燃料電池耐久試驗循環工況對比

黃彥維，侯永平，張建文，郝 冬

( 1.同濟大學新能源汽車工程中心，上海 201804； 2.上海機動車檢測認證技術研究中心有限公司，上海 201805； 3.中國汽車技術研究中心，天津 300300 )

耐久性問題阻礙了燃料電池的商業化，急需解決[1]。近年來，許多機構進行了相關的耐久性試驗，但大多數都是在恒流條件下進行的，不能真實地反映車載條件下燃料電池堆的耐久性問題。為盡量使車用燃料電池堆耐久性臺架試驗考核情況與實際道路運行情況一致，不少學者采用在臺架上模擬實際道路工況運行的方法進行耐久性試驗研究[2-6]。在之前的耐久性臺架試驗研究中，采用的循環工況各不相同，對各類循環工況的對比也一直處于空白。在車用燃料電池堆耐久性臺架試驗中，循環工況的合理性是影響結果有效性的關鍵因素。

有鑒于此，本文作者先分別對目前常見的各循環工況進行分析，通過功率分布規律等找出它們各自特點；再對各循環工況進行綜合對比分析，以期為試驗循環工況的選取提供參考。

1 車用燃料電池堆耐久性臺架試驗循環工況

1.1 試驗循環工況評價方法

循環工況的選取是決定耐久性臺架試驗結果有效性的關鍵因素。為使臺架試驗與實車運行情況更接近，耐久性臺架試驗的循環工況應盡量與車輛實際道路運行工況一致，具有實際道路運行時的特點，包含怠速、加速(加載)、減速(卸載)和勻速行駛等過程。車用燃料電池堆耐久性臺架試驗循環工況，還應考慮車用燃料電池堆自身的衰減特點，包含以下幾個作為車用燃料電池堆衰減主要原因的典型工況。

動態循環工況：指車輛實際運行過程中，隨著路況變化，燃料電池堆輸出功率隨著載荷變化的過程[1]，該工況會引起缺氣和電壓頻繁變化，造成燃料電池堆的衰減。開路、低載和怠速工況：該工況會引起陰極高電勢，造成燃料電池堆的衰減。過載工況：會引起缺氣和水淹，造成燃料電池堆的衰減。啟停工況：該工況中，環境空氣的侵入會引起陰極高電勢，造成燃料電池堆衰減。

1.2 常見車用燃料電池堆耐久性臺架試驗循環工況

此前，歐盟、美國、中國和日本等都根據實際道路交通情況，開發了汽車行駛工況，表現為在特定行駛環境下車輛行駛的速度-時間工況。根據燃料電池車的運行特征，可將汽車行駛的車速-時間工況轉化，得到適用于耐久性臺架試驗的功率-時間或電流-時間工況。目前，很多常見車用燃料電池耐久性臺架試驗工況都是由此而來的。如國際電工委員會(IEC)標準[2]、美國能源部(DOE)[3]、法國電氣試驗室[4]、同濟大學和清華大學的車用燃料電池堆耐久性臺架試驗循環工況[5]等。

1.2.1 IEC標準車用燃料電池堆耐久性臺架試驗循環工況

IEC標準車用燃料電池堆耐久性試驗循環工況，是參考歐盟的新歐洲行駛工況(NEDC)[6]，并將車速-時間工況轉變為功率-時間工況得到的[2]。NEDC如圖1所示。

圖1 新歐洲行駛工況[6]

NEDC是針對車輛在市區和郊區行駛制定的。整個循環工況包括市區運轉循環和市郊運轉循環兩部分，其中，市區運轉循環又是由4個小的市區運轉循環單元組成，每個循環單元測試時間為195 s，包括怠速、啟動、加速、勻速行駛及減速停車等幾個階段，最高車速50 km/h，平均車速18.35 km/h，最大加速度1.042 m/s2，平均加速度0.599 m/s2；市郊運轉循環測試時間為400 s，最高車速120 km/h，平均車速62 km/h，最大加速度0.833 m/s2，平均加速度0.354 m/s2。

轉化后得到的IEC標準車用燃料電池堆耐久性臺架試驗循環工況如圖2所示。

圖2 IEC標準車用燃料電池堆耐久性臺架試驗循環工況[2]

Fig.2 International Electrotechnical Commission(IEC) durability test cycle of vehicular fuel cell stack[2]

該循環工況來源于NEDC，具有歐洲車輛日常行駛特點，一次循環耗時1 180 s。與其他工況不同的是：該工況由市區循環和市郊循環兩個部分組成。對比圖2和圖1可知，該循環工況特征與NEDC特征具有很強的一致性，不僅包含怠速、加速(加載)、減速(卸載)和勻速行駛等日常行駛中的常見工況，也包含了額定工況等特征功率點，并且每1 180 s，燃料電池堆會經歷一次啟停工況。對該循環工況進行功率分布統計可知：開路、低載和怠速工況占比41.4%，額定工況占比3.7%。該循環工況功率分布范圍廣，其中在動態循環工況部分功率跨度從5%燃料電池堆額定功率(PE)到100%PE，各功率占比時間合理，但缺少過載這一典型工況。

1.2.2 DOE車用燃料電池堆耐久性臺架試驗循環工況

DOE車用燃料電池堆耐久性臺架試驗循環工況(DCT)在DOE制定的質子交換膜燃料電池堆耐久性測試標準中提出，目前，已被DOE和美國燃料電池聯盟運用[3]。該循環工況來源于美國SC03行駛工況(見圖3)[7]。

圖3 SC03行駛工況[7]

美國SC03行駛工況代表美國主干線和高速公路行駛工況，具有高速度和高加速度的特點，最高車速為129.2 km/h，平均車速為77.9 km/h。將SC03行駛工況中車速-時間工況轉化為用于車用燃料電池堆耐久性臺架試驗的電流-時間工況，得到DOE燃料電池耐久性試驗循環工況，如圖4所示。

圖4中的工況，一次循環耗時360 s。由圖4和圖3對比發現，該循環工況和SC03相比有一定差別，但整體變化趨勢一致，具有高速度和高加速度工況特點。該循環工況包含怠速工況、加減速工況、勻速行駛工況和額定工況等日常行駛中的常見工況。對該循環工況進行功率分布統計，得到該循環工況中，開路、低載和怠速工況占比30.0%，額定工況占比9.7%，過載工況占比5.6%；可以發現：該循環工況包括了所有作為車用燃料電池堆衰減主要原因的4個典型工況，功率跨度大且各功率點時間占比合理，但常用功率點過少。

圖4 DOE車用燃料電池堆耐久性臺架試驗循環工況[3]

Fig.4 U.S.department of energy durability test cycle of vehicular fuel cell stack[3]

1.2.3 HYZEM車用燃料電池堆耐久性臺架試驗循環工況

法國國立貝爾福-蒙比利亞工程技術大學電氣工程與系統試驗室參考混合動力技術零排放(HYZEM)行駛工況，利用法國交通和安全研究院開發的VEHLIB軟件，制定了HYZEM行駛工況[4]。HYZEM行駛工況包含了市內循環、市郊循環和高速循環3個部分，每個部分都包含怠速、啟動、加速及減速停車等階段。該工況平均速度40.4 km/h、平均加速度0.71 m/s2、最大加速度1.3 m/s2[8]。

以測試額定電流為70 A的車用燃料電池堆為例，得到HYZEM車用燃料電池堆耐久性臺架試驗循環工況[6]，一次循環耗時540 s。該工況特點鮮明，由市區循環、市郊循環和高速循環3個部分組成，比標準的歐盟NEDC代表了更多的駕駛工況，且穩定速度部分要少很多。該循環工況包含了怠速、加速(加載)和減速(卸載)等日常行駛中的常見工況，但缺少勻速行駛工況。對該循環工況進行電流分布統計，得到平均電流為12.5 A，最大電流變化率為20 A/s；在動態循環工況中加載電流連續，從0到額定電流70 A，每個電流點都包含在內且分布均勻合理，但該循環工況不包含穩定電流點下運行的情況，即沒有勻速行駛工況。

1.2.4 同濟大學車用燃料電池堆耐久性臺架試驗循環工況

同濟大學根據NEDC的特點和實際車輛行駛情況，將NEDC轉化為適用于車用燃料電池堆耐久性臺架試驗的循環工況。轉化得到后的同濟大學循環工況如圖5所示。

對比圖5和圖1可知，該循環工況的特征與NEDC[2]特征具有很強的一致性，不僅包含怠速、加速(加載)、減速(卸載)和勻速行駛等日常行駛中的常見工況，也包含了額定工況等特征功率點，并且燃料電池堆每1 200 s就會經歷一次啟停工況。對該循環工況進行功率分布統計，得到該循環工況中，開路、低載和怠速工況占比37.9%，過載工況占比2.4%，額定工況占比9.2%，各工況占比時間合理。該循環工況包括了所有作為車用燃料電池堆衰減主要原因的4個典型工況，其中，在動態循環工況部分功率跨度從8%PE到120%PE。與IEC標準循環工況相比，兩者整體特征類似，但同濟大學循環工況包含了過載工況，且功率分布范圍更大。

圖5 同濟大學車用燃料電池堆耐久性臺架試驗循環工況

Fig.5 Tongji University’s durability test cycle of vehicular fuel cell stack

1.2.5 清華大學燃料電池耐久性臺架試驗循環工況

清華大學基于中國城市公交循環工況(CCBC)，通過建立仿真模型，轉化得到適用于城市公交用燃料電池堆臺架耐久性試驗的循環工況[5]。CCBC如圖6所示。

圖6 中國城市公交循環工況(CCBC)

CCBC是在北京、上海和廣州等3個城市公交運行工況數據基礎上開發的。整個循環工況由怠速、低速、勻速、中速和高速等14個工況構成，該循環一次耗時1 314 s。CCBC的最高車速60 km/h，平均車速16.1 km/h，最大加速度1.543 m/s2。清華大學車用燃料電池堆耐久性臺架試驗循環工況[5]分為階段Ⅰ和階段Ⅱ，一次循環耗時60 min。該工況具有國內公交車日常行駛的特點，包含公交車道路運行過程中的怠速、低載運行、動態循環過程、常用工況及持續大載等狀態。對工況的電流分布統計可知：開路、低載和怠速工況占比28.3%，額定工況占比51.7%，過載工況占比3.3%。該循環工況包含了導致車用燃料電池堆衰減的4個典型工況；動態循環工況中電流跨度從3.7%IE(額定功率點對應的額定電流)到120%IE，各功率點時間占比均勻，符合公交車實際運行時的功率分布，但額定功率部分時間占比較大。

2 耐久性臺架試驗循環工況對比

各循環工況(啟停工況均為1次/循環)的對比情況見表1。

表1 車用燃料電池堆耐久性臺架試驗循環工況 Table 1 Durability test cycle of vehicular fuel cell stack

從表1可知，這5種工況中，除IEC標準和HYZEM循環工況中不包含過載工況外，其余均涵蓋了造成車用燃料電池堆衰減的4個典型工況(動態循環工況，開路、低載或怠速工況，過載工況和啟停工況)。耐久性臺架試驗可根據具體要求，如試驗要求道路條件、工況類型等選取相應的工況。

3 結論

車用燃料電池堆耐久性臺架試驗循環工況應盡量與車輛實際道路運行工況特征一致，具有車輛實際道路運行工況特點，包含怠速、加速(加載)、減速(卸載)和勻速行駛等過程，并考慮車用燃料電池堆自身的衰減特點，包含動態循環，開路、低載和怠速，過載及啟停等易造成衰減的典型工況。

對常見5種耐久性臺架試驗循環工況的對比可知，IEC標準、DOE、HYZEM、同濟大學和清華大學制定的循環工況均由典型行駛工況轉化而來，具有車輛實際道路運行工況特點。這5種工況適用于不同條件下的車用燃料電池堆耐久性臺架試驗，應根據試驗具體要求并結合各自工況特點選擇合適的耐久性臺架試驗循環工況。

[1] 任麗彬，朱永生.電動車用PEM燃料電池[J].電池，2001，31(5): 251-253.

[2] IEC 62282-2-2012，fuel cell technologies -part 2: fuel cell mo-

dules [S].

[3] Joint Hydrogen Quality Task Force，“Protocol on Fuel Cell Component Testing:Suggested Dynamic Testing Protocol (DTP)，” Document USFCC 04-068 Rev A(May 1，2006) [DB/OL].http://www.fchea.org/core/import/PDFs/Technical% 20Resources/Trans-H2Quality-DynamicTestingProfile-04-068A.pdf.

[4] WAHDAME B,CANDUSSO D,FRANξOIS X，etal.Comparison between two PEM fuel cell durability tests performed at constant current and under solicitations linked to transport mission profile[J].Int J Hydrogen Energy，2007，32(17):4 523-4 536.

[5] 邵靜玥.燃料電池堆性能評價試驗方法[D].清華大學，2005.

[6] Wikipedia，New European Driving Cycle (12-April-2013)[EB/OL].http://en.wikipedia.org/wiki/New_European_Driving_Cycle.

[7] EPA，EPA SC03 Supplemental Federal Test Procedure (SFTP) with Air Conditioning[DB/OL]. https://www.epa.gov/ emission-standards-reference-guide/epa-sc03-supplemental-federal-test-procedure-sftp-air.

[8] WAHDAME B,CANDUSSO D,FRANξOIS X，etal.Comparison between two PEM fuel cell durability tests performed at constant current and under solicitations linked to transport mission profile[J].Int J Hydrogen Energy，2007，32(17):4 523-4 536.