使用工況對(duì)氫燃料電池汽車(chē)百公里氫氣消耗量影響研究

洪晏忠　崔垚鵬

摘 要：憑借高效率、零排放、低噪音等優(yōu)勢(shì)，氫燃料電池汽車(chē)已成為實(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。百公里能耗指標(biāo)是車(chē)輛最重要的經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)之一，氫燃料電池電動(dòng)汽車(chē)則是氫氣消耗量。基于此，文章通過(guò)抽取在售的氫燃料電池汽車(chē)進(jìn)行不同使用工況下的行駛里程和氫氣消耗量測(cè)試，通過(guò)結(jié)果的計(jì)算和統(tǒng)計(jì)分析得到CLTC、WLTC、NEDC、等速40km/h、等速60km/h、等速80km/h、等速100km/h等使用工況對(duì)氫燃料電池汽車(chē)百公里氫氣消耗量的影響規(guī)律。

關(guān)鍵詞：氫燃料電池汽車(chē) 百公里能耗 氫氣消耗量 使用工況

我國(guó)作為汽車(chē)銷(xiāo)量大國(guó)，汽車(chē)保有量在持續(xù)快速增長(zhǎng)，在交通領(lǐng)域的石油消耗量占比超過(guò)60%[1]。石油的過(guò)度依賴(lài)進(jìn)口和大量消耗，不僅帶來(lái)能源安全問(wèn)題和環(huán)境污染問(wèn)題。因此，大力發(fā)展新能源汽車(chē)，減少交通領(lǐng)域的石油消耗，成為保障我國(guó)能源安全和降低碳排放的有效途徑[2-4]。

作為我國(guó)新能源汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的重要發(fā)展技術(shù)路線之一，氫燃料電池汽車(chē)的發(fā)展一直備受?chē)?guó)家政策支持和業(yè)內(nèi)的關(guān)注[5]。然而，我國(guó)氫燃料電池汽車(chē)仍處于范推廣階段，產(chǎn)品質(zhì)量和安全性能也在不斷改善，尤其是整車(chē)的能耗是限制商業(yè)化應(yīng)用的諸多挑戰(zhàn)之一[6-7]。通過(guò)對(duì)抽取在售的氫燃料電池汽車(chē)在CLTC-P、WLTC、NEDC、等速40km/h、等速60km/h、等速80km/h等使用工況下百公里氫氣消耗量測(cè)試，得到不同使用工況對(duì)氫燃料電池汽車(chē)百公里氫氣消耗量的影響規(guī)律。

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 18352.6-2016 輕型汽車(chē)污染物排放限值及測(cè)量方法（中國(guó)第六階段）》、《GB 18352.5-2013 輕型汽車(chē)污染物排放限值及測(cè)量方法（中國(guó)第五階段）》、《GB/T 38146.1-2019 中國(guó)汽車(chē)行駛工況 第1部分：輕型汽車(chē)》等制定[8-11]，具體項(xiàng)目及試驗(yàn)方法見(jiàn)表1，所使用的設(shè)備見(jiàn)表2。

2 測(cè)試過(guò)程

2.1 樣車(chē)信息

選取在售的NEXO標(biāo)準(zhǔn)版車(chē)型作為樣車(chē)來(lái)源進(jìn)行試驗(yàn)，樣車(chē)具體參數(shù)見(jiàn)下表：

2.2 測(cè)試試驗(yàn)

百公里氫氣消耗量試驗(yàn)過(guò)程如下：

1）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；

2）底盤(pán)測(cè)功機(jī)根據(jù)車(chē)輛整備質(zhì)量設(shè)定阻力；

3）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)；

4）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；

5）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，分別進(jìn)行CLTC、WLTC、NEDC、等速40km/h、等速60km/h、等速80km/h、等速100km/h等運(yùn)轉(zhuǎn)一定的里程；

6）分別按照GB 18352.6-2016、GB 18352.5-2013、GB/T 38146.1-2019、等速工況中的規(guī)定記錄續(xù)駛里程。

試驗(yàn)照片如圖1所示。

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)進(jìn)行了CLTC、WLTC、NEDC、等速40km/h、等速60km/h、等速80km/h等工況下的行駛里程、氫氣消耗量、燃料電池發(fā)電量、動(dòng)力電池電量變化等進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表4所示。

從表4中數(shù)據(jù)可知，在不同工況下，整車(chē)行駛過(guò)程中的總體能量輸出基本上都是來(lái)源于燃料電池系統(tǒng)的能量輸出，并同時(shí)給動(dòng)力電池充電，可以有效排除動(dòng)力電池的能量輸出對(duì)氫氣消耗量的影響，便于我們后續(xù)更準(zhǔn)確的計(jì)算整車(chē)百公里氫氣消耗量。

根據(jù)表4的測(cè)試數(shù)據(jù)，對(duì)樣車(chē)分別進(jìn)行了不同工況下的百公里氫氣消耗量和百公里電耗的計(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)算得到了樣車(chē)在不同使用工況下的百公里氫氣消耗量、百公里電耗和燃料電池系統(tǒng)的平均效率數(shù)據(jù)，計(jì)算結(jié)果如表5所示。

通過(guò)表5的結(jié)果分析可知，WLTC工況下的百公里氫氣消耗量最大，達(dá)到了1.01kg。等速40km/h工況下的百公里氫氣消耗量最小，只有0.45kg/h，百公里氫氣消耗量不足WLTC工況下的50%。表明行駛工況越嚴(yán)苛，氫氣消耗量越大。但是，通過(guò)燃料電池發(fā)電效率數(shù)據(jù)對(duì)比分析可以看出，等速40km/h工況下燃料電池系統(tǒng)的發(fā)電效率最低，而等速80km/h工況下的燃料電池系統(tǒng)的發(fā)電效率最高，表明燃料電池系統(tǒng)的效率隨著整車(chē)行駛工況的嚴(yán)苛程度呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)，但下降趨勢(shì)不明顯。表明不同工況下的百公里氫氣消耗量與燃料電池系統(tǒng)的氫氣利用效率成一定的反比關(guān)系。

對(duì)比NEDC工況和CLTC工況的百公里氫氣消耗量和百公里電耗可以發(fā)現(xiàn)，NEDC工況下的百公里電耗要略高于CLTC工況，但百公里氫氣消耗量的對(duì)比結(jié)果卻相反。因?yàn)镃LTC工況下的平均運(yùn)行功率要低一些，行駛同樣里程條件下的電損耗要低一些，但是燃料電池系統(tǒng)的效率較NEDC工況下低一些，導(dǎo)致單位質(zhì)量?jī)?nèi)氫氣的發(fā)電量降低，百公里氫氣消耗量低于NEDC工況。

對(duì)比四個(gè)不同等速工況下的百公里氫氣消耗量和百公里電耗可知，整車(chē)速度越快，百公里能耗越高。當(dāng)車(chē)速超過(guò)80km/h后，整車(chē)的百公里氫氣消耗量急速增加。等速60km/h和等速80km/h工況下，整車(chē)的百公里氫氣消耗量基本接近，但是百公里電耗卻差異明顯。通過(guò)這兩組數(shù)據(jù)的對(duì)比分析，我們發(fā)現(xiàn)當(dāng)車(chē)速在80km/h時(shí)，燃料電池系統(tǒng)的能量輸出效率比等速60km/h工況下高，導(dǎo)致等速80km/h行駛時(shí)燃料電池發(fā)電量更多，從而使整車(chē)在百公里電耗增加的情況下基本不增加百公里氫氣消耗量。

4 結(jié)論

根據(jù)上述測(cè)試結(jié)果和相應(yīng)的數(shù)據(jù)分析，得到不同使用工況對(duì)氫燃料電池汽車(chē)百公里氫氣消耗量的影響規(guī)律：

1）等速40km/h工況下，整車(chē)的百公里氫氣消耗量最低。WLTC工況下，整車(chē)百公里氫氣消耗量最高。隨著整車(chē)行駛速度的增加，整車(chē)百公里氫氣消耗量呈現(xiàn)非線性增加的趨勢(shì)。

2）整車(chē)的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)隨著工況的嚴(yán)苛程度和整車(chē)行駛速度的增加，其發(fā)電效率呈現(xiàn)增長(zhǎng)的趨勢(shì)。

針對(duì)當(dāng)前測(cè)試結(jié)果，氫燃料電池汽車(chē)可以通過(guò)提升整車(chē)燃料電池系統(tǒng)的發(fā)電效率來(lái)降低整車(chē)百公里氫氣消耗量。同時(shí)，該測(cè)試結(jié)果的也可以為整車(chē)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)人員進(jìn)行整車(chē)能耗目標(biāo)和續(xù)駛里程目標(biāo)的制定提供參考依據(jù)。

基金項(xiàng)目：國(guó)家重點(diǎn)專(zhuān)項(xiàng)“新能源汽車(chē)”專(zhuān)項(xiàng)（2018YFB1502705）。

參考文獻(xiàn)：

[1]李建秋，方川，徐梁飛. 燃料電池汽車(chē)研究現(xiàn)狀及發(fā)展[J]. 汽車(chē)安全與節(jié)能學(xué)報(bào)，2014（1）：17–29.

[2]洪晏忠，鄧波. 我國(guó)氫燃料電池汽車(chē)發(fā)展現(xiàn)狀及前景分析[J].科技風(fēng)，2021，（4）：5-6.

[3]KWAN T H， WU X， YAO Q. Multi-objective genetic optimization of the thermoelectric system for thermal management of proton exchange membrane fuel cells[J]. Applied Energy， 2018（11）：314–327.

[4]袁中，周定華，陳大華. 國(guó)內(nèi)氫燃料電池汽車(chē)產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀及發(fā)展前景[J].時(shí)代汽車(chē)，2018，（12）：67-68.

[5]FLY A， THRING R H. A comparison of evaporative and liquid cooling methods for fuel cell vehicles[J]. International Journal of Hydrogen Energy， 2016， 41（12）： 8444–8451.

[6]沈浩明.中國(guó)氫燃料電池汽車(chē)產(chǎn)業(yè)發(fā)展研究[J].上海汽車(chē)，2018，（4）：35-39.

[7]張臣，趙陽(yáng)，李穎林等. 使用工況對(duì)純電動(dòng)汽車(chē)?yán)m(xù)駛里程影響研究[J].北京汽車(chē)，2020，（05）：12-15.

[8]中華人民共和國(guó)工業(yè)和信息化部，全國(guó)汽車(chē)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì). 燃料電池電動(dòng)汽車(chē)氫氣消耗量測(cè)量方法：GB/T 35178-2017[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社.

[9]環(huán)境保護(hù)部、國(guó)家質(zhì)檢總局，中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院.輕型汽車(chē)污染物排放限值及測(cè)量方法（中國(guó)第六階段）：GB 18352.6-2016 [S] .北京：中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版.

[10]環(huán)境保護(hù)部、國(guó)家質(zhì)檢總局，中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院.輕型汽車(chē)污染物排放限值及測(cè)量方法（中國(guó)第五階段）：GB 18352.5-2013 [S] .北京：中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版.

[11]中華人民共和國(guó)工業(yè)和信息化部，全國(guó)汽車(chē)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).中國(guó)汽車(chē)行駛工況 第1部分：輕型汽車(chē)：GB／T 38146.1-2019[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社.