燃料電池發(fā)動機(jī)測試評價體系

孫田 陳光 楊沄芃 王祥祥 謝振兵

摘 要：燃料電池示范應(yīng)用政策的開展，對于推動氫燃料電池汽車的快速發(fā)展、提升燃料電池行業(yè)信息具有積極意義。燃料電池發(fā)動機(jī)作為燃料電池汽車的動力核心，直接影響燃料電池汽車的輸出性能，因此對于燃料電池發(fā)動機(jī)的測試至為重要，本文對目前行業(yè)內(nèi)對于燃料電池發(fā)動機(jī)的測試方法和評價體系進(jìn)行匯總及介紹，供燃料電池行業(yè)參考。

關(guān)鍵詞：燃料電池發(fā)動機(jī) 測試指標(biāo) 評價方法

Abstract：The implementation of fuel cell demonstration and application policy is of positive significance to promote the rapid development of hydrogen fuel cell vehicles and improve the information of fuel cell industry. As the power core of fuel cell vehicle， fuel cell engine directly affects the output performance of fuel cell vehicle. Therefore， the test of fuel cell engine is very important. This paper summarizes and introduces the test methods and evaluation system of fuel cell engine in the current industry for the reference of fuel cell industry.

Key words：fuel cell engine， test index， evaluation method

1 引言

燃料電池發(fā)動機(jī)是由電堆、空氣供給系統(tǒng)、氫氣供給系統(tǒng)、水熱管理系統(tǒng)、控制器等部分組成的系統(tǒng)，各子系統(tǒng)協(xié)調(diào)工作為電堆提供合適的水、電、氣條件，國產(chǎn)某型號燃料電池發(fā)動機(jī)如圖1所示。

燃料電池發(fā)動機(jī)的輸出受多因素影響，因此為燃料電池發(fā)動機(jī)建立一套完整的測試評價方法非常重要，合理完善的測試評價體系有利于企業(yè)在測試過程中發(fā)現(xiàn)燃料電池發(fā)動機(jī)的輸出特性，為提高燃料電池發(fā)動機(jī)產(chǎn)品綜合質(zhì)量提供有力保障。

國內(nèi)外專家學(xué)者基于現(xiàn)有的燃料電池產(chǎn)品開展了測評相關(guān)研究。吳詩雨等[1]基于整車燃料經(jīng)濟(jì)性對燃料電池汽車能量管理策略進(jìn)行相關(guān)測評研究。郭溫文等[2-3]通過對比行業(yè)內(nèi)燃料電池發(fā)動機(jī)測評方法，結(jié)合實車需求提出一種燃料電池發(fā)動機(jī)耐久測試工況，并進(jìn)行了相關(guān)試驗研究?，F(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)中，對于燃料電池發(fā)動機(jī)性能、發(fā)電系統(tǒng)技術(shù)條件及部件性能提供了部分測試方法要求[4-7]，行業(yè)內(nèi)也有專家對相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了解讀及分析[8-16]。本文對行業(yè)內(nèi)較為關(guān)注的燃料電池發(fā)動機(jī)指標(biāo)進(jìn)行總結(jié)，并簡單介紹已有的相關(guān)測試方法。

2 燃料電池發(fā)動機(jī)測試評價

2.1 運行特性

燃料電池常規(guī)運行中，較為值得關(guān)注的指標(biāo)即為額定功率?，F(xiàn)階段額定功率的測試方法主要是依據(jù)強(qiáng)檢標(biāo)準(zhǔn)GB/T 24554-2009《燃料電池發(fā)動機(jī)性能試驗方法》第7.4條，以燃料電池發(fā)動機(jī)在額定功率點運行60 min，記錄該60 min的燃料電池發(fā)動機(jī)輸出功率曲線并記錄平均值。在工信部裝備中心裝備中心[2021]367號《燃料電池汽車測試規(guī)范》第2條中，更是規(guī)定了60 min內(nèi)額定功率平均值應(yīng)大于額定功率申報值，同時波動范圍應(yīng)在平均值的3%范圍內(nèi)。這個標(biāo)準(zhǔn)較中機(jī)函2號文《動力電池、燃料電池相關(guān)技術(shù)指標(biāo)測試方法》第3條中所規(guī)定的60 min內(nèi)額定功率平均值應(yīng)大于額定功率申報值、波動范圍應(yīng)在平均值的5%范圍內(nèi)要求更為嚴(yán)苛。

峰值功率的測試一般以強(qiáng)檢標(biāo)準(zhǔn)GB/T 24554-2009《燃料電池發(fā)動機(jī)性能試驗方法》第7.5條為依據(jù)，受產(chǎn)品質(zhì)量差異，因此標(biāo)準(zhǔn)未不限制峰值功率點的拉載時間，峰值功率的運行時間由廠家自行決定。

同時，功率密度為衡量燃料電池發(fā)動機(jī)的重要指標(biāo)之一，但由于燃料電池發(fā)動機(jī)不規(guī)則性較大，在體積測量方面未有明確的測試方法，因此在額定功率的基礎(chǔ)上，《燃料電池汽車測試規(guī)范》提出了燃料電池發(fā)動機(jī)質(zhì)量功率密度的測試方法，來覆蓋功率密度這一測試空白。

動態(tài)響應(yīng)特性、穩(wěn)態(tài)特性兩項指標(biāo)一般均采用GB/T 24554-2009《燃料電池發(fā)動機(jī)性能試驗方法》中第7.6、7.7條規(guī)定，動態(tài)響應(yīng)特性推薦以10%Pe和90%Pe分別為加載和減載的起點終點，衡量燃料電池發(fā)動機(jī)的響應(yīng)速度。穩(wěn)態(tài)特性則至少運行十個點，每個點運行時間不少于3 min，記錄電堆電壓電流和輔助系統(tǒng)電壓電流。

燃料電池發(fā)動機(jī)運行過程中，由于空壓機(jī)、氫泵、水泵等處于高速運行狀態(tài)，尤其是空壓轉(zhuǎn)速達(dá)到每分鐘上萬轉(zhuǎn)，會產(chǎn)生大量的噪音。而現(xiàn)階段，燃料電池發(fā)動機(jī)NVH測試處在無國標(biāo)依據(jù)的空白區(qū)段，因此NVH的測試方法均是各家企業(yè)依據(jù)自身情況進(jìn)行測試，在行業(yè)內(nèi)未形成公認(rèn)的NVH測試方法和測試依據(jù)。

2.2 安全性能

燃料電池發(fā)動機(jī)本身是一個氣、電、水耦合的復(fù)雜精密系統(tǒng)，因此衡量燃料電池發(fā)動機(jī)安全性能一般以氣密性和絕緣電阻為考量指標(biāo)。

氣密性一般以GB/T 24554-2009《燃料電池發(fā)動機(jī)性能試驗方法》第7.9條為參考進(jìn)行氫單腔保壓和氫空兩腔保壓，除此之外也有部分廠家根據(jù)GB/T 20042.2-2008《質(zhì)子交換膜燃料電池 電池堆通用技術(shù)條件》第5.6條為參考進(jìn)行氫腔、空腔和水腔的竄氣試驗。

絕緣電阻測試一般依據(jù)GB/T 24554-2009《燃料電池發(fā)動機(jī)性能試驗方法》進(jìn)行測試，使用絕緣電阻測試儀分別測試正對地、負(fù)對地的絕緣電阻數(shù)值，同時燃料電池發(fā)動機(jī)絕緣電阻測試也應(yīng)滿足GB 18384-2020《電動汽車安全要求》中對燃料電池電動汽車的要求。

2.3 燃料經(jīng)濟(jì)性

燃料經(jīng)濟(jì)性作為衡量能量利用率的重要指標(biāo)，為保證燃料電池發(fā)動機(jī)的良好輸出特性，氫氣供給采用過量供應(yīng)的方式，雖然有氫氣循環(huán)泵等氫氣循環(huán)方案，但是無法保證氫氣100%的利用，因此，在氫氣尾排中會排出一部分未參與電化學(xué)反應(yīng)的氫氣。

目前為衡量燃料電池發(fā)動機(jī)氫氣排放狀況，GB/T 34593-2017《燃料電池發(fā)動機(jī)氫氣排放測試方法》中詳細(xì)規(guī)定了關(guān)于穩(wěn)態(tài)工況和循環(huán)工況下氫排放的測試方法，根據(jù)電堆理論氫耗和實際氫耗計算氫氣排放量和氫氣排放率。同時也有部分廠家根據(jù)GB/T 37154-2018《燃料電池電動汽車 整車氫氣排放測試方法》第6.1條測試方法對怠速工況下的氫氣尾排濃度進(jìn)行檢測。

除氫氣排放量、氫氣排放率外，也可采用電堆效率和燃料電池發(fā)動機(jī)效率評價燃料電池發(fā)動機(jī)經(jīng)濟(jì)性能，電堆效率和燃料電池發(fā)動機(jī)效率的測試及計算均采用GB/T 24554-2009《燃料電池發(fā)動機(jī)性能試驗方法》第8條中的計算方法，即電堆效率為：

其中：ηs為電堆效率；

Ps為電堆功率，單位為kW；

mH2為氫氣流量，單位為g/s；

LVHH2為氫氣低熱值，1.2×105kJ/kg。

燃料電池發(fā)動機(jī)效率為：

其中：ηF為燃料電池發(fā)動機(jī)效率；

PF為燃料電池發(fā)動機(jī)功率，單位為kW。

2.4 環(huán)境適應(yīng)性

燃料電池發(fā)動機(jī)環(huán)境適應(yīng)性主要是指三高環(huán)境適應(yīng)性，即高溫、高寒、高海拔三種極端環(huán)境下燃料電池發(fā)動機(jī)的運行能力。三高環(huán)境會影響燃料電池發(fā)動機(jī)的進(jìn)氣流量、進(jìn)氣溫度以及水熱管理，因此對燃料電池發(fā)動機(jī)進(jìn)行三高測試是體現(xiàn)燃料電池發(fā)動機(jī)產(chǎn)品技術(shù)成熟的必要流程，不可或缺。目前對于燃料電池三高環(huán)境試驗的標(biāo)準(zhǔn)主要是針對溫度適應(yīng)性，由于目前燃料電池汽車并未大規(guī)模投入使用，尤其是沒有在高海拔地區(qū)等極端環(huán)境下，因此目前燃料電池發(fā)動機(jī)廠家對于高原環(huán)境性試驗的需求較少，僅有部分廠家根據(jù)整車廠要求進(jìn)行研發(fā)摸底測試，而且高原環(huán)境性試驗?zāi)壳皼]有法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)可依據(jù)，處于行業(yè)空白。

高溫適應(yīng)性試驗?zāi)壳爸饕且罁?jù)GB/T 25319-2010《汽車用燃料電池發(fā)電系統(tǒng) 技術(shù)條件》5.5.1中規(guī)定，在45℃±2℃環(huán)境下以額定功率運行1小時，主要考察燃料電池發(fā)動機(jī)的主輔散系統(tǒng)在高溫環(huán)境下的散熱能力能否滿足燃料電池發(fā)動機(jī)正常工作的基本需求。

由于在低溫環(huán)境下尤其是0℃以下，電堆內(nèi)部水傳輸和電堆結(jié)構(gòu)會受到一定影響，因此燃料電池發(fā)動機(jī)的低溫適應(yīng)性試驗受到行業(yè)的廣泛重視?，F(xiàn)階段GB/T 25319-2010《汽車用燃料電池發(fā)電系統(tǒng) 技術(shù)條件》5.5.2、GB/T 33979-2017《質(zhì)子交換膜燃料電池發(fā)電系統(tǒng)低溫特性測試方法》第8條、工信部裝備中心裝備中心[2021]367號《燃料電池汽車測試規(guī)范》第5條中分別提出了三種低溫適應(yīng)性測試方法。GB/T 25319-2010《汽車用燃料電池發(fā)電系統(tǒng) 技術(shù)條件》規(guī)定將燃料電池發(fā)動機(jī)在-10℃中靜置1h后放置10℃解凍，重復(fù)10次后檢查燃料電池發(fā)動機(jī)能否正常啟動，可以看出該測試方法中并無低溫運行要求，只是檢測低溫環(huán)境下的耐受能力。GB/T 33979-2017《質(zhì)子交換膜燃料電池發(fā)電系統(tǒng)低溫特性測試方法》第8條則明確提出，在-30℃環(huán)境下靜置12 h，然后啟動，啟動成功后繼續(xù)-30℃浸機(jī)12 h，再次啟動。工信部裝備中心裝備中心[2021]367號《燃料電池汽車測試規(guī)范》第5條中仍然采用-30℃環(huán)境下靜置12 h然后啟動的測試方法，但是要求只有凍一次啟一次，而且明確了可以進(jìn)行低溫吹掃。整體來說，低溫冷啟動目前還是行業(yè)急需要解決的卡脖子難題，目前很多燃料電池企業(yè)對于解決-30℃環(huán)境下的快速啟動還處在攻關(guān)階段。燃料電池發(fā)動機(jī)低溫冷啟動試驗見圖2。

除高低溫適應(yīng)性試驗外，還有部分標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了溫度存儲的測試方法，主要是高低溫存儲后測試氣密、運行性能等評價燃料電池發(fā)動機(jī)能力，但該測試方法目前逐漸已被棄用，主流還是在高低溫環(huán)境下的運行測試為主。

2.5 可靠性

衡量燃料電池發(fā)動機(jī)可靠性的測試有振動、防水防塵、鹽霧、電磁兼容、耐久壽命等。目前振動、鹽霧、防水防塵測試沒有單獨針對燃料電池發(fā)動機(jī)的測試標(biāo)準(zhǔn)及依據(jù)，振動一般是參考動力電池標(biāo)準(zhǔn)GB 38031-2020《電動汽車用動力蓄電池安全要求》或GB/Z18333.1-2001《電動道路車輛用鋰離子蓄電池》進(jìn)行測試，燃料電池發(fā)動機(jī)振動測試見圖3。

鹽霧則是根據(jù)GB/T 2423.17-2008《電工電子產(chǎn)品環(huán)境試驗+第2部分：試驗方法+試驗Ka：鹽霧》中第6條進(jìn)行測試，防水防塵試驗則是根據(jù)防水防塵通用標(biāo)準(zhǔn)GB/T 4208-2017 外殼防護(hù)等級（IP代碼）進(jìn)行檢驗。

由于燃料電池發(fā)動機(jī)工作配套的大功率DC-DC、空壓機(jī)、氫泵、FCU控制器等工作會對燃料電池發(fā)動機(jī)產(chǎn)生一定的電磁干擾，雖然燃料電池發(fā)動機(jī)電磁兼容性能測試目前沒有相關(guān)國標(biāo)，但是中國汽車工程學(xué)會發(fā)布的團(tuán)標(biāo)T/CSAE 149-2020《燃料電池發(fā)動機(jī)電磁兼容性能試驗方法》規(guī)定了燃料電池發(fā)動機(jī)的電磁兼容測試方法。燃料電池發(fā)動機(jī)電磁兼容試驗見圖4。

現(xiàn)階段，燃料電池發(fā)動機(jī)耐久壽命現(xiàn)階段也沒有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，各家的燃料電池發(fā)動機(jī)耐久工況各有差異，基本為各燃料電池發(fā)動機(jī)企業(yè)根據(jù)整車載荷譜分析得出，耐久壽命測試受工況、BOP等多種因素限制，因此目前行業(yè)內(nèi)急需有一個統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)對相關(guān)測試方法、測試條件進(jìn)行明確規(guī)定。

3 結(jié)語

（1）燃料電池發(fā)動機(jī)為氣、水、電耦合復(fù)雜系統(tǒng)，其工作狀態(tài)受多重因素印象。目前評價燃料電池發(fā)動機(jī)的指標(biāo)有運行特性、安全性能、燃料經(jīng)濟(jì)性、環(huán)境適應(yīng)性、可靠性等多項評價體系。

（2）燃料電池發(fā)動機(jī)運行特性、安全性能、燃料經(jīng)濟(jì)性、環(huán)境適應(yīng)性的測試方法基本有相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)可以參考依據(jù)。燃料電池發(fā)動機(jī)可靠性中多項指標(biāo)目前存在無標(biāo)準(zhǔn)可依據(jù)的行業(yè)空白階段，僅可依據(jù)通用標(biāo)準(zhǔn)或借鑒動力電池的相關(guān)測試標(biāo)準(zhǔn)。

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