本文首發(fā)《汽車(chē)測(cè)試報(bào)告》，由作者授權(quán)發(fā)布
 

作者：洪晏忠  崔垚鵬（中國(guó)汽車(chē)工程研究院股份有限公司）

摘要：燃料電池汽車(chē)憑借其高效率、零排放、加氫快等優(yōu)勢(shì)，成為實(shí)現(xiàn)我國(guó)能源結(jié)構(gòu)變革、節(jié)能減排以及汽車(chē)產(chǎn)業(yè)升級(jí)的重要工具。但燃料電池汽車(chē)較高的購(gòu)置成本和使用成本是制約我國(guó)燃料電池汽車(chē)產(chǎn)業(yè)發(fā)展和推廣應(yīng)用的重要因素之一。該文以滿(mǎn)載的49 t燃料電池重卡為研究對(duì)象，通過(guò)研究燃料電池系統(tǒng)功率不同的兩款車(chē)的續(xù)駛里程、百公里能耗、氫氣消耗量的變化情況，分析燃料電池系統(tǒng)功率對(duì)整車(chē)能耗的影響，并依據(jù)分析的結(jié)果提出整車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)的能量?jī)?yōu)化策略。

關(guān)鍵詞：氫燃料電池汽車(chē)；燃料電池系統(tǒng)功率；整車(chē)能耗
注：本文系國(guó)家重點(diǎn)專(zhuān)項(xiàng)“新能源汽車(chē)”專(zhuān)項(xiàng)(2018YFB1502705)研究成果。

當(dāng)前，全球能源、環(huán)境問(wèn)題日益嚴(yán)重，世界各國(guó)都在積極尋求應(yīng)對(duì)方案，在汽車(chē)領(lǐng)域大力推進(jìn)新能源汽車(chē)的目的也正是如此。新能源汽車(chē)有不同的類(lèi)型，其中，燃料電池汽車(chē)不僅能夠在燃料上實(shí)現(xiàn)對(duì)燃油的完全替代，而且具有零排放、能量轉(zhuǎn)換效率高、燃料來(lái)源多樣并可靈活取自于可再生能源等優(yōu)勢(shì)，因而被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)未來(lái)汽車(chē)工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要方向之一，也是解決全球能源和環(huán)境問(wèn)題的理想方案之一 [1]。

我國(guó)早在2001年就開(kāi)始?xì)淙剂想姵仄?chē)的研發(fā)工作，并制定了相關(guān)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)來(lái)保障氫燃料電池汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展。尤其2016年以來(lái)，國(guó)家和地方政府密集出臺(tái)了一系列政策大力支持氫燃料電池汽車(chē)的發(fā)展，國(guó)內(nèi)各大主流車(chē)廠也在加速氫燃料電池汽車(chē)的戰(zhàn)略布局[2]。目前，雖然多地已經(jīng)出臺(tái)了利好政策，但是氫燃料電池汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展仍處于較為初期的階段，一些核心零部件仍然依賴(lài)進(jìn)口，諸多技術(shù)瓶頸未能突破，這使氫燃料電池汽車(chē)產(chǎn)業(yè)商業(yè)化的進(jìn)程難以提速。其中，氫燃料電池系統(tǒng)作為整車(chē)的動(dòng)力源和核心系統(tǒng)，產(chǎn)品質(zhì)量和安全性能仍有待改善，產(chǎn)品的成本居高不下，是限制商業(yè)化應(yīng)用的諸多挑戰(zhàn)之一[3-7]。

我國(guó)氫燃料電池汽車(chē)發(fā)展的重點(diǎn)是商用車(chē)，商用車(chē)對(duì)電機(jī)功率的需求通常都在200 kW及以上，為了滿(mǎn)足氫燃料電池汽車(chē)正常運(yùn)行，對(duì)氫燃料電池系統(tǒng)的功率提出了更高的要求。然而氫燃料電池系統(tǒng)的功率并不一定越大越好，功率過(guò)大會(huì)增加整車(chē)成本，且在工況下的使用功率偏低，導(dǎo)致系統(tǒng)處在低效率區(qū)，進(jìn)而增加整車(chē)的使用成本。為了進(jìn)一步明確氫燃料電池系統(tǒng)功率的選擇，以49 t氫燃料電池重卡為研究對(duì)象，研究不同氫燃料電池系統(tǒng)功率對(duì)整車(chē)能耗的影響，進(jìn)而支持企業(yè)進(jìn)行氫燃料電池系統(tǒng)的合理配置。

1 測(cè)試方法

車(chē)輛測(cè)試方法依據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 35178-2017《燃料電池電動(dòng)汽車(chē) 氫氣消耗量 測(cè)量方法》、GB/T 38146.2-2019《中國(guó)汽車(chē)行駛工況 第2部分：重型商用車(chē)輛》等制定，具體項(xiàng)目及試驗(yàn)方法如表1所示，所使用的設(shè)備如表2所示。

2測(cè)試過(guò)程

2.1 樣車(chē)信息
選取兩款某在售的49 t重卡車(chē)型為樣車(chē)來(lái)進(jìn)行試驗(yàn)，樣車(chē)具體參數(shù)如表3所示。

表3 樣車(chē)參數(shù)

2.2 測(cè)試試驗(yàn)
百公里氫氣消耗量試驗(yàn)過(guò)程如下：將車(chē)輛驅(qū)動(dòng)輪置于底盤(pán)測(cè)功機(jī)的轉(zhuǎn)鼓上，非驅(qū)動(dòng)輪固定在地板上；底盤(pán)測(cè)功機(jī)根據(jù)車(chē)輛整備質(zhì)量設(shè)定阻力；將功率分析儀的電壓和電流采集通道分別與燃料電池系統(tǒng)輸出電流和電壓線、動(dòng)力電池的輸出電流電壓線進(jìn)行連接，采集電流電壓數(shù)據(jù)；將外置供氫的氫氣利用率測(cè)試儀上的加氫槍插入整車(chē)的加氫口進(jìn)行供氫，并記錄供氣量；待氫氣利用率測(cè)試儀和功率分析儀開(kāi)啟后，駕駛員按照提示駕駛車(chē)輛，使用C-WTVC工況運(yùn)轉(zhuǎn)一定的里程；分別按照GB∕T 38146.2-2019工況中的規(guī)定記錄續(xù)駛里程。

3 測(cè)試結(jié)果及分析

按照表1的測(cè)試方法，分別對(duì)樣車(chē)1和樣車(chē)2進(jìn)行C-WTVC工況下的行駛里程、氫氣消耗量、燃料電池發(fā)電量、動(dòng)力電池電量變化等測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表4所示。

表4 測(cè)試結(jié)果統(tǒng)計(jì)

根據(jù)表4的測(cè)試數(shù)據(jù)，對(duì)兩款樣車(chē)分別進(jìn)行了C-WTVC工況下百公里氫耗和百公里電耗的計(jì)算，在扣除了燃料電池系統(tǒng)對(duì)動(dòng)力電池充的電量后，計(jì)算得到了不同樣車(chē)在C-WTVC工況下的百公里氫耗、百公里電耗和燃料電池系統(tǒng)平均效率，計(jì)算結(jié)果如表5所示。

表5 百公里能耗和燃料電池平均效率計(jì)算結(jié)果

通過(guò)表5的結(jié)果分析可知，同樣使用C-WTVC工況，在相同的行駛里程且樣車(chē)1和樣車(chē)2都滿(mǎn)載的條件下，將行駛過(guò)程中的能量供應(yīng)按照氫氣發(fā)電量進(jìn)行換算，然后依據(jù)換算的結(jié)果進(jìn)一步計(jì)算得到百公里氫耗。樣車(chē)1和樣車(chē)2的百公里氫耗高達(dá)18.54 kg和16.87 kg。通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，樣車(chē)1的百公里氫耗比樣車(chē)2高9.9%。同時(shí)，對(duì)比了一下兩個(gè)車(chē)型的百公里電耗，樣車(chē)1的百公里電耗為252.61 kW·h，樣車(chē)2的百公里電耗為249.26 kW·h。樣車(chē)1的百公里電耗僅比樣車(chē)2高了1.3%。同時(shí)還對(duì)比了樣車(chē)1和樣車(chē)2的燃料電池系統(tǒng)平均效率。從表5可以看出，樣車(chē)1的燃料電池系統(tǒng)平均效率為41.29%，樣車(chē)2的燃料電池系統(tǒng)平均效率為44.76%，樣車(chē)2的燃料電池系統(tǒng)平均效率比樣車(chē)1高8.4%。

從以上數(shù)據(jù)對(duì)比可以看出，同樣的載重量和車(chē)型，同樣行駛工況下的電能消耗基本相近，燃料電池系統(tǒng)功率越大，對(duì)氫氣的消耗量就越大。通過(guò)對(duì)燃料電池系統(tǒng)的效率分析和動(dòng)力電池發(fā)電量來(lái)看，有兩個(gè)原因。第一個(gè)原因是燃料電池系統(tǒng)效率過(guò)低，導(dǎo)致氫氣發(fā)電量降低，從而使氫氣消耗量增加；第二個(gè)原因是在整車(chē)行駛過(guò)程中，燃料電池系統(tǒng)對(duì)動(dòng)力電池有充電的過(guò)程，燃料電池系統(tǒng)充給動(dòng)力電池，再供給驅(qū)動(dòng)電機(jī)，導(dǎo)致整車(chē)的動(dòng)力系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換效率進(jìn)一步降低，從而導(dǎo)致氫氣消耗量的提升。

4 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)上述測(cè)試結(jié)果和相應(yīng)的數(shù)據(jù)分析，得到相同工況下，氫燃料電池系統(tǒng)功率對(duì)整車(chē)能耗影響規(guī)律：燃料電池系統(tǒng)功率越大，整車(chē)的百公里氫耗和百公里電耗都將降低；燃料電池系統(tǒng)功率越大，整車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)總成的能量轉(zhuǎn)化效率將進(jìn)一步降低；燃料電池系統(tǒng)功率越大，在整個(gè)工況行駛過(guò)程中，燃料電池給動(dòng)力電池的充電量就越多。

針對(duì)當(dāng)前測(cè)試結(jié)果，氫燃料電池汽車(chē)應(yīng)該盡可能讓燃料電池系統(tǒng)直接給電機(jī)系統(tǒng)供電，降低整車(chē)能耗。燃料電池系統(tǒng)的功率并不是越大越好，需保持在合理范圍內(nèi)。

參考文獻(xiàn)：
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作者簡(jiǎn)介：洪晏忠，博士，中國(guó)汽車(chē)工程研究院股份有限公司工程師，研究方向?yàn)榧冸妱?dòng)汽車(chē)、燃料電池汽車(chē)、燃料電池系統(tǒng)等測(cè)評(píng)；崔垚鵬，中國(guó)汽車(chē)工程研究院股份有限公司助理工程師，研究方向?yàn)檐?chē)輛工程。

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