工況進(jìn)行綜合對比分析，以期為試驗(yàn)循環(huán)工況的選取提供參考。

1 車用燃料電池堆耐久性臺架試驗(yàn)循環(huán)工況

1.1 試驗(yàn)循環(huán)工況評價(jià)方法

循環(huán)工況的選取是決定耐久性臺架試驗(yàn)結(jié)果有效性的關(guān)鍵因素。為使臺架試驗(yàn)與實(shí)車運(yùn)行情況更接近，耐久性臺架試驗(yàn)的循環(huán)工況應(yīng)盡量與車輛實(shí)際道路運(yùn)行工況一致，具有實(shí)際道路運(yùn)行時(shí)的特點(diǎn)，包含怠速、加速(加載)、減速(卸載)和勻速行駛等過程。車用燃料電池堆耐久性臺架試驗(yàn)循環(huán)工況，還應(yīng)考慮車用燃料電池堆自身的衰減特點(diǎn)，包含以下幾個(gè)作為車用燃料電池堆衰減主要原因的典型工況。

動態(tài)循環(huán)工況：指車輛實(shí)際運(yùn)行過程中，隨著路況變化，燃料電池堆輸出功率隨著載荷變化的過程[1]，該工況會引起缺氣和電壓頻繁變化，造成燃料電池堆的衰減。開路、低載和怠速工況：該工況會引起陰極高電勢，造成燃料電池堆的衰減。過載工況：會引起缺氣和水淹，造成燃料電池堆的衰減。啟停工況：該工況中，環(huán)境空氣的侵入會引起陰極高電勢，造成燃料電池堆衰減。

1.2 常見車用燃料電池堆耐久性臺架試驗(yàn)循環(huán)工況

此前，歐盟、美國、中國和日本等都根據(jù)實(shí)際道路交通情況，開發(fā)了汽車行駛工況，表現(xiàn)為在特定行駛環(huán)境下車輛行駛的速度-時(shí)間工況。根據(jù)燃料電池車的運(yùn)行特征，可將汽車行駛的車速-時(shí)間工況轉(zhuǎn)化，得到適用于耐久性臺架試驗(yàn)的功率-時(shí)間或電流-時(shí)間工況。目前，很多常見車用燃料電池耐久性臺架試驗(yàn)工況都是由此而來的。如國際電工委員會(IEC)標(biāo)準(zhǔn)[2]、美國能源部(DOE)[3]、法國電氣試驗(yàn)室[4]、同濟(jì)大學(xué)和清華大學(xué)的車用燃料電池堆耐久性臺架試驗(yàn)循環(huán)工況[5]等。

1.2.1 IEC標(biāo)準(zhǔn)車用燃料電池堆耐久性臺架試驗(yàn)循環(huán)工況

IEC標(biāo)準(zhǔn)車用燃料電池堆耐久性試驗(yàn)循環(huán)工況，是參考?xì)W盟的新歐洲行駛工況(NEDC)[6]，并將車速-時(shí)間工況轉(zhuǎn)變?yōu)楣β?時(shí)間工況得到的[2]。NEDC如圖1所示。

圖1 新歐洲行駛工況[6]

NEDC是針對車輛在市區(qū)和郊區(qū)行駛制定的。整個(gè)循環(huán)工況包括市區(qū)運(yùn)轉(zhuǎn)循環(huán)和市郊運(yùn)轉(zhuǎn)循環(huán)兩部分，其中，市區(qū)運(yùn)轉(zhuǎn)循環(huán)又是由4個(gè)小的市區(qū)運(yùn)轉(zhuǎn)循環(huán)單元組成，每個(gè)循環(huán)單元測試時(shí)間為195 s，包括怠速、啟動、加速、勻速行駛及減速停車等幾個(gè)階段，最高車速50 km/h，平均車速18.35 km/h，最大加速度1.042 m/s2，平均加速度0.599 m/s2；市郊運(yùn)轉(zhuǎn)循環(huán)測試時(shí)間為400 s，最高車速120 km/h，平均車速62 km/h，最大加速度0.833 m/s2，平均加速度0.354 m/s2。

轉(zhuǎn)化后得到的IEC標(biāo)準(zhǔn)車用燃料電池堆耐久性臺架試驗(yàn)循環(huán)工況如圖2所示。

圖2 IEC標(biāo)準(zhǔn)車用燃料電池堆耐久性臺架試驗(yàn)循環(huán)工況[2]

Fig.2 International Electrotechnical Commission(IEC) durability test cycle of vehicular fuel cell stack[2]

該循環(huán)工況來源于NEDC，具有歐洲車輛日常行駛特點(diǎn)，一次循環(huán)耗時(shí)1 180 s。與其他工況不同的是：該工況由市區(qū)循環(huán)和市郊循環(huán)兩個(gè)部分組成。對比圖2和圖1可知，該循環(huán)工況特征與NEDC特征具有很強(qiáng)的一致性，不僅包含怠速、加速(加載)、減速(卸載)和勻速行駛等日常行駛中的常見工況，也包含了額定工況等特征功率點(diǎn)，并且每1 180 s，燃料電池堆會經(jīng)歷一次啟停工況。對該循環(huán)工況進(jìn)行功率分布統(tǒng)計(jì)可知：開路、低載和怠速工況占比41.4%，額定工況占比3.7%。該循環(huán)工況功率分布范圍廣，其中在動態(tài)循環(huán)工況部分功率跨度從5%燃料電池堆額定功率(PE)到100%PE，各功率占比時(shí)間合理，但缺少過載這一典型工況。

1.2.2 DOE車用燃料電池堆耐久性臺架試驗(yàn)循環(huán)工況

DOE車用燃料電池堆耐久性臺架試驗(yàn)循環(huán)工況(DCT)在DOE制定的質(zhì)子交換膜燃料電池堆耐久性測試標(biāo)準(zhǔn)中提出，目前，已被DOE和美國燃料電池聯(lián)盟運(yùn)用[3]。該循環(huán)工況來源于美國SC03行駛工況(見圖3)[7]。

圖3 SC03行駛工況[7]

美國SC03行駛工況代表美國主干線和高速公路行駛工況，具有高速度和高加速度的特點(diǎn)，最高車速為129.2 km/h，平均車速為77.9 km/h。將SC03行駛工況中車速-時(shí)間工況轉(zhuǎn)化為用于車用燃料電池堆耐久性臺架試驗(yàn)的電流-時(shí)間工況，得到DOE燃料電池耐久性試驗(yàn)循環(huán)工況，如圖4所示。

圖4中的工況，一次循環(huán)耗時(shí)360 s。由圖4和圖3對比發(fā)現(xiàn)，該循環(huán)工況和SC03相比有一定差別，但整體變化趨勢一致，具有高速度和高加速度工況特點(diǎn)。該循環(huán)工況包含怠速工況、加減速工況、勻速行駛工況和額定工況等日常行駛中的常見工況。對該循環(huán)工況進(jìn)行功率分布統(tǒng)計(jì)，得到該循環(huán)工況中，開路、低載和怠速工況占比30.0%，額定工況占比9.7%，過載工況占比5.6%；可以發(fā)現(xiàn)：該循環(huán)工況包括了所有作為車用燃料電池堆衰減主要原因的4個(gè)典型工況，功率跨度大且各功率點(diǎn)時(shí)間占比合理，但常用功率點(diǎn)過少。

圖4 DOE車用燃料電池堆耐久性臺架試驗(yàn)循環(huán)工況[3]

Fig.4 U.S.department of energy durability test cycle of vehicular fuel cell stack[3]

1.2.3 HYZEM車用燃料電池堆耐久性臺架試驗(yàn)循環(huán)工況

法國國立貝爾福-蒙比利亞工程技術(shù)大學(xué)電氣工程與系統(tǒng)試驗(yàn)室參考混合動力技術(shù)零排放(HYZEM)行駛工況，利用法國交通和安全研究院開發(fā)的VEHLIB軟件，制定了HYZEM行駛工況[4]。HYZEM行駛工況包含了市內(nèi)循環(huán)、市郊循環(huán)和高速循環(huán)3個(gè)部分，每個(gè)部分都包含怠速、啟動、加速及減速停車等階段。該工況平均速度40.4 km/h、平均加速度0.71 m/s2、最大加速度1.3 m/s2[8]。

以測試額定電流為70 A的車用燃料電池堆為例，得到HYZEM車用燃料電池堆耐久性臺架試驗(yàn)循環(huán)工況[6]，一次循環(huán)耗時(shí)540 s。該工況特點(diǎn)鮮明，由市區(qū)循環(huán)、市郊循環(huán)和高速循環(huán)3個(gè)部分組成，比標(biāo)準(zhǔn)的歐盟NEDC代表了更多的駕駛工況，且穩(wěn)定速度部分要少很多。該循環(huán)工況包含了怠速、加速(加載)和減速(卸載)等日常行駛中的常見工況，但缺少勻速行駛工況。對該循環(huán)工況進(jìn)行電流分布統(tǒng)計(jì)，得到平均電流為12.5 A，最大電流變化率為20 A/s；在動態(tài)循環(huán)工況中加載電流連續(xù)，從0到額定電流70 A，每個(gè)電流點(diǎn)都包含在內(nèi)且分布均勻合理，但該循環(huán)工況不包含穩(wěn)定電流點(diǎn)下運(yùn)行的情況，即沒有勻速行駛工況。

1.2.4 同濟(jì)大學(xué)車用燃料電池堆耐久性臺架試驗(yàn)循環(huán)工況

同濟(jì)大學(xué)根據(jù)NEDC的特點(diǎn)和實(shí)際車輛行駛情況，將NEDC轉(zhuǎn)化為適用于車用燃料電池堆耐久性臺架試驗(yàn)的循環(huán)工況。轉(zhuǎn)化得到后的同濟(jì)大學(xué)循環(huán)工況如圖5所示。

對比圖5和圖1可知，該循環(huán)工況的特征與NEDC[2]特征具有很強(qiáng)的一致性，不僅包含怠速、加速(加載)、減速(卸載)和勻速行駛等日常行駛中的常見工況，也包含了額定工況等特征功率點(diǎn)，并且燃料電池堆每1 200 s就會經(jīng)歷一次啟停工況。對該循環(huán)工況進(jìn)行功率分布統(tǒng)計(jì)，得到該循環(huán)工況中，開路、低載和怠速工況占比37.9%，過載工況占比2.4%，額定工況占比9.2%，各工況占比時(shí)間合理。該循環(huán)工況包括了所有作為車用燃料電池堆衰減主要原因的4個(gè)典型工況，其中，在動態(tài)循環(huán)工況部分功率跨度從8%PE到120%PE。與IEC標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)工況相比，兩者整體特征類似，但同濟(jì)大學(xué)循環(huán)工況包含了過載工況，且功率分布范圍更大。

圖5 同濟(jì)大學(xué)車用燃料電池堆耐久性臺架試驗(yàn)循環(huán)工況

Fig.5 Tongji University’s durability test cycle of vehicular fuel cell stack

1.2.5 清華大學(xué)燃料電池耐久性臺架試驗(yàn)循環(huán)工況

清華大學(xué)基于中國城市公交循環(huán)工況(CCBC)，通過建立仿真模型，轉(zhuǎn)化得到適用于城市公交用燃料電池堆臺架耐久性試驗(yàn)的循環(huán)工況[5]。CCBC如圖6所示。

圖6 中國城市公交循環(huán)工況(CCBC)

CCBC是在北京、上海和廣州等3個(gè)城市公交運(yùn)行工況數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上開發(fā)的。整個(gè)循環(huán)工況由怠速、低速、勻速、中速和高速等14個(gè)工況構(gòu)成，該循環(huán)一次耗時(shí)1 314 s。CCBC的最高車速60 km/h，平均車速16.1 km/h，最大加速度1.543 m/s2。清華大學(xué)車用燃料電池堆耐久性臺架試驗(yàn)循環(huán)工況[5]分為階段Ⅰ和階段Ⅱ，一次循環(huán)耗時(shí)60 min。該工況具有國內(nèi)公交車日常行駛的特點(diǎn)，包含公交車道路運(yùn)行過程中的怠速、低載運(yùn)行、動態(tài)循環(huán)過程、常用工況及持續(xù)大載等狀態(tài)。對工況的電流分布統(tǒng)計(jì)可知：開路、低載和怠速工況占比28.3%，額定工況占比51.7%，過載工況占比3.3%。該循環(huán)工況包含了導(dǎo)致車用燃料電池堆衰減的4個(gè)典型工況；動態(tài)循環(huán)工況中電流跨度從3.7%IE(額定功率點(diǎn)對應(yīng)的額定電流)到120%IE，各功率點(diǎn)時(shí)間占比均勻，符合公交車實(shí)際運(yùn)行時(shí)的功率分布，但額定功率部分時(shí)間占比較大。

2 耐久性臺架試驗(yàn)循環(huán)工況對比

各循環(huán)工況(啟停工況均為1次/循環(huán))的對比情況見表1。

表1 車用燃料電池堆耐久性臺架試驗(yàn)循環(huán)工況 Table 1 Durability test cycle of vehicular fuel cell stack

從表1可知，這5種工況中，除IEC標(biāo)準(zhǔn)和HYZEM循環(huán)工況中不包含過載工況外，其余均涵蓋了造成車用燃料電池堆衰減的4個(gè)典型工況(動態(tài)循環(huán)工況，開路、低載或怠速工況，過載工況和啟停工況)。耐久性臺架試驗(yàn)可根據(jù)具體要求，如試驗(yàn)要求道路條件、工況類型等選取相應(yīng)的工況。

3 結(jié)論

車用燃料電池堆耐久性臺架試驗(yàn)循環(huán)工況應(yīng)盡量與車輛實(shí)際道路運(yùn)行工況特征一致，具有車輛實(shí)際道路運(yùn)行工況特點(diǎn)，包含怠速、加速(加載)、減速(卸載)和勻速行駛等過程，并考慮車用燃料電池堆自身的衰減特點(diǎn)，包含動態(tài)循環(huán)，開路、低載和怠速，過載及啟停等易造成衰減的典型工況。

對常見5種耐久性臺架試驗(yàn)循環(huán)工況的對比可知，IEC標(biāo)準(zhǔn)、DOE、HYZEM、同濟(jì)大學(xué)和清華大學(xué)制定的循環(huán)工況均由典型行駛工況轉(zhuǎn)化而來，具有車輛實(shí)際道路運(yùn)行工況特點(diǎn)。這5種工況適用于不同條件下的車用燃料電池堆耐久性臺架試驗(yàn)，應(yīng)根據(jù)試驗(yàn)具體要求并結(jié)合各自工況特點(diǎn)選擇合適的耐久性臺架試驗(yàn)循環(huán)工況。

[1] 任麗彬，朱永生.電動車用PEM燃料電池[J].電池，2001，31(5): 251-253.

[2] IEC 62282-2-2012，fuel cell technologies -part 2: fuel cell mo-

dules [S].

[3] Joint Hydrogen Quality Task Force，“Protocol on Fuel Cell Component Testing:Suggested Dynamic Testing Protocol (DTP)，” Document USFCC 04-068 Rev A(May 1，2006) [DB/OL].http://www.fchea.org/core/import/PDFs/Technical% 20Resources/Trans-H2Quality-DynamicTestingProfile-04-068A.pdf.

[4] WAHDAME B,CANDUSSO D,FRANξOIS X，etal.Comparison between two PEM fuel cell durability tests performed at constant current and under solicitations linked to transport mission profile[J].Int J Hydrogen Energy，2007，32(17):4 523-4 536.

[5] 邵靜玥.燃料電池堆性能評價(jià)試驗(yàn)方法[D].清華大學(xué)，2005.

[6] Wikipedia，New European Driving Cycle (12-April-2013)[EB/OL].http://en.wikipedia.org/wiki/New_European_Driving_Cycle.

[7] EPA，EPA SC03 Supplemental Federal Test Procedure (SFTP) with Air Conditioning[DB/OL]. https://www.epa.gov/ emission-standards-reference-guide/epa-sc03-supplemental-federal-test-procedure-sftp-air.

[8] WAHDAME B,CANDUSSO D,FRANξOIS X，etal.Comparison between two PEM fuel cell durability tests performed at constant current and under solicitations linked to transport mission profile[J].Int J Hydrogen Energy，2007，32(17):4 523-4 536.