文醉，吳迪，梁聰，王芳，韓麗瓊

燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)性能測(cè)試若干問(wèn)題探討

文醉，吳迪，梁聰，王芳，韓麗瓊

(中國(guó)汽車技術(shù)研究中心,天津300300）

針對(duì)目前開展的燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)性能測(cè)試，對(duì)怠速工況、冷起動(dòng)的定義、燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)效率計(jì)算方式、絕緣電阻、測(cè)試工況等所存在的問(wèn)題進(jìn)行探討,并提出相關(guān)建議。

燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)；性能測(cè)試；若干問(wèn)題

在國(guó)家十三五規(guī)劃中，電動(dòng)汽車科技特別部署發(fā)展燃料電池汽車，計(jì)劃在關(guān)鍵基礎(chǔ)器件、燃料電池系統(tǒng)、基礎(chǔ)設(shè)施與示范三個(gè)方面加大研發(fā)和投入力度，燃料電池汽車迎來(lái)了示范運(yùn)行和商業(yè)化的發(fā)展契機(jī)[1]。燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)是燃料電池汽車的核心部件，如何準(zhǔn)確而有效地對(duì)其進(jìn)行測(cè)試評(píng)價(jià)將會(huì)對(duì)燃料電池汽車商業(yè)化的發(fā)展起到極為重要的作用。

目前，有關(guān)燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)測(cè)試評(píng)價(jià)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)有GB/T24554-2009[2]，GB/T25319-2010[3]和GB/T 23645-2009[4]等。這幾項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)的制定時(shí)間較早，很多測(cè)試項(xiàng)目和術(shù)語(yǔ)的定義都借鑒了傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)的相關(guān)內(nèi)容，在某些方面對(duì)于燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)而言并不適用，在實(shí)際測(cè)試的過(guò)程中將會(huì)遇到一些問(wèn)題，值得進(jìn)一步探討。

1 對(duì)怠速工況、冷起動(dòng)定義的探討

1.1 怠速工況的定義所存在的問(wèn)題

在國(guó)標(biāo)GB/T25319-2010中，燃料電池汽車的怠速工況的定義為發(fā)電系統(tǒng)處于工作狀態(tài)，能維持自身工作，但不對(duì)外輸出功率[3]。這一定義實(shí)際是從對(duì)內(nèi)燃機(jī)的怠速工況的定義中借鑒而來(lái)的。內(nèi)燃機(jī)的怠速是指內(nèi)燃機(jī)在無(wú)負(fù)荷的情況下運(yùn)轉(zhuǎn)，只需要克服自身內(nèi)部機(jī)械的摩擦阻力，不對(duì)外輸出功率。對(duì)于燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)而言，并沒有克服自身內(nèi)部機(jī)械摩擦阻力的情況，只有滿足輔助器件最基本電力的狀態(tài)（如空壓機(jī)、散熱系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)等）。而燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的輔助器件并不都是由系統(tǒng)直接供電的，在某些情況下，整車上燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的輔助器件，如散熱系統(tǒng)會(huì)由動(dòng)力電池來(lái)提供電力，而在臺(tái)架測(cè)試的時(shí)候亦是如此。且燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)在起動(dòng)成功后，由于燃料電池電堆的特性，若長(zhǎng)時(shí)間處于不對(duì)外輸出功率的狀態(tài)，即長(zhǎng)時(shí)間不對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行加載時(shí)，可能會(huì)對(duì)燃料電池電堆造成損壞。因此，對(duì)于許多燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)而言，都沒有“怠速工況”。這說(shuō)明了燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的怠速狀態(tài)與內(nèi)燃機(jī)的怠速狀態(tài)有很大的不同。

為了明確怠速工況的實(shí)際狀態(tài)，在實(shí)際測(cè)試過(guò)程中，應(yīng)根據(jù)具體情況來(lái)明確測(cè)試條件。首先與制造商確定燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的輔助器件在整車上的供電方式，是由燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)自身供電，還是由整車上的動(dòng)力電池供電。若是由動(dòng)力電池供電，在進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)時(shí)，需要準(zhǔn)備額外的電源，與制造商確定是否可以不加載，如果需要加載一定功率，則可視該工況為在整車上工作時(shí)的怠速工況。國(guó)內(nèi)一些燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的輔助部件是需要額外提供電源供電的；加拿大Ballard公司研制的燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)，其氫氣循環(huán)泵及空壓機(jī)也是由外部電源單獨(dú)供電的。若是由燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)自身供電的，應(yīng)認(rèn)定為可以不加載，即認(rèn)定只滿足輔助器件最基本的電力供應(yīng)而不對(duì)外輸出功率時(shí)的狀態(tài)作為怠速工況。怠速工況是其它性能測(cè)試如動(dòng)態(tài)加載響應(yīng)、額定功率、峰值功率等測(cè)試的起點(diǎn)，需要頻繁地將燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)置于這一狀態(tài)，這就要求怠速工況對(duì)于燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)而言，應(yīng)該是正?？山邮芮夷艹掷m(xù)的狀態(tài)。

1.2 冷起動(dòng)定義所存在的問(wèn)題

在國(guó)標(biāo)[2]中冷起動(dòng)定義為燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)從冷機(jī)狀態(tài)（發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部溫度與環(huán)境溫度相同）開始，按照制造商規(guī)定的起動(dòng)操作步驟起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)。冷起動(dòng)時(shí)間通常定義為燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)由待機(jī)狀態(tài)起動(dòng)至怠速工況所經(jīng)歷的時(shí)間，但這里并沒有確定環(huán)境溫度的范圍。為了評(píng)價(jià)燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)低溫冷起動(dòng)的性能，試驗(yàn)廠家可能需要測(cè)試其產(chǎn)品在低溫環(huán)境下起動(dòng)的特性，如在-10℃、-20℃甚至更低的溫度下嘗試起動(dòng)燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的情況。通過(guò)試驗(yàn)研究表明，燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)在10℃以下的環(huán)境時(shí)，隨著溫度的降低，其起動(dòng)時(shí)間將會(huì)明顯增加。

與汽油發(fā)動(dòng)機(jī)不同的是，燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的起動(dòng)受低溫的影響比柴油機(jī)更為明顯，有些系統(tǒng)在低溫下（0℃以下）會(huì)出現(xiàn)起動(dòng)困難的情況，甚至無(wú)法起動(dòng)，而低溫冷起動(dòng)技術(shù)也是燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)之一。這是由于PEMFC廣泛應(yīng)用的質(zhì)子交換膜的特殊的化學(xué)結(jié)構(gòu)，必須保證膜中含有一定的水分，否則會(huì)影響電化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行。膜中的含水量或者燃料電池中的含水量不能過(guò)多，否則在低溫條件下冷起動(dòng)之前多余的水就會(huì)發(fā)生凍結(jié)，影響電池性能，從而導(dǎo)致冷起動(dòng)問(wèn)題。

為了解決這一問(wèn)題，現(xiàn)有PEMFC低溫冷起動(dòng)策略分為不借助任何外加能量實(shí)現(xiàn)電池冷起動(dòng)成功的自起動(dòng)策略，和借助某種或某幾種外加輔助手段幫助電池冷起動(dòng)成功的輔助起動(dòng)策略[5]。自起動(dòng)策略能夠很好地控制整個(gè)燃料電池系統(tǒng)的成本和復(fù)雜程度，但電池冷起動(dòng)性能目前還不夠好，可用溫度范圍也較窄。而輔助起動(dòng)策略雖然增加了系統(tǒng)的成本和復(fù)雜程度，但能夠保證電池更高的冷起動(dòng)可靠性。輔助起動(dòng)策略通常是進(jìn)行內(nèi)部加熱（流道中燒氫、催化反應(yīng)加熱、MEA電阻加熱），外部加熱（冷卻液加熱、熱空氣吹掃），加濕（控制反應(yīng)加濕排水、吹掃等）。首先將內(nèi)部溫度加熱到一定溫度后，再進(jìn)行自起動(dòng)。此外，燃料電池系統(tǒng)的輔助部件如控制器、氫氣循環(huán)泵、空壓機(jī)等都可能受低溫的影響而無(wú)法正常工作。

判定低溫冷起動(dòng)成功，就是在系統(tǒng)能順利進(jìn)入可加載模式即待機(jī)狀態(tài)后，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行加載，在怠速或低載荷下運(yùn)行10 min，即證明其低溫冷起動(dòng)成功了。因此，在實(shí)際測(cè)試的過(guò)程中，對(duì)于有些燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)，其冷起動(dòng)過(guò)程可能分為輔助起動(dòng)和自起動(dòng)兩個(gè)過(guò)程，需要分別記錄這兩個(gè)過(guò)程的冷起動(dòng)時(shí)間。

美國(guó)能源部（DOE）對(duì)于燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)低溫冷起動(dòng)的要求是，在2015年要在-20℃時(shí)30 s內(nèi)實(shí)現(xiàn)起動(dòng)，該目標(biāo)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了，而在國(guó)內(nèi)，上汽稱其燃料電池汽車也能達(dá)到這一要求。十三五期間，我國(guó)新能源汽車專項(xiàng)項(xiàng)目中，關(guān)于燃料電池低溫冷起動(dòng)的要求是乘用車要實(shí)現(xiàn)-30℃下起動(dòng)，商用車要實(shí)現(xiàn)-25℃下起動(dòng)。

2 燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)效率測(cè)試中的計(jì)算方式

在GB/T24554-2009[2]中，穩(wěn)態(tài)特性試驗(yàn)要計(jì)算燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的效率。相較于傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)，燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)除具有環(huán)保的優(yōu)勢(shì)以外，其效率也明顯較高。通常，內(nèi)燃機(jī)的效率是用燃料的低熱值來(lái)表示的，而燃料電池的效率也可以用氫的低熱值來(lái)表示。理論上，燃料電池效率最大值為[6]：η=△G/△HLHV=228.74/241.98=94.5%。

在GB/T24554-2009中，燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際效率的定義為單位時(shí)間內(nèi)所消耗的能量轉(zhuǎn)化為有效功率的份額，如下所示：

式中：ηF為燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)效率；mH2為氫氣流量，g/s；LHVH2

為氫氣低熱值，1.2×106kJ/kg。

而燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)功率PF=UFIF/1 000，其中：UF為燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的電壓，V；IF為燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的電流，A。

此公式參照了內(nèi)燃機(jī)效率的計(jì)算方法，以氫的低熱值來(lái)表示燃料電池的效率，但是，內(nèi)燃機(jī)凈功率即為其克服內(nèi)部阻力后可以對(duì)外做功的功率。而要維持燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的正常工作，其輔助系統(tǒng)也需要消耗功率，而當(dāng)燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)安裝到整車上時(shí)，其輔助系統(tǒng)所消耗的功率往往有一部分不是由燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)自身所提供的，而是由外部電源來(lái)提供的，如1.1中所述。因此，在計(jì)算效率時(shí)應(yīng)去除外部提供給輔助系統(tǒng)的功率PA，作為燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的凈功率輸出。因此，應(yīng)將式（1）修改

3 燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)絕緣電阻的測(cè)量

為了確保駕駛員、乘客和車輛周圍環(huán)境的安全，電動(dòng)汽車的帶電部件應(yīng)進(jìn)行觸電防護(hù)，電路和電平臺(tái)之間應(yīng)測(cè)量其絕緣電阻。燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的電源電壓一般為直流100～600 V，電氣安全問(wèn)題不容忽視，有必要對(duì)其進(jìn)行絕緣電阻的測(cè)量。在國(guó)標(biāo)GB/T18384.3-2001《電動(dòng)汽車安全要求第3部分：人員觸電防護(hù)》中，絕緣電阻的測(cè)量方法是用類似于兆歐表的儀器測(cè)量正負(fù)極端子對(duì)電平臺(tái)或?qū)Φ鼗蛳到y(tǒng)外殼的電阻。兆歐表是通過(guò)用一個(gè)電壓激勵(lì)被測(cè)裝置，然后測(cè)量激勵(lì)所產(chǎn)生的電流，再利用歐姆定律測(cè)量出電阻的，其激勵(lì)電壓往往不小于被測(cè)裝置的最大工作電壓。GB/T 18384.3-2001中對(duì)絕緣電阻的要求最小值是100 Ω/V，當(dāng)包括交流電路且沒有附加防護(hù)時(shí)，最小值應(yīng)不小于500 Ω/V。當(dāng)燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)在不連接負(fù)載，已加冷卻液和加濕用水、水泵運(yùn)轉(zhuǎn)的條件下時(shí)，可以采用上述方式進(jìn)行絕緣電壓的測(cè)試；當(dāng)燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)處于有源狀態(tài)，即處于工作狀態(tài)時(shí)，如果以兆歐表來(lái)測(cè)量絕緣電阻，燃料電池電堆在工作時(shí)會(huì)承受一個(gè)瞬時(shí)的激勵(lì)電壓，這可能對(duì)燃料電池電堆產(chǎn)生不可預(yù)知的損傷。為了避免安全事故及對(duì)被測(cè)試件造成不可預(yù)知的損傷，當(dāng)燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)處于熱機(jī)狀態(tài)，要對(duì)其進(jìn)行絕緣電阻測(cè)量時(shí)，可以參照GB/T 18384.1《電動(dòng)汽車安全要求第1部分：車載可充電儲(chǔ)能系統(tǒng)》中的測(cè)量方法，通過(guò)燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)與電平臺(tái)之間中添加一個(gè)已知的測(cè)量電阻R0的方式來(lái)測(cè)量絕緣電阻Ri，其計(jì)算公式為[7]：Ri=R0（U1-U2）/U2（1+U'1/U1）。其中：U1、U'1為添加于R0之前、系統(tǒng)兩個(gè)端子和車輛電平臺(tái)之間的電壓，較高者定義為U1，較低者定義為U1'；U2、U2'為添加于R0之后，系統(tǒng)兩個(gè)端子和車輛電平臺(tái)之間的電壓，較高者定義為U2，較低者定義為U'2。

采用GB/T18384.1進(jìn)行絕緣電阻測(cè)量，實(shí)際上是一種間接測(cè)量方式，通過(guò)計(jì)算得到絕緣電阻值，測(cè)試步驟和原理過(guò)程清晰，并沒有施加激勵(lì)電壓，對(duì)人員及測(cè)試樣品而言，安全性更高；GB/T 18384.3-2001中用兆歐表直接測(cè)量絕緣的方法，操作更為簡(jiǎn)單，耗時(shí)更短。表1為分別采用兩種方法進(jìn)行絕緣電阻測(cè)量選取的典型值[8]。

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著燃料電池技術(shù)的發(fā)展和產(chǎn)業(yè)的擴(kuò)大，目前國(guó)內(nèi)與燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展的滯后已逐漸顯現(xiàn)。這需要在行業(yè)內(nèi)加快標(biāo)準(zhǔn)制修訂進(jìn)程，同時(shí)加強(qiáng)對(duì)燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試方法及評(píng)價(jià)的研究。本文在結(jié)合相關(guān)的測(cè)試?yán)碚摰幕A(chǔ)上，對(duì)燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)中遇到的一些問(wèn)題進(jìn)行了分析，并提出了一些建議，為標(biāo)準(zhǔn)制修訂和完善測(cè)試評(píng)價(jià)方法提供參考。

[1]孫宇軒.關(guān)于新能源汽車發(fā)展的現(xiàn)狀及趨勢(shì)[J].中外企業(yè)家，2015（9x）：21.

[2]全國(guó)汽車標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)性能試驗(yàn)方法：GB/T24554-2009[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2009：10.

[3]全國(guó)燃料電池標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).汽車用燃料電池發(fā)電系統(tǒng)技術(shù)條件：GB/T 25319-2010[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2010：11.

[4]全國(guó)燃料電池標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).乘用車用燃料電池發(fā)電系統(tǒng)測(cè)試方法：GB/T23645-2009[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2009：4.

[5]馬建新，高鑫，張存滿.質(zhì)子交換膜燃料電池冷起動(dòng)機(jī)理及冷起動(dòng)策略[J].電源技術(shù).2009（07）.

[6]弗朗諾·巴爾伯.PEM燃料電池：理論與實(shí)踐[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2016.

[7]全國(guó)汽車標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).電動(dòng)汽車安全要求第1部分：車載可充電儲(chǔ)能系統(tǒng)：GB/T 18384.1-2015[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2015：5.

[8]劉廣敏，喬昕，張曉鵬.電動(dòng)汽車動(dòng)力鋰電池在線絕緣電阻檢測(cè)方法研究[J].汽車技術(shù).2013（11）：51-54.

修改稿日期：2017-02-13

Discussion of Some Problems of Performance Test for Fuel Cell Engine

Wen Zui,Wu Di,LiangCong,WangFang,Han Liqiong
(China Automotive Technologyand Research Center,Tianjing300300,China)

Aiming at the present performance test for fuel cell engine system,the authors discuss the existing problems,such as the definitions of the idle condition and cold start,the calculation way of fuel cell engine system efficiency,the electric insulation resistance and the test conditions,and put forward some suggestions.

fuel cell engine;performance test;some problems

U464

B

1006-3331（2017）02-0053-03

國(guó)家863項(xiàng)目，鋰離子儲(chǔ)能電池和燃料電池備用電源安全性設(shè)計(jì)及性能評(píng)價(jià)研究（2014AA052201）

文醉（1985-），男，碩士；工程師；主要從事車輛燃料電池和動(dòng)力電池的測(cè)試研究工作。