郭 婷

(中國汽車技術(shù)研究中心有限公司，天津 300300)

與傳統(tǒng)車和純電動車相比，燃料電池汽車具有能量效率高、零排放等優(yōu)點(diǎn)，已成為未來汽車行業(yè)的發(fā)展方向。再加上燃料電池汽車能量密度高、續(xù)駛里程長等優(yōu)勢，已成為各大車企重要的技術(shù)研究熱點(diǎn)[1-3]。由于各個企業(yè)的技術(shù)發(fā)展路線不同以及各個國家針對續(xù)駛里程標(biāo)準(zhǔn)評價方法的不一致性，導(dǎo)致在進(jìn)行燃料電池汽車?yán)m(xù)駛里程的測試評價方面一直不能達(dá)成統(tǒng)一。本文針對現(xiàn)階段國內(nèi)典型的燃料電池汽車的類型以及基于“中國工況”[4-5]下的使用需求，建立準(zhǔn)確有效的燃料電池汽車?yán)m(xù)駛里程的測試評價方法。同時在燃料電池汽車?yán)m(xù)駛里程下進(jìn)行效率分析，開展能耗和控制策略研究，為企業(yè)技術(shù)提升提供一定的技術(shù)支撐。

1 燃料電池汽車的類型

目前主流燃料電池汽車的動力源主要由燃料電池系統(tǒng)和動力電池共同組成，如圖1 所示。國內(nèi)的燃料電池汽車大部分采用電-電混動模式，根據(jù)燃料電池系統(tǒng)功率的大小分為強(qiáng)混型和增程型。國際上燃料電池汽車一般稱全功率燃料電池車，燃料電池系統(tǒng)是主要的動力源，動力電池是能量緩沖器。一般燃料電池堆和動力電池經(jīng)過DC/DC 升壓后共同進(jìn)行能量驅(qū)動。基于中國的特殊國情，燃料電池一般采用大功率充電和燃料電池并行的模式，即PHEV 模式。為了支持大功率燃料電池發(fā)展以及滿足補(bǔ)貼等需求，就需要提高燃料電池的利用率。根據(jù)燃料電池汽車?yán)m(xù)駛里程中燃料電池的貢獻(xiàn)量，將燃料電池汽車的類型按照表1 進(jìn)行分類。本文重點(diǎn)介紹第一種外接充電式燃料電池汽車?yán)m(xù)駛里程的測量方法。

圖1 FCEV 能量構(gòu)型[6]

表1 燃料電池汽車的分類

2 續(xù)駛里程測試的方法及分析原理

燃料電池的續(xù)駛里程與很多因素有關(guān)，包括整車的能量控制策略、氫氣的消耗量、車速、動力電池的SOC、氫氣的有效用量等[6]。不同類型的燃料電池汽車的氫氣消耗量不同，其續(xù)駛里程有顯著的差距。目前標(biāo)準(zhǔn)中將考慮采用“中國工況”實行工況法進(jìn)行續(xù)駛里程的測量。續(xù)駛里程的計算公式如下：

式中：d為續(xù)駛里程，km；m為氫氣可用量，kg；mH2為氫氣消耗量，kg/km。

2.1 車載氫氣的有效利用量的測量方法

目前我國燃料電池汽車大部分屬于可外接充電的類型，推薦使用車載供氫的方式。國際上不可外接燃料電池汽車推薦使用外部供氫的方法。本部分重點(diǎn)介紹使用車載供氫的續(xù)駛里程的測量方法。根據(jù)不同燃料電池汽車的設(shè)置情況，氫氣的可用量由儲氫容器的能力和整車控制的截至點(diǎn)決定。車載儲氫瓶的儲氫量受到溫度和壓力的影響，且在加氫過程中短期內(nèi)會使氣瓶內(nèi)部溫度迅速上升，造成車輛在加氫過程中不會100%的加注完成，只能加注完成90%多，記錄此時加氫的質(zhì)量為m1。為了更加準(zhǔn)確地體現(xiàn)車輛的實際載氫量，在進(jìn)行試驗之前利用補(bǔ)氫的裝置進(jìn)行少量補(bǔ)氫，補(bǔ)氫裝置如圖2 所示。補(bǔ)氫裝置中會裝有流量計，記錄補(bǔ)氫加注的氫氣質(zhì)量為m2。此時總計車輛的載氫量為m1+m2。而無論是加氫質(zhì)量還是補(bǔ)氫質(zhì)量都需要根據(jù)圖2 所示的帶有溫度和壓力傳感器的補(bǔ)氫裝置進(jìn)行，根據(jù)溫度壓力法[7]計算此時容器內(nèi)氫氣的質(zhì)量。

圖2 補(bǔ)氫裝置示意圖

在進(jìn)行續(xù)駛里程測量時，氣瓶氫氣的儲存量不能夠完全被車輛利用，有兩方面原因：(1)氣瓶的壓力小于0.2 MPa 時，不足以穩(wěn)定地提供氫氣；(2)車輛會根據(jù)情況設(shè)定一定的停車指示，如車速已經(jīng)不能滿足車輛續(xù)駛里程的測量試驗時，即為車輛的測試截點(diǎn)，記錄此時車載儲氫容器的剩余氫氣量為m3。綜上，燃料電池汽車的實際氫氣使用量為：

2.2 氫氣消耗量的測量方式

關(guān)于氫氣消耗量目前GB/T 35178《燃料電池電動汽車氫氣消耗量測量方法》[8]中只進(jìn)行了三種使用壓縮氫氣的測量方法，包括壓力溫度法、質(zhì)量分析法、流量法的推薦性測量方法，可根據(jù)用戶實際情況進(jìn)行選取。壓力溫度法中主要依據(jù)測試工況前后的壓力溫度的變化進(jìn)行計算，計算公式為：

式中：M為氫氣的摩爾質(zhì)量，2.016 g/mol；V為氫氣瓶的體積，m3；R是氣體常數(shù)，數(shù)值為3.14 J/(mol·K)；P1為測試之前氣體的壓力，Pa；P2為測試之后的氣體壓力，Pa；T1為測試之前氣體溫度，K；T2為測試之后氣體溫度，K；Z1為P1T1時的修正系數(shù)；Z2為P2T2時的修正系數(shù)。

質(zhì)量法主要是測量測試前后外接氣瓶的質(zhì)量，公式如下：

式中：m4為試驗開始時氫瓶罐開始的質(zhì)量；m5為試驗結(jié)束時氫瓶罐的質(zhì)量。

流量法是在測試過程前用帶有高精度流量計的測試裝置直接進(jìn)行氫氣的供應(yīng)，直接記錄氫氣流過流量計的質(zhì)量即可，這種方法對流量計的要求較高。三種測量方法各有優(yōu)略，對比如表2。

表2 測量方法的優(yōu)劣對比

2.3 工況選取

國外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)ISO 23828 和SAE J2572 中分別對不同工況進(jìn)行了測試說明，其中ISO 23288 針對日本工況、歐洲工況和美國工況進(jìn)行詳細(xì)說明，SAE J2572 針對城市工況和高速工況進(jìn)行測試說明。在我國的標(biāo)準(zhǔn)體系中主要采用中國工況(CLTC)[7,9]進(jìn)行測試，根據(jù)車型的不同主要分為中國輕型汽車行駛工況和中國重型行駛工況。根據(jù)客戶需求，目前的主要研發(fā)試驗還包括NEDC[10]工況和WLTC 工況，如圖3。在后續(xù)的標(biāo)準(zhǔn)中會考慮CLTC 工況測試，每個工況的總時間為1 800 s，總里程為14.48 km。通過對測試數(shù)據(jù)的分析可以更清晰地展示每種車型在怠速工況、加速工況、減速工況、低速及高速工況下，整車的能量控制策略，有助于優(yōu)化其控制方法。

圖3 各循環(huán)工況速度隨時間變化曲線[7,9-10]

3 數(shù)據(jù)的處理及分析

3.1 數(shù)據(jù)處理方法

為了從能量供給的角度分析燃料電池堆和動力電池各自的貢獻(xiàn)率，采用能量流的測試方法，使用功率分析儀對各個部件的電流和電壓進(jìn)行采集，以獲取整個測試工況下能量的流動情況。電流的測量直接使用鉗式電流傳感器，電壓的測量用電壓傳感器直接接到高壓配電單元上。需要采集的數(shù)據(jù)如表3。

表3 數(shù)據(jù)采集量

其中燃料電池堆的輸出總能量Efc(kJ)：

動力電池的輸出總能量(凈能量變化量)Ebat(kJ)：

那么在整個續(xù)駛里程d(km)，包括燃料電池堆的貢獻(xiàn)量與動力電池的貢獻(xiàn)量，各自的占比為：

燃料電池堆輸出總能量占總輸出能量的百分比ηfc為：

動力蓄電池輸出總能量占總輸出能量的百分比ηbat為：

因此，燃料電池堆提供的續(xù)駛里程dfc(km)為：

動力蓄電池提供能量的行駛里程dbat(km)為：

100 公里氫氣消耗量mH2(kg/100 km)：

3.2 能量流分析

為了更好地優(yōu)化整車的能量管理策略，首先要弄清楚經(jīng)過整車的能量損失和能量來源。燃料電池堆產(chǎn)生的電量和動力電池產(chǎn)生的電量，并沒有完全地用于驅(qū)動電機(jī)，而是一部分用于自身的輔助系統(tǒng)消耗，包括高壓部件消耗和低壓部件消耗，如空壓機(jī)、冷卻系統(tǒng)等，還有一部分氫氣的泄漏路阻等方式造成的能量損失。為了更好地分析能量流，首先確定需要測試的主要部件的測試數(shù)據(jù)，如對于燃料電池系統(tǒng)重要的“一堆二路三泵四器”進(jìn)行測試和分析，見表4。

表4 能量分析數(shù)據(jù)

為了更好地分析測試過程中整車的能量變化和控制策略，選取一款燃料電池汽車進(jìn)行續(xù)駛里程(NEDC)測量，如圖4 所示。對比三個圖發(fā)現(xiàn)，燃料電池堆的功率隨著工況變化呈規(guī)律性的增加或降低，動力電池的功率變化會更頻繁和劇烈一些，基本保持與整車的車速一致。從圖4 的能量時間歷程圖也可以看出燃料電池堆的功率基本上是呈階梯狀上升，一直作為能量輸出的總動力源，而動力電池則呈規(guī)律性的變化，可以看出整車的功率調(diào)節(jié)基本上都會以動力電池的SOC為主，呈現(xiàn)一定的上下浮動。燃料電池的效率基本都處于比較舒適的區(qū)域，以保護(hù)燃料電池堆的壽命。從二者的能量變化曲線可以看出動力電池一直在進(jìn)行制動回收和能量供給過程，在經(jīng)過高速和爬坡階段會進(jìn)行充電，而燃料電池系統(tǒng)一直處于能量供給階段。為了更好地分析能量的需求，需要測量更多的如輔助系統(tǒng)的能量消耗、空壓機(jī)能耗、空調(diào)能耗、氫氣循環(huán)泵能耗等，從而更好地優(yōu)化能量。

圖4 燃料電池汽車能量流曲線

4 總結(jié)

本文重點(diǎn)介紹了燃料電池汽車?yán)m(xù)駛里程的測量方法，并基于一款燃料電池汽車的能量流進(jìn)行分析，給與了評價燃料電池汽車?yán)m(xù)駛里程的重要評價指標(biāo)，主要結(jié)論如下：

(1)燃料電池汽車有效的儲氫量需要考慮氣瓶加氫溫度過高，需要進(jìn)行補(bǔ)氫的氫氣質(zhì)量，以及在試驗結(jié)束后，需要利用溫度壓力法進(jìn)行試驗后氣瓶內(nèi)的剩余量的考量，所以需要考慮三方面的質(zhì)量，才是有效的氫氣利用量；

(2)現(xiàn)階段燃料電池汽車主要采用電-電混合系統(tǒng)，測試工況得到的續(xù)駛里程往往是動力電池和燃料電池系統(tǒng)共同作用的結(jié)果，需要計算各自的能量占比，從而計算有效的百公里氫耗。