乘車用燃料電池系統驗證體系研究＊

彭祖雄 王曼莉 李劍錚 謝斌權

（廣州汽車集團股份有限公司 汽車工程研究院，廣州511434）

主題詞：燃料電池系統 驗證體系 乘用車 新能源汽車

1 前言

燃料電池汽車作為一種零污染的新能源汽車，被視為未來汽車的終極目標。自從豐田發布第1款氫燃料電池汽車Mirai以來，本田研發了Clarity和現代研發了NEXO 燃料電池車型。我國近幾年也加速了氫燃料電池汽車產業鏈的布局，但主要應用于商用車領域，截止2020年8月，中國進入新能源汽車推廣目錄的氫燃料電池汽車車企總共43家[1]。目前已知氫燃料電池汽車在乘用車領域的車企主要有上汽和廣汽，上汽在2010年世博會推出榮威950燃料電池乘用車，廣汽也于2020年推出了廣汽埃安Aion LX Fuel Cell氫燃料車型。

隨著氫燃料電池汽車得到越來越多的國家和企業的重視，燃料電池汽車行業的相關標準體系建設也必須得到加強。因此，開發1款高質量的燃料電池車以及燃料電池系統，需要有嚴格的驗證體系對燃料電池系統進行驗證，需要各車企以及相關燃料電池系統設計廠家構建嚴格全面可靠，且符合自身產品要求的燃料電池系統驗證體系。

2 燃料電池系統驗證體系的現狀

目前，世界各國紛紛制定相關政策和法規鼓勵燃料電池汽車的發展，且現已形成了比較完備的標準體系來規范和指引行業的發展。中汽研王芳等[2]對燃料電池整車，燃料電池系統相關國內外標準進行了對比分析，分析結果見表1。由表1可知，我國國內標準逐步完善，但是整車標準相對欠缺，同時國內外都需要加強對燃料電池系統標準體系的梳理建立。表2主要是燃料電池整車相關標準，一個完整的燃料電池整車測評體系應該包括動力性測試、經濟性測試、安全性測試、環境適應性測試和行駛特性測試6個維度的測試內容。而目前的標準僅僅涉及了安全要求和最高車速試驗的動力性測試。因此，燃料電池整車測試標準需要進一步完善。表3主要是車用燃料電池系統相關標準，目前車用燃料電池系統的標準也僅涉及燃料電池性能與氫氣排放相關的標準，缺少完整全面的車用燃料電池系統開發標準指引體系。

表1 國內外標準對比分析[2]

表2 燃料電池整車標準

表3 車用燃料電池系統標準

3 建立燃料電池系統驗證體系的目的

燃料電池系統作為燃料電池車的核心系統之一，在燃料電池系統研發過程中，構建全面完整的燃料電池系統驗證體系，可以更好的規范和指導燃料電池系統的驗證工作，在系統級產品研發階段驗證、及發現燃料電池系統的設計、工藝、安全以及法規等風險。因此，各車企在燃料電池系統進行研發的過程中，不但要借鑒國內外的標準體系，而且要構建符合企業要求的燃料電池系統驗證體系，用來指導各自燃料電池系統的研發。

4 燃料電池系統驗證體系建立的原則

首先，必須基于整車設計目標角度分析，并結合實際可行性來構建燃料電池系統驗證項目。因此，從匹配性、功能性、經濟性、安全性、環境可靠性測試和耐久性6 個維度構建燃料電池系統驗證體系（圖1）；其次，必須結合燃料電池整車驗證體系和零部件驗證體系來構建燃料電池系統的驗證體系，比如有些執行性差的項目可以考慮用零部件或者整車驗證項目替代；最后，燃料電池系統的驗證體系同其他體系一樣，必須具備相應的全面性、合理性和可行性，才能在燃料電池系統開發環節中有效地開展相關驗證工作。

圖1 燃料電池系統驗證體系

5 燃料電池系統驗證體系

5.1 匹配性驗證

每輛車都有其整車整備質量管理目標，并會分解到各子系統。燃料電池系統為滿足整車整備質量要求，開發時都會設置各子系統質量設計目標。同時，質量也是燃料電池系統功率密度計算的重要參數，高水平的整車輕量化是高功率密度的基礎。燃料電池系統的匹配性驗證必須包括質量測量。另外，為了滿足整車布置空間，對于集成度高的燃料電池系統應該測量其整體尺寸是否滿足要求。對于集成度不高的燃料電池系統可以考慮零部件角度測量驗證。

5.2 功能性驗證

根據燃料電池車的整車動力性要求，燃料電池系統的功率、起動特性功能必須滿足整車動力性要求。從整車動力性角度分解，燃料電池系統的功率特性、起動特性、穩態特性以及動態響應特性應納入關鍵功能性指標。目前國標GB/T 24554 燃料電池發動機性能試驗方法[3]規范了燃料電池系統的額定功率、峰值功率、起動特性、穩態特性、動態響應特性的試驗方法，各企業可在此標準的基礎上并結合企業開發的燃料電池整車使用工況，構建并完善燃料電池系統的功能性驗證項目。

5.3 經濟性驗證

一般燃料電池整車要求使用越少的氫氣可以擁有更長的行駛里程，且整車都有能量消耗量與續駛里程的試驗要求，目前中汽中心也立項并在研究《燃料電池電動汽車能量消耗量及續駛里程測試方法》，因此，基于整車驗證體系到系統驗證體系的分解原則，氫氣消耗量和氫氣排放量應列為燃料電池系統的關鍵經濟性指標，并在系統研發階段就應關注并考察其經濟性，參照國標GB/T 34593燃料電池發動機氫氣排放測試方法[4]測試燃料電池系統在穩態工況和循環工況下的氫氣消耗量和氫氣排放量。

5.4 安全性驗證

燃料電池汽車以氫氣為動力源，擁有其他新能源汽車沒有的特有系統，有著嚴格的安全要求。國標GB/T 24549燃料電池汽車安全要求[5]中規定了燃料電池電動汽車特有的燃料系統、燃料電池系統、動力電池系統、功能、故障防護和碰撞方面的安全要求，其中4.3 節是燃料電池系統特有的安全要求。因此，燃料電池系統驗證體系中必須構建完善的安全性驗證，包括燃料電池系統的氣密性、絕緣性、觸電防護以及IP防護測試。

5.5 環境可靠性驗證

燃料電池系統作為安裝在乘用車發動機艙的1個動力系統，其環境可靠性必須符合其使用環境以及相關試驗條件的要求。國標GB/T 28046等[6-10]描述了安裝在車輛上特定位置的系統及組件環境條件與相關試驗方法。因此，依據GB/T 28046并結合燃料電池乘用車的實際使用環境構建乘用車用燃料電池系統環境可靠性驗證體系時，必須考慮機械負荷、氣候負荷、電氣負荷以及化學負荷對燃料電池系統的影響。

乘用車用燃料電池系統安裝在發動機艙內，路面載荷以及電機等載荷均會對其結構強度產生一定的影響。因此，同動力電池系統一樣，從機械振動、機械沖擊和碰撞3 個角度來考核燃料電池系統的機械負荷能力。目前國家標準以及國際標準均沒有針對燃料電池系統的振動功率譜以及沖擊量級的定義，可以用實車采集的振動譜作為振動沖擊試驗條件來開展試驗。

氣候負荷主要考慮溫濕度以及海拔這類環境條件對燃料電池系統的影響。因此，用高溫存儲和低溫存儲試驗來模擬燃料電池車在高溫和低溫環境下停車靜止后的性能情況；低溫冷起動特性是燃料電池系統設計研發中的關鍵特性，也是設計難點，因此，必須設計低溫冷起動試驗來模擬低溫邊界條件下的起動性能，目前國標燃料電池整車和燃料電池系統的低溫冷起動試驗方法均在研究當中；用高溫運行和低溫運行來模擬燃料電池系統在高溫和低溫設計邊界上的運行性能情況；海拔越高，空氣中的氧氣越稀薄，氧氣作為燃料電池系統的反應氣體之一，其含量的多少對于燃料電池系統的功率特性有著很大的影響，可以設計高海拔運行來驗證燃料電池系統在高原場地的運行性能；另外，溫濕度循環還會使燃料電池堆凝露，并會對一些電器件的產生影響，但考慮到實際操作的難度，可以考慮用零部件氣候替代整車相關試驗。

電氣負荷可以根據燃料電池系統的特性來定義其工作模式和功能狀態等級，結合可操作性開展相關電氣負荷試驗項目，對于無法開展的可以考慮用零部件替代的方式進行。而燃料電池系統的化學負荷的驗證完全可以用零部件來替代。

另外，燃料電池車作為1種新能源汽車，電磁是重要的也是不可避免的環境因素。燃料電池系統有著燃料電池控制器、大量的高低壓線束以及CAN通訊線纜等，抗電磁干擾能力應該是重要的考核項，因此電磁兼容試驗（即EMC 試驗）必須納入燃料電池系統環境可靠性驗證體系中。目前，中國汽車工程學會汽車測試技術分會組織并編寫的《燃料電池發動機電磁兼容性能試驗方法》正在征求意見中，而國標針對燃料電池系統的電磁兼容試驗方法還有待建立。

5.6 耐久性驗證

燃料電池系統作為1 種動力源，將化學能轉化為電能，電能再轉化為電機的機械能，其核心部件燃料電池堆，同動力電池系統一樣，燃料電池堆的化學特性隨著使用時間的增加會不斷衰減直至失效；其關鍵輔助系統，比如空壓機和水泵，隨著使用時間的增加，當達到一定的疲勞壽命的時候，空壓機和水泵的零部件會損傷失效。因此，燃料電池系統的驗證體系必須策劃耐久性驗證。可以采集整車驅動耐久工況開展燃料電池系統的驅動測試，同時也可以采集NEDC 或WLTC工況開展燃料電池系統的壽命試驗等。

6 結論

通過以上分析，可以建立如圖2 所示的燃料電池系統驗證體系，對燃料電池系統開發具有重要指導作用，主要體現在：

圖2 燃料電池系統驗證體系內容

（1）匹配性驗證項目，保證開發的燃料電池系統尺寸和質量符合整車空間布置與整車質量要求；

（2）功能性驗證項目，保證開發的燃料電池系統滿足整車功能目標，同時也能符合國家強檢設計要求；

（3）經濟性驗證項目，保證燃料電池系統氫氣利用率符合設計達標，從而提高燃料電池整車經濟性。

（4）安全性驗證項目，保證燃料電池系統的安全，從而保證燃料電池整車的氫安全；

環境可靠性項目，保證燃料電池系統的耐機械負荷、耐氣候負荷、耐電氣負荷能力以及抗電磁干擾能力，從而保證燃料電池整車的環境可靠性；

（5）耐久性試驗項目，保證燃料電池系統滿足整車使用壽命，同時燃料電池系統作為1種驅動系統，也能符合整車驅動耐久使用工況與耐久要求。