燃料電池汽車(chē)低溫冷啟動(dòng)測(cè)試方法對(duì)比分析

摘 要：燃料電池汽車(chē)低溫冷啟動(dòng)能力是評(píng)價(jià)其性能的重要指標(biāo)之一，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 43255—2023《燃料電池電動(dòng)汽車(chē)低溫冷啟動(dòng)性能試驗(yàn)方法》已發(fā)布，其測(cè)試評(píng)價(jià)方法與國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO 17326：2023《壓縮氫氣燃料電池汽車(chē)低溫冷啟動(dòng)測(cè)試評(píng)價(jià)方法》有一定的差異，本文重點(diǎn)對(duì)比分析兩種標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)低溫冷啟動(dòng)的測(cè)試評(píng)價(jià)方法的異同，同時(shí)對(duì)一款國(guó)際燃料電池汽車(chē)進(jìn)行低溫冷啟動(dòng)測(cè)試評(píng)價(jià)分析。

關(guān)鍵詞：燃料電池 冷啟動(dòng) 性能

DOI編碼：10.3969/j.issn.1002-5944.2024.14.029

0 引 言

燃料電池汽車(chē)的低溫冷啟動(dòng)能力是評(píng)價(jià)其關(guān)鍵技術(shù)水平的指標(biāo)之一，經(jīng)過(guò)十三五期間各大汽車(chē)企業(yè)的技術(shù)攻關(guān)，國(guó)內(nèi)燃料電池汽車(chē)的冷啟動(dòng)能力[1-3]已經(jīng)得到了巨大的提升，已經(jīng)基本能夠達(dá)到-2 0℃的啟動(dòng)能力，但是其各大企業(yè)的測(cè)試評(píng)價(jià)[4 -5 ]方法并不統(tǒng)一。在實(shí)際的運(yùn)行過(guò)程中，由于動(dòng)力電池參與其動(dòng)力輸出，所以燃料電池整車(chē)在低溫冷啟動(dòng)過(guò)程中需要兼顧燃料電池系統(tǒng)和動(dòng)力電池系統(tǒng)的雙重冷啟動(dòng)問(wèn)題[6-7]。

目前已有國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)[8]和國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)[9]規(guī)定了燃料電池汽車(chē)低溫冷啟動(dòng)的測(cè)試方法。由于國(guó)內(nèi)外不同的發(fā)展路線(xiàn)，國(guó)際上主要以全功率的燃料電池汽車(chē)為主，而國(guó)內(nèi)主要以電電混合的方式，所以國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)[8-9]中的要求也有一定的差異。

通過(guò)對(duì)比分析國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 43255—2023《燃料電池電動(dòng)汽車(chē)低溫冷啟動(dòng)性能試驗(yàn)方法》[8]與國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO 17326：2023 《壓縮氫氣燃料電池汽車(chē)低溫冷啟動(dòng)測(cè)試評(píng)價(jià)方法》[9]中對(duì)測(cè)試方法的差異，進(jìn)一步明確在測(cè)試過(guò)程中的注意事項(xiàng)，為相關(guān)技術(shù)人員提供參考。

1 標(biāo)準(zhǔn)主要異同分析

GB/T 43255—2023《燃料電池電動(dòng)汽車(chē)低溫冷啟動(dòng)性能試驗(yàn)方法》作為我國(guó)評(píng)價(jià)燃料電池汽車(chē)低溫冷啟動(dòng)能力的重要評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，得到了行業(yè)認(rèn)可，其內(nèi)容主要包括試驗(yàn)車(chē)輛的要求、試驗(yàn)條件、試驗(yàn)方法（低溫浸車(chē)、低溫冷啟動(dòng)、低溫冷起步）、能耗數(shù)據(jù)處理、尾排氫安全的試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄等。ISO：17326在2023年進(jìn)行了該版本的修訂，對(duì)其測(cè)試方法進(jìn)行了進(jìn)一步的更新，其主要的測(cè)試項(xiàng)目基本一致，但是在詳細(xì)的操作步驟中稍有差異，詳細(xì)的差異如下：

1.1 低溫浸車(chē)

（1）主要相同部分：國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 43255和國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO：17326中都允許在溫度到達(dá)目標(biāo)溫度前進(jìn)行車(chē)輛啟動(dòng)停機(jī)的操作，方便車(chē)輛進(jìn)行外部環(huán)境的識(shí)別，從而進(jìn)行相應(yīng)的狀態(tài)調(diào)整；兩項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)都規(guī)定了至少不少于12 h的浸車(chē)，使燃料電池堆的溫度能夠充分的浸透，保證其低溫的測(cè)試環(huán)境；在浸車(chē)開(kāi)始之前，車(chē)輛的動(dòng)力電池電量不做固定的要求，可以按照制造商指定的方式進(jìn)行，記錄其調(diào)整過(guò)程即可；考慮到氫氣瓶?jī)?nèi)的含量對(duì)燃料電池的啟動(dòng)影響并不高，所以?xún)身?xiàng)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)車(chē)載儲(chǔ)氫系統(tǒng)內(nèi)的氫氣的含量并不做要求。

（2）主要不同部分：ISO：17326-2023中對(duì)于測(cè)量外部供氫的低溫氫耗時(shí)，可以關(guān)閉車(chē)輛中的水箱，進(jìn)行外部氫罐的連接。這主要考慮在全功率燃料電池汽車(chē)車(chē)型試驗(yàn)的測(cè)試需求。而國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 43255則并不考慮此測(cè)試場(chǎng)景，對(duì)全功率車(chē)型和電電混合的車(chē)型都統(tǒng)一采用車(chē)內(nèi)供氫的方式。

1.2 低溫冷啟動(dòng)

（1）主要相同部分：當(dāng)環(huán)境溫度達(dá)到測(cè)試溫度并完成浸車(chē)之后，燃料電池汽車(chē)需要按照車(chē)輛制造商規(guī)定的要求進(jìn)行車(chē)輛的啟動(dòng)，在啟動(dòng)過(guò)程中可以開(kāi)啟空調(diào)、暖風(fēng)裝置等用來(lái)快速消耗能量從而產(chǎn)生熱量滿(mǎn)足啟動(dòng)需求。兩項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)啟動(dòng)成功的標(biāo)準(zhǔn)一致，1）當(dāng)車(chē)輛儀表板上顯示“READY”或“OK”時(shí)認(rèn)為車(chē)輛的啟動(dòng)成功；2）要求當(dāng)燃料電池堆能以不低于1 kW的功率連續(xù)運(yùn)行至少10 min。

（2）主要不同部分：在測(cè)試數(shù)據(jù)的記錄過(guò)程中，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 43255—2023中要求記錄尾排的氫氣濃度，并需要滿(mǎn)足氫氣濃度在冷啟動(dòng)過(guò)程中滿(mǎn)足3 s平均不超過(guò)4%，瞬時(shí)不超過(guò)8%的要求，同時(shí)車(chē)輛不應(yīng)該出現(xiàn)故障報(bào)警等相關(guān)的問(wèn)題。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO：17326-2023則無(wú)需記錄此問(wèn)題，但是提出若進(jìn)行車(chē)外的供氫，需要記錄在此過(guò)程中的氫氣消耗量。

1.3 低溫冷起步

（1）主要相同部分：兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)測(cè)試的方式一樣，都規(guī)定車(chē)輛在進(jìn)行冷起步的操作之前需要浸車(chē)，當(dāng)車(chē)輛儀表顯示“READY”或“OK”時(shí)，將其車(chē)輛狀態(tài)調(diào)整至可行駛模式以全油門(mén)運(yùn)行。

（2）主要不同部分：國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/ T 43255—2023中要求燃料電池堆的輸出功率首次達(dá)到燃料電池系統(tǒng)額定功率的50%，認(rèn)為完成起動(dòng)操作。并需要在1 min之內(nèi)完成停車(chē)操作，然后在3 min內(nèi)開(kāi)展至少1個(gè)中國(guó)工況的駕駛循環(huán)之后進(jìn)行停機(jī)。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO ：17326-2023采用的駕駛循環(huán)不同，需要參考當(dāng)?shù)氐鸟{駛循環(huán)工況后認(rèn)為時(shí)完成了試驗(yàn)。

1.4 試驗(yàn)終止條件

在進(jìn)行冷啟動(dòng)和冷起步的操作過(guò)程中，兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的對(duì)終止試驗(yàn)的有相同的部分也有差異性，詳細(xì)如下所示：

（1）主要相同部分。終止試驗(yàn)的都有三條要求包括1）車(chē)輛的儀表盤(pán)提出停車(chē)的指示；2）車(chē)輛給出報(bào)警或者故障信號(hào)；3）車(chē)輛申報(bào)的最高車(chē)速小于工況最高車(chē)速而車(chē)輛無(wú)法達(dá)到申報(bào)的最高車(chē)速，且車(chē)輛的動(dòng)力系統(tǒng)需要滿(mǎn)足車(chē)輛的最高車(chē)速的要求。

（2）主要的不同部分：除此要求之外國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO ：17326—2023中還規(guī)定，當(dāng)車(chē)輛在零下溫度時(shí)，不符合標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定容差時(shí)也認(rèn)為是試驗(yàn)終止。

1.5 數(shù)據(jù)采集要求

（1）主要相同部分：對(duì)于兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)中都需要使用涉氫轉(zhuǎn)轂環(huán)境艙進(jìn)行試驗(yàn)以保證安全性；

（2）主要的不同部分：對(duì)于試驗(yàn)中需要測(cè)量的電流電壓參數(shù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 43255—2023中的采樣頻率要求不低于5 Hz，ISO：17326—2023中的采樣頻率不低于10 Hz；對(duì)于燃料電池系統(tǒng)集成度較高而無(wú)法直接測(cè)量燃料電池堆的電流和電壓時(shí)，國(guó)標(biāo)中可采集DC/DC變換器的輸出電壓和輸出電流作為替代，按照DC/DC變換器效率為97%折算燃料電池堆的功率。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定可以使用ECU的電壓和電流數(shù)據(jù)。這也是兩項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)典型的不同點(diǎn)之一。

2 試驗(yàn)分析

本文選取一款國(guó)際先進(jìn)的燃料電池汽車(chē)按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 43252—2023中的要求進(jìn)行-20℃的低溫冷啟動(dòng)測(cè)試，將某燃料電池汽車(chē)放置在涉氫低溫環(huán)境艙中，如圖1所示。首先完成12 h的浸車(chē)，然后按照廠(chǎng)家的要求進(jìn)行啟動(dòng)測(cè)試，當(dāng)儀表上出現(xiàn)“READY”后進(jìn)行關(guān)機(jī)，記錄在此過(guò)程中的尾排氫氣濃度、燃料電池堆的電流和電壓，完成低溫冷啟動(dòng)試驗(yàn)。

由圖2所示燃料電池汽車(chē)在啟動(dòng)過(guò)程中從按下啟動(dòng)按鈕開(kāi)始計(jì)時(shí)達(dá)到“READY”的狀態(tài)，總共用時(shí)10.03 s，由此也說(shuō)明車(chē)輛啟動(dòng)成功。同時(shí)在啟動(dòng)過(guò)程中我們記錄了燃料電池堆的電流電壓曲線(xiàn)，如圖3所示。

由圖3可知，在整個(gè)個(gè)啟動(dòng)過(guò)程分為三個(gè)階段，在3.4秒左右燃料電池電堆開(kāi)始輸出電壓，在3.4～10秒的過(guò)程中不斷地進(jìn)行暖機(jī)，暖機(jī)功率最大可到達(dá)35 kW，其功率輸出在暖機(jī)階段逐漸降低到達(dá)20kW，電壓降低，最后功率輸出平穩(wěn)，保障其良好的低溫啟動(dòng)性能。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文，重點(diǎn)解析了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 43255—2023和國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO：17326-2023對(duì)燃料電池汽車(chē)低溫冷啟動(dòng)的測(cè)試評(píng)價(jià)方法的異同點(diǎn)，同時(shí)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)中的測(cè)試方法和測(cè)試要求進(jìn)行了詳細(xì)的闡述，并以實(shí)際測(cè)試案例進(jìn)行分析，有利于引導(dǎo)企業(yè)在后續(xù)的研發(fā)測(cè)試中提升車(chē)輛的性能。

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[9]Fuel cell road vehicles Cold start performances under sub-zero temperature Vehicles fuelled with compressed hydrogen ：ISO 17326-2023[S].2023.

作者簡(jiǎn)介

吳迪，碩士，工程師，研究方向?yàn)檎?chē)測(cè)試評(píng)價(jià)技術(shù)。

韓令海，本科，正高級(jí)工程師，研究方向?yàn)樾履茉聪到y(tǒng)集成。

（責(zé)任編輯：袁文靜）

基金項(xiàng)目：本文受吉林省長(zhǎng)春市重大科技專(zhuān)項(xiàng)項(xiàng)目“耐低溫長(zhǎng)壽命燃料電池關(guān)鍵技術(shù)研究”（項(xiàng)目編號(hào)：20220301011G X）資助。