車用氫燃料電池系統(tǒng)性能測試評價 標準體系分析

郭森杰，楊燕紅*,3，姚 露，張春鋒，王 勇

（1.西華大學 汽車測控與安全四川省重點實驗室，四川 成都 610039； 2.西華大學 汽車與交通學院，四川 成都 610039；3.西華大學 四川智能及新能源汽車產(chǎn)業(yè)學院，四川 成都 610039）

隨著科學技術(shù)的發(fā)展以及國家對環(huán)境保護的政策要求，脫碳加氫、清潔高效已成為能源科技進步的大趨勢[1]。根據(jù)國際氫能委員會預(yù)測，截至2050年，氫能的使用將在全球范圍內(nèi)減少約60億噸二氧化碳排放量。因此，國際上普遍認為，氫能將成為未來能源系統(tǒng)的關(guān)鍵節(jié)點，在全球能源轉(zhuǎn)型及提高能源系統(tǒng)靈活性方面發(fā)揮關(guān)鍵作用[2]。氫燃料電池具有能效高、零排放、能量來源廣泛、加氫速度快和低溫適應(yīng)性好等優(yōu)點[3]。與純電動汽車所搭載的電池相比，氫燃料電池具有加注時間短，續(xù)航里程長等優(yōu)勢，是未來汽車可持續(xù)化發(fā)展的重要方向[4]。

表1為氫燃料電池汽車的市場滲透率（預(yù)測），氫燃料電池作為新能源產(chǎn)業(yè)中具有巨大發(fā)展?jié)摿Φ漠a(chǎn)業(yè)，具有很大的發(fā)展前景[5]。然而隨著車用氫燃料電池產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，我國車用氫燃料電池 的性能測試標準相較于歐、美等國家和日本，已滯后于行業(yè)發(fā)展[6]，因此，進行車用氫燃料電池系統(tǒng)的性能測試評價體系分析尤為必要。

表1 氫燃料電池汽車的市場滲透率（預(yù)測）單位：%

為了有效進行車用氫燃料電池系統(tǒng)測試評價體系分析，本文通過分析現(xiàn)有車用燃料電池標準與歐、美相關(guān)標準，結(jié)合目前汽車行業(yè)的團體標準，對車用氫燃料電池關(guān)鍵性能測試方式進行對比，提出改進方向。

1 車用氫燃料電池系統(tǒng)性能測試方法

目前，涉及氫燃料電池應(yīng)用的場景包括公交車、叉車、城際客車等，相關(guān)性能測試涵蓋部件級[8]、系統(tǒng)級[9]與整車使用級[10-17]，覆蓋乘用車、商用車等類型的車輛。在我國現(xiàn)行的車用氫燃料電池系統(tǒng)的各性能試驗基礎(chǔ)上，結(jié)合行業(yè)內(nèi)部發(fā)展，即宇通客車整合國內(nèi)成熟燃料電池技術(shù)、燃料電池動力系統(tǒng)的匹配與集成；北京重塑也已經(jīng)進行燃料電池的高低壓適應(yīng)性、溫度適應(yīng)性等試驗。這些方面的直接可用標準尚處于缺失狀態(tài)，其增加了需要進行試驗的測試項目?，F(xiàn)階段燃料電池系統(tǒng)性能應(yīng)測試項目如圖1所示。

圖1 燃料電池系統(tǒng)性能應(yīng)測試項目

本文主要針對燃料電池系統(tǒng)中的關(guān)鍵性能，選取相應(yīng)標準所對應(yīng)的性能試驗項目進行分析比較，評價各標準條款性能測試項目對車用場景下氫燃料電池性能測試的適用性。

1.1 安全性能分析

1.1.1 氣密性試驗

氫燃料電池系統(tǒng)的氣密性是關(guān)乎系統(tǒng)使用安全的重要性能。《道路車輛壓縮氣態(tài)氫（CGH2）和氫/天然氣混合燃料系統(tǒng)部件第2部分：性能和一般試驗方法》（ISO 12619-2—2014）相對于國內(nèi)標準來說，試驗使用氣體是氫氣而非惰性氣體，試驗結(jié)果在實際場景中的更有參考作用，并且該標準中具體數(shù)值的泄漏率并非廠商規(guī)定，使燃料電池系統(tǒng)的安全性更加統(tǒng)一規(guī)范，具體氣密性試驗對比分析如表2所示。

表2 氣密性試驗對比

分析可知，國內(nèi)外標準應(yīng)在不同的試驗方式下制定，對燃料電池系統(tǒng)的泄漏率提出標準數(shù)值，且應(yīng)根據(jù)不同的燃料電池運行狀態(tài)制定不同的試驗方法。對整車級氫燃料電池系統(tǒng)的泄漏率應(yīng)提出具體時間間隔，模擬真實駕駛環(huán)境，使其更具有代表性，方便以后對氫燃料電池氣密性的統(tǒng)一規(guī)范管理，以保護氫燃料電池系統(tǒng)的平穩(wěn) 運行與乘客的安全。

1.1.2 絕緣性試驗

燃料電池系統(tǒng)的絕緣性能使關(guān)乎使用者安全的重要性能，為了燃料電池絕緣性有更加良好的發(fā)展方向，根據(jù)分析國內(nèi)外對燃料電池系統(tǒng)的絕緣性的實驗區(qū)別，得出絕緣性能對比如表3所示。

表3 絕緣性試驗對比

通過對比可知，《汽車用燃料電池發(fā)電系統(tǒng) 技術(shù)條件》（GB/T 25319—2010）規(guī)定絕緣電阻的標準要求數(shù)值略低于ISO 12619-2—2014，且ISO 12619-2—2014規(guī)定需在1000 V直流電下通電至少2 s。國內(nèi)氫燃料電池系統(tǒng)不僅應(yīng)提高車身絕緣電阻數(shù)值，更應(yīng)通過科學規(guī)范的結(jié)構(gòu)設(shè)計、合理分布電氣設(shè)備，確保氫燃料電池系統(tǒng)的絕緣性能安全。

1.2 性能測試試驗

1.2.1 起動特性試驗

目前，國內(nèi)關(guān)于燃料電池汽車整車低溫冷啟動的直接可用標準相對缺乏[18]。起動特性試驗對比如表4所示。通過對比國內(nèi)外關(guān)于試驗前預(yù)處理方式與試驗后起動成功評判標準，對我國相關(guān)的試驗方式提供改進思路。

表4 起動特性試驗對比

通過分析各標準的試驗方式與測量參數(shù)的差異可知，在我國未來標準的制定過程中，需將起動特性試驗分為冷、熱機起動試驗，對試驗前的系統(tǒng)狀態(tài)進行明確規(guī)定，預(yù)處理過程中，使起動過程應(yīng)更加程序化且統(tǒng)一化。針對低溫冷啟動性能，應(yīng)根據(jù)車輛使用情況酌情決定是否需要二次冷浸，起動完成后應(yīng)規(guī)定持續(xù)穩(wěn)定運行時間。測量的數(shù)據(jù)應(yīng)在起動時間與燃料電池發(fā)動機各項數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，增加輔助系統(tǒng)電壓電流數(shù)據(jù)與氫氣的消耗量，在高壓、高溫以及高寒等條件下的起動特性試驗應(yīng)作相應(yīng)的補充。

1.2.2 工況試驗

在對比國標中關(guān)于燃料電池系統(tǒng)在不同車輛、不同使用情況下的試驗方式以及國內(nèi)外不同標準中對于工況特性的試驗區(qū)別，如表5所示。

表5 工況特性試驗對比

通過對比可知，《客車用燃料電池發(fā)電系統(tǒng)測試方法》（GB/T 28183—2011）列出了具體工況表，并給出具體運行時間，其他標準則規(guī)定各條件下的測試方式。在我國未來相關(guān)標準的制定中，應(yīng)增加更具有代表性的工況點位，在各功率特性試驗中應(yīng)進一步補充功率大小與持續(xù)時間等信息。測量的數(shù)據(jù)應(yīng)包括更加全面的測量數(shù)據(jù)，即工況下的運行時間、燃料消耗量、各系統(tǒng)中的電壓、電流與外部環(huán)境的溫度、濕度和進氣的溫度與壓力等，從而對氫燃料電池系統(tǒng)作出更加全方位的評價。

2 環(huán)境試驗性能分析

2.1 溫度適應(yīng)性試驗

《汽車用燃料電池發(fā)電系統(tǒng)技術(shù)條件》（GB/T 25319—2010）中高溫適應(yīng)性試驗需發(fā)電系統(tǒng)與散熱器均置于環(huán)境溫度為（45±2）℃，發(fā)電系統(tǒng)穩(wěn)定運行60 min；而低溫適應(yīng)性試驗需將發(fā)電系統(tǒng)置于-10 ℃環(huán)境1 h后，將環(huán)境溫度升到10 ℃進行解凍，此過程重復10次，發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)能按制造商的規(guī)定正常啟動?！兜缆奋囕v壓縮氣態(tài)氫（CGH2）和氫/天然氣混合燃料系統(tǒng)部件第1部分：一般要求和定義》（ISO 12619-1—2014）里溫度適應(yīng)性的溫度區(qū)間如表6所示。

表6 溫度適應(yīng)性試驗對比

由分析可知，國內(nèi)電池系統(tǒng)的低溫度適應(yīng)性試驗溫度區(qū)間較低，只在-10～10 ℃往復循環(huán)解凍，高溫適應(yīng)性為（45 ±2）℃。在溫度區(qū)間上限低于國外標準，下限高于國外標準。在以后的標準中應(yīng)該側(cè)重在溫度區(qū)間的選擇，提高電池對復雜環(huán)境溫度的適應(yīng)性。

2.2 耐振動試驗

在對耐振動性試驗中，《汽車用燃料電池發(fā)電系統(tǒng) 技術(shù)條件》（GB/T 25319—2010）中規(guī)定振動方向為上下單振動；振動頻率為30～35 Hz；最大加速度為30 m/s2。相較于《道路車輛壓縮氣態(tài)氫（CGH2）和氫/天然氣混合燃料系統(tǒng)部件第2部分：性能和一般試驗方法》（ISO 12619-2—2014）對比如表7所示。

表7 耐振動試驗對比

由表7可知，ISO 12619-2—2014在振動方向、時間上均較GB/T 25319—2010更全面，且在振動后進行氫泄漏試驗。我國未來相關(guān)標準制定中，可在三維方向上均施加振動，適當增加振動時間，且對振動試驗后的設(shè)備進行氫泄漏試驗，更能保證燃料電池系統(tǒng)的耐振動性。

2.3 其他性能測試

關(guān)于吹掃氣體消耗量試驗、水消耗量測試、廢熱試驗、廢氣排放試驗、可聞噪聲級試驗、振動級別試驗、排放水質(zhì)量試驗等性能試驗，標準體系中對這些性能試驗涉及相對較少，在以后發(fā)展中應(yīng)補充相關(guān)試驗方式、環(huán)境要求與具體操作。另外，氫燃料電池電動汽車整車能耗和續(xù)駛里程、碰撞安全性、環(huán)境適應(yīng)性等方面也相對缺乏[19]。

3 展望

目前，我國的氫燃料電池系統(tǒng)部件已經(jīng)取得較大進展，將系統(tǒng)應(yīng)用于整車的發(fā)電技術(shù)也逐漸完善，針對氫燃料電池系統(tǒng)性能測試的相關(guān)標準也在積極修訂中。在標準體系的發(fā)展中，需考慮氫燃料電池汽車整車能耗和續(xù)航里程、碰撞安全性、環(huán)境適應(yīng)性等性能測試方式的不足之處。相關(guān)標準的制定應(yīng)根據(jù)實際需求，對高低溫儲存、高海拔、散熱性等方面的性能試驗提出覆蓋更廣泛、方式更細致的測試方法。對于防腐蝕性試驗，建議在試驗后增加壓力測試、氣密性測試項目，部件的失效壓力、氣密性與原始部件的失效壓力、氣密性進行對比。關(guān)于電磁兼容性、高低壓適應(yīng)性等環(huán)境適應(yīng)性能測試方式應(yīng)符合目前行業(yè)發(fā)展的實際情況。

通過對性能試驗項目的對比評價，使我國標準體系未來的發(fā)展方向更加清晰明了，測試方式更加規(guī)范統(tǒng)一，加快我國氫燃料電池系統(tǒng)標準體系的建設(shè)。氫燃料電池系統(tǒng)測試評價體系應(yīng)包含性能安全、環(huán)境、壽命等各個方面，提高對其各項指標的要求，保證在各種使用環(huán)境下的安全可靠性。