乘車用燃料電池系統(tǒng)驗(yàn)證體系研究＊

彭祖雄 王曼莉 李劍錚 謝斌權(quán)

（廣州汽車集團(tuán)股份有限公司 汽車工程研究院，廣州511434）

主題詞：燃料電池系統(tǒng) 驗(yàn)證體系 乘用車 新能源汽車

1 前言

燃料電池汽車作為一種零污染的新能源汽車，被視為未來汽車的終極目標(biāo)。自從豐田發(fā)布第1款氫燃料電池汽車Mirai以來，本田研發(fā)了Clarity和現(xiàn)代研發(fā)了NEXO 燃料電池車型。我國近幾年也加速了氫燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)鏈的布局，但主要應(yīng)用于商用車領(lǐng)域，截止2020年8月，中國進(jìn)入新能源汽車推廣目錄的氫燃料電池汽車車企總共43家[1]。目前已知?dú)淙剂想姵仄囋诔擞密囶I(lǐng)域的車企主要有上汽和廣汽，上汽在2010年世博會推出榮威950燃料電池乘用車，廣汽也于2020年推出了廣汽埃安Aion LX Fuel Cell氫燃料車型。

隨著氫燃料電池汽車得到越來越多的國家和企業(yè)的重視，燃料電池汽車行業(yè)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)也必須得到加強(qiáng)。因此，開發(fā)1款高質(zhì)量的燃料電池車以及燃料電池系統(tǒng)，需要有嚴(yán)格的驗(yàn)證體系對燃料電池系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證，需要各車企以及相關(guān)燃料電池系統(tǒng)設(shè)計(jì)廠家構(gòu)建嚴(yán)格全面可靠，且符合自身產(chǎn)品要求的燃料電池系統(tǒng)驗(yàn)證體系。

2 燃料電池系統(tǒng)驗(yàn)證體系的現(xiàn)狀

目前，世界各國紛紛制定相關(guān)政策和法規(guī)鼓勵燃料電池汽車的發(fā)展，且現(xiàn)已形成了比較完備的標(biāo)準(zhǔn)體系來規(guī)范和指引行業(yè)的發(fā)展。中汽研王芳等[2]對燃料電池整車，燃料電池系統(tǒng)相關(guān)國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了對比分析，分析結(jié)果見表1。由表1可知，我國國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)逐步完善，但是整車標(biāo)準(zhǔn)相對欠缺，同時國內(nèi)外都需要加強(qiáng)對燃料電池系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)體系的梳理建立。表2主要是燃料電池整車相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，一個完整的燃料電池整車測評體系應(yīng)該包括動力性測試、經(jīng)濟(jì)性測試、安全性測試、環(huán)境適應(yīng)性測試和行駛特性測試6個維度的測試內(nèi)容。而目前的標(biāo)準(zhǔn)僅僅涉及了安全要求和最高車速試驗(yàn)的動力性測試。因此，燃料電池整車測試標(biāo)準(zhǔn)需要進(jìn)一步完善。表3主要是車用燃料電池系統(tǒng)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，目前車用燃料電池系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)也僅涉及燃料電池性能與氫氣排放相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)，缺少完整全面的車用燃料電池系統(tǒng)開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)指引體系。

表1 國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)對比分析[2]

表2 燃料電池整車標(biāo)準(zhǔn)

表3 車用燃料電池系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)

3 建立燃料電池系統(tǒng)驗(yàn)證體系的目的

燃料電池系統(tǒng)作為燃料電池車的核心系統(tǒng)之一，在燃料電池系統(tǒng)研發(fā)過程中，構(gòu)建全面完整的燃料電池系統(tǒng)驗(yàn)證體系，可以更好的規(guī)范和指導(dǎo)燃料電池系統(tǒng)的驗(yàn)證工作，在系統(tǒng)級產(chǎn)品研發(fā)階段驗(yàn)證、及發(fā)現(xiàn)燃料電池系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、工藝、安全以及法規(guī)等風(fēng)險(xiǎn)。因此，各車企在燃料電池系統(tǒng)進(jìn)行研發(fā)的過程中，不但要借鑒國內(nèi)外的標(biāo)準(zhǔn)體系，而且要構(gòu)建符合企業(yè)要求的燃料電池系統(tǒng)驗(yàn)證體系，用來指導(dǎo)各自燃料電池系統(tǒng)的研發(fā)。

4 燃料電池系統(tǒng)驗(yàn)證體系建立的原則

首先，必須基于整車設(shè)計(jì)目標(biāo)角度分析，并結(jié)合實(shí)際可行性來構(gòu)建燃料電池系統(tǒng)驗(yàn)證項(xiàng)目。因此，從匹配性、功能性、經(jīng)濟(jì)性、安全性、環(huán)境可靠性測試和耐久性6 個維度構(gòu)建燃料電池系統(tǒng)驗(yàn)證體系（圖1）；其次，必須結(jié)合燃料電池整車驗(yàn)證體系和零部件驗(yàn)證體系來構(gòu)建燃料電池系統(tǒng)的驗(yàn)證體系，比如有些執(zhí)行性差的項(xiàng)目可以考慮用零部件或者整車驗(yàn)證項(xiàng)目替代；最后，燃料電池系統(tǒng)的驗(yàn)證體系同其他體系一樣，必須具備相應(yīng)的全面性、合理性和可行性，才能在燃料電池系統(tǒng)開發(fā)環(huán)節(jié)中有效地開展相關(guān)驗(yàn)證工作。

圖1 燃料電池系統(tǒng)驗(yàn)證體系

5 燃料電池系統(tǒng)驗(yàn)證體系

5.1 匹配性驗(yàn)證

每輛車都有其整車整備質(zhì)量管理目標(biāo)，并會分解到各子系統(tǒng)。燃料電池系統(tǒng)為滿足整車整備質(zhì)量要求，開發(fā)時都會設(shè)置各子系統(tǒng)質(zhì)量設(shè)計(jì)目標(biāo)。同時，質(zhì)量也是燃料電池系統(tǒng)功率密度計(jì)算的重要參數(shù)，高水平的整車輕量化是高功率密度的基礎(chǔ)。燃料電池系統(tǒng)的匹配性驗(yàn)證必須包括質(zhì)量測量。另外，為了滿足整車布置空間，對于集成度高的燃料電池系統(tǒng)應(yīng)該測量其整體尺寸是否滿足要求。對于集成度不高的燃料電池系統(tǒng)可以考慮零部件角度測量驗(yàn)證。

5.2 功能性驗(yàn)證

根據(jù)燃料電池車的整車動力性要求，燃料電池系統(tǒng)的功率、起動特性功能必須滿足整車動力性要求。從整車動力性角度分解，燃料電池系統(tǒng)的功率特性、起動特性、穩(wěn)態(tài)特性以及動態(tài)響應(yīng)特性應(yīng)納入關(guān)鍵功能性指標(biāo)。目前國標(biāo)GB/T 24554 燃料電池發(fā)動機(jī)性能試驗(yàn)方法[3]規(guī)范了燃料電池系統(tǒng)的額定功率、峰值功率、起動特性、穩(wěn)態(tài)特性、動態(tài)響應(yīng)特性的試驗(yàn)方法，各企業(yè)可在此標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上并結(jié)合企業(yè)開發(fā)的燃料電池整車使用工況，構(gòu)建并完善燃料電池系統(tǒng)的功能性驗(yàn)證項(xiàng)目。

5.3 經(jīng)濟(jì)性驗(yàn)證

一般燃料電池整車要求使用越少的氫氣可以擁有更長的行駛里程，且整車都有能量消耗量與續(xù)駛里程的試驗(yàn)要求，目前中汽中心也立項(xiàng)并在研究《燃料電池電動汽車能量消耗量及續(xù)駛里程測試方法》，因此，基于整車驗(yàn)證體系到系統(tǒng)驗(yàn)證體系的分解原則，氫氣消耗量和氫氣排放量應(yīng)列為燃料電池系統(tǒng)的關(guān)鍵經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)，并在系統(tǒng)研發(fā)階段就應(yīng)關(guān)注并考察其經(jīng)濟(jì)性，參照國標(biāo)GB/T 34593燃料電池發(fā)動機(jī)氫氣排放測試方法[4]測試燃料電池系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)工況和循環(huán)工況下的氫氣消耗量和氫氣排放量。

5.4 安全性驗(yàn)證

燃料電池汽車以氫氣為動力源，擁有其他新能源汽車沒有的特有系統(tǒng)，有著嚴(yán)格的安全要求。國標(biāo)GB/T 24549燃料電池汽車安全要求[5]中規(guī)定了燃料電池電動汽車特有的燃料系統(tǒng)、燃料電池系統(tǒng)、動力電池系統(tǒng)、功能、故障防護(hù)和碰撞方面的安全要求，其中4.3 節(jié)是燃料電池系統(tǒng)特有的安全要求。因此，燃料電池系統(tǒng)驗(yàn)證體系中必須構(gòu)建完善的安全性驗(yàn)證，包括燃料電池系統(tǒng)的氣密性、絕緣性、觸電防護(hù)以及IP防護(hù)測試。

5.5 環(huán)境可靠性驗(yàn)證

燃料電池系統(tǒng)作為安裝在乘用車發(fā)動機(jī)艙的1個動力系統(tǒng)，其環(huán)境可靠性必須符合其使用環(huán)境以及相關(guān)試驗(yàn)條件的要求。國標(biāo)GB/T 28046等[6-10]描述了安裝在車輛上特定位置的系統(tǒng)及組件環(huán)境條件與相關(guān)試驗(yàn)方法。因此，依據(jù)GB/T 28046并結(jié)合燃料電池乘用車的實(shí)際使用環(huán)境構(gòu)建乘用車用燃料電池系統(tǒng)環(huán)境可靠性驗(yàn)證體系時，必須考慮機(jī)械負(fù)荷、氣候負(fù)荷、電氣負(fù)荷以及化學(xué)負(fù)荷對燃料電池系統(tǒng)的影響。

乘用車用燃料電池系統(tǒng)安裝在發(fā)動機(jī)艙內(nèi)，路面載荷以及電機(jī)等載荷均會對其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度產(chǎn)生一定的影響。因此，同動力電池系統(tǒng)一樣，從機(jī)械振動、機(jī)械沖擊和碰撞3 個角度來考核燃料電池系統(tǒng)的機(jī)械負(fù)荷能力。目前國家標(biāo)準(zhǔn)以及國際標(biāo)準(zhǔn)均沒有針對燃料電池系統(tǒng)的振動功率譜以及沖擊量級的定義，可以用實(shí)車采集的振動譜作為振動沖擊試驗(yàn)條件來開展試驗(yàn)。

氣候負(fù)荷主要考慮溫濕度以及海拔這類環(huán)境條件對燃料電池系統(tǒng)的影響。因此，用高溫存儲和低溫存儲試驗(yàn)來模擬燃料電池車在高溫和低溫環(huán)境下停車靜止后的性能情況；低溫冷起動特性是燃料電池系統(tǒng)設(shè)計(jì)研發(fā)中的關(guān)鍵特性，也是設(shè)計(jì)難點(diǎn)，因此，必須設(shè)計(jì)低溫冷起動試驗(yàn)來模擬低溫邊界條件下的起動性能，目前國標(biāo)燃料電池整車和燃料電池系統(tǒng)的低溫冷起動試驗(yàn)方法均在研究當(dāng)中；用高溫運(yùn)行和低溫運(yùn)行來模擬燃料電池系統(tǒng)在高溫和低溫設(shè)計(jì)邊界上的運(yùn)行性能情況；海拔越高，空氣中的氧氣越稀薄，氧氣作為燃料電池系統(tǒng)的反應(yīng)氣體之一，其含量的多少對于燃料電池系統(tǒng)的功率特性有著很大的影響，可以設(shè)計(jì)高海拔運(yùn)行來驗(yàn)證燃料電池系統(tǒng)在高原場地的運(yùn)行性能；另外，溫濕度循環(huán)還會使燃料電池堆凝露，并會對一些電器件的產(chǎn)生影響，但考慮到實(shí)際操作的難度，可以考慮用零部件氣候替代整車相關(guān)試驗(yàn)。

電氣負(fù)荷可以根據(jù)燃料電池系統(tǒng)的特性來定義其工作模式和功能狀態(tài)等級，結(jié)合可操作性開展相關(guān)電氣負(fù)荷試驗(yàn)項(xiàng)目，對于無法開展的可以考慮用零部件替代的方式進(jìn)行。而燃料電池系統(tǒng)的化學(xué)負(fù)荷的驗(yàn)證完全可以用零部件來替代。

另外，燃料電池車作為1種新能源汽車，電磁是重要的也是不可避免的環(huán)境因素。燃料電池系統(tǒng)有著燃料電池控制器、大量的高低壓線束以及CAN通訊線纜等，抗電磁干擾能力應(yīng)該是重要的考核項(xiàng)，因此電磁兼容試驗(yàn)（即EMC 試驗(yàn)）必須納入燃料電池系統(tǒng)環(huán)境可靠性驗(yàn)證體系中。目前，中國汽車工程學(xué)會汽車測試技術(shù)分會組織并編寫的《燃料電池發(fā)動機(jī)電磁兼容性能試驗(yàn)方法》正在征求意見中，而國標(biāo)針對燃料電池系統(tǒng)的電磁兼容試驗(yàn)方法還有待建立。

5.6 耐久性驗(yàn)證

燃料電池系統(tǒng)作為1 種動力源，將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，電能再轉(zhuǎn)化為電機(jī)的機(jī)械能，其核心部件燃料電池堆，同動力電池系統(tǒng)一樣，燃料電池堆的化學(xué)特性隨著使用時間的增加會不斷衰減直至失效；其關(guān)鍵輔助系統(tǒng)，比如空壓機(jī)和水泵，隨著使用時間的增加，當(dāng)達(dá)到一定的疲勞壽命的時候，空壓機(jī)和水泵的零部件會損傷失效。因此，燃料電池系統(tǒng)的驗(yàn)證體系必須策劃耐久性驗(yàn)證?？梢圆杉囼?qū)動耐久工況開展燃料電池系統(tǒng)的驅(qū)動測試，同時也可以采集NEDC 或WLTC工況開展燃料電池系統(tǒng)的壽命試驗(yàn)等。

6 結(jié)論

通過以上分析，可以建立如圖2 所示的燃料電池系統(tǒng)驗(yàn)證體系，對燃料電池系統(tǒng)開發(fā)具有重要指導(dǎo)作用，主要體現(xiàn)在：

圖2 燃料電池系統(tǒng)驗(yàn)證體系內(nèi)容

（1）匹配性驗(yàn)證項(xiàng)目，保證開發(fā)的燃料電池系統(tǒng)尺寸和質(zhì)量符合整車空間布置與整車質(zhì)量要求；

（2）功能性驗(yàn)證項(xiàng)目，保證開發(fā)的燃料電池系統(tǒng)滿足整車功能目標(biāo)，同時也能符合國家強(qiáng)檢設(shè)計(jì)要求；

（3）經(jīng)濟(jì)性驗(yàn)證項(xiàng)目，保證燃料電池系統(tǒng)氫氣利用率符合設(shè)計(jì)達(dá)標(biāo)，從而提高燃料電池整車經(jīng)濟(jì)性。

（4）安全性驗(yàn)證項(xiàng)目，保證燃料電池系統(tǒng)的安全，從而保證燃料電池整車的氫安全；

環(huán)境可靠性項(xiàng)目，保證燃料電池系統(tǒng)的耐機(jī)械負(fù)荷、耐氣候負(fù)荷、耐電氣負(fù)荷能力以及抗電磁干擾能力，從而保證燃料電池整車的環(huán)境可靠性；

（5）耐久性試驗(yàn)項(xiàng)目，保證燃料電池系統(tǒng)滿足整車使用壽命，同時燃料電池系統(tǒng)作為1種驅(qū)動系統(tǒng)，也能符合整車驅(qū)動耐久使用工況與耐久要求。