大功率燃料電池發動機低溫冷啟動測評方法研究①

孫 田，陳 光，楊沄芃，冀雪峰，叢 林，郝 冬

(1.中國汽車技術研究中心有限公司，天津 300300；2.中汽研新能源汽車檢驗中心(天津)有限公司，天津 300300；3.山東省產品質量檢驗研究院，山東 濟南 250102)

1 引言

燃料電池電動汽車是由氫氣、氧氣發生電化學反應所釋放的電能驅動，與傳統的化石燃料通過燃燒釋放能量的方式完成不同，因此燃料電池不受卡諾循環限制，具有效率高、噪音低的優點。燃料電池電動汽車是由氫氣、氧氣發生電化學反應所釋放的電能驅動，與傳統的化石燃料通過燃燒釋放能量的方式完成不同，因此燃料電池不受卡諾循環限制，具有效率高、噪音低的優點。子傳遞，嚴重阻礙電化學反應的正常進行，導致燃料電池發動機性能下降。此外，由于液態水凝固成冰進而引起體積膨脹，這對燃料電池堆內部材料的微觀結構會產生不可逆的物理損傷。

目前，國內外相關專家學者也對燃料電池發動機及燃料電池汽車低溫冷啟動進行了相關研究。張甜甜等[1]對一款燃料電池發動機低溫冷啟動測試結果進行了分析，并介紹了燃料電池發動機低溫冷啟動的技術及關鍵參數。曹蕾等[2]在燃料電池發動機低溫冷啟動熱平衡模型的基礎上計算冷啟動過程中所需熱量，為制定控制策略提供了理論依據。詹志剛等[3]對燃料電池發動機低溫自啟動過程中不同操作條件對電堆性能衰減的影響展開研究。現階段，國家標準[4]以及新發布的工信部裝備中心[2021]367號《燃料電池汽車測試規范》，均明確規定了燃料電池發動機低溫冷啟動的測試方法，專家學者也對相關標準進行了解讀[5-6]，但由于目前我國燃料電池行業發展水平參差不齊，相關標準法規中未對冷啟動時間和輔助系統能耗提出明確要求。因此，本文建立一套基于環境溫度、啟動時間、有無輔熱和輔助系統能耗的燃料電池發動機低溫冷啟動評價指標體系，并以兩款燃料電池發動機測試結果為例展開分析。

2 燃料電池發動機低溫冷啟動方案

為實現燃料電池發動機在低溫環境下長時間停機后再次正常啟動，常用的措施包括吹掃、加熱、保溫等。在燃料電池發動機低溫冷啟動之前，需要使電堆和冷卻液迅速升溫，保證后續電化學反應能夠正常進行，燃料電池發動機持續輸出功率。當前，國內外常用的兩種升溫方式包括依靠電堆自發熱或外接輔助加熱裝置(目前以PTC加熱器為主)。

2.1 自發熱啟動

依靠燃料電池堆自發熱啟動，一般是在啟動開始階段提高氫氣供給量，降低空氣供給量，提高濃差過電勢，燃料電池輸出電壓降低，即形成“短路”效應，此時電堆內部發熱量增加。自發熱啟動方式的優點是啟動時間短、功耗低，但對控制精度要求較高，否則可能會對膜電極組件產生不可逆的損傷。

2.2 輔助加熱裝置啟動

在燃料電池發動機低溫冷啟動之前，通過輔助加熱裝置對冷卻液進行加熱，冷卻泵使加熱后的冷卻液在電堆內流動以提高電堆溫度。當電堆溫度高于0 ℃的設定值時，控制器向燃料電池發動機各子系統發出指令，燃料電池發動機開始發電。外接輔助加熱裝置對提高燃料電池發動機耐久性有正向作用，但是一般加熱時間較長，且需要額外消耗功率。

3 燃料電池發動機低溫冷啟動測試評價方法

本文的燃料電池發動機低溫冷啟動測試評價方法基于工信部裝備中心[2021]367號《燃料電池汽車測試規范》第5條的測試方法而構建，因此將浸機溫度不高于-30 ℃、啟動成功為評價的必要條件。

鑒于燃料電池技術現狀與整車需求，以浸機環境溫度、有無輔助加熱裝置、啟動至額定功率時間和啟動過程輔助系統能耗為評價指標。建立燃料電池發動機低溫冷啟動測試綜合評價方法，如公式(1)。

(1)

其中：F為評價得分，滿分為10分；ai為每項指標權重系數；bi為每項指標分數。ai、bi的計算方式見表1。

表1 燃料電池發動機低溫冷啟動評價方法Table 1 Evaluation method of low temperature cold start of fuel cell engine.

對于浸機環境溫度、有無輔助加熱裝置、啟動時間、啟動過程中輔助系統消耗能量四項評價指標，設置不同的權重因子，綜合評價燃料電池發動機低溫冷啟動性能。

對于浸機環境溫度，以-30 ℃為基礎點，低于-30 ℃有一定的加分，但當溫度低于-35 ℃，該項評價結果直接為滿分。目前行業內公認，燃料電池發動機低溫冷啟動采用電堆自發熱方式的效果好但技術難度較高，采用PTC等輔助裝置加熱的方式能夠有效規避技術風險、降低技術難度，但是會增加額外功耗、降低系統的效率等。因此，評價指標中，無輔助加熱裝置的方案評價分數高于采用輔助加熱裝置的方案。雖然，國家標準以及《燃料電池汽車測試規范》中沒有具體要求燃料電池發動機的低溫冷啟動時間，但基于整車使用需求，該測試評價方法中以1 800 s為界限，低溫冷啟動時間超過1 800 s則直接得0分，在0～1 800 s的范圍內，采用插值法進行評價。在啟動過程中，輔助系統消耗能量超過3.6×104kJ，得0分，在0～3.6×104kJ范圍內，采用插值法進行評價。

4 分析

本文基于工信部裝備中心[2021]367號《燃料電池汽車測試規范》第5條的測試方法對國內兩款燃料電池發動機進行低溫冷啟動測試。為保證電堆內部的含水量保持較低水平，防止在低溫環境下結冰對燃料電池堆損傷，浸機之前對燃料電池發動機進行一次啟動并停機吹掃操作。燃料電池發動機啟動至怠速，運行一段時間后對其發出停機指令，從啟動到停機不得超過3 min。低溫浸機在涉氫環境倉中進行，如圖1所示。浸機環境溫度應設置為-30 ℃或更低溫度，有效浸機時間不得低于12 h，在浸機過程中不允許有其他人工干預、保溫加熱等措施。

圖1 燃料電池發動機浸機試驗Fig.1 Immersion test of fuel cell engine.

在試驗過程中，采集A，B兩款燃料電池發動機的電堆功率、輔助系統功率等數據。兩款燃料電池發動機自發出開機指令后，燃料電池堆時間功率曲線如圖2-4所示。

圖2 A款燃料電池發動機功率、燃料電池堆功率Fig.2 Fuel cell engine power and fuel cell stack power of model A.

圖3 A款燃料電池發動機輔機功率Fig.3 Auxiliary power of a fuel cell engine A.

圖4 B款燃料電池發動機功率、燃料電池堆功率Fig.4 Fuel cell engine power and fuel cell stack power of model B.

A款燃料電池發動機額定功率為85 kW，系統不帶PTC輔助加熱裝置，低溫冷啟動過程采用自發熱啟動方式，由圖2-3可知，自發出開機指令起，燃料電池堆輸出功率不斷增加，但在加載過程中，由于燃料電池堆內部溫度過低，控制策略限制了拉載功率和拉載速度，出現了一段功率波動過程，當燃料電池堆內部溫度上升至一定數值時，功率輸出便不受限制。自發出開機指令到燃料電池發動機輸出額定功率，整個啟動過程為509.6 s，啟動過程中輔助系統耗能3.83×103kJ。

B款燃料電池發動機額定功率為80 kW，系統帶有額定功率為8 kW的PTC輔助加熱裝置。低溫冷啟動過程中，采用PTC加熱冷卻液溫度的方式升高電堆內部溫度，由圖4-5可知，為保護燃料電池堆，該燃料電池發動機的低溫冷啟動策略較為保守，依據不同階段的燃料電池堆溫度對加載功率進行了嚴格限制，因此輸出功率呈階躍狀增長且整個加載過程時間較長，低溫冷啟動時間為1 508.4 s，但啟動過程主要停留在低功率區間，啟動過程中輔助系統耗能1.74×103kJ。

根據建立的燃料電池發動機低溫冷啟動的測試評價方法，對兩款燃料電池發動機的測試結果進行分析，見表2。

圖5 B款燃料電池發動機輔機功率、PTC功率Fig.5 B fuel cell engine auxiliary power,PTC power.

表2 燃料電池發動機低溫冷啟動性能評價結果Table 2 Evaluation result of low temperature cold start of fuel cell engine.

由于A款燃料電池發動機低溫冷啟動采用自發熱啟動方式，且浸機溫度低于標準要求的-30 ℃，冷啟動時間較短，根據測試評價方法計算得分為8.20分。而B款燃料電池發動機由于采用PTC加熱，而且冷啟動時間較長，超過1 500 s，根據測試評價方法計算得分僅有5.04分。

5 結論

(1)基于工信部裝備中心[2021]367號《燃料電池汽車測試規范》第5條的燃料電池發動機低溫冷啟動測試方法，建立了含浸機環境溫度、有無輔助加熱、低溫冷啟動時間、啟動過程輔助系統能耗的多因素燃料電池發動機低溫冷啟動測試評價方法。

(2)根據建立的燃料電池發動機低溫冷啟動測試評價方法，對兩款燃料電池發動機的測試結果進行分析，評價結果直觀表征了兩款燃料電池發動機低溫冷啟動測試結果和技術水平。