燃料電池汽車低溫冷啟動測試方法對比分析

摘 要：燃料電池汽車低溫冷啟動能力是評價其性能的重要指標之一，國家標準GB/T 43255—2023《燃料電池電動汽車低溫冷啟動性能試驗方法》已發布，其測試評價方法與國際標準ISO 17326：2023《壓縮氫氣燃料電池汽車低溫冷啟動測試評價方法》有一定的差異，本文重點對比分析兩種標準中對低溫冷啟動的測試評價方法的異同，同時對一款國際燃料電池汽車進行低溫冷啟動測試評價分析。

關鍵詞：燃料電池 冷啟動 性能

DOI編碼：10.3969/j.issn.1002-5944.2024.14.029

0 引 言

燃料電池汽車的低溫冷啟動能力是評價其關鍵技術水平的指標之一，經過十三五期間各大汽車企業的技術攻關，國內燃料電池汽車的冷啟動能力[1-3]已經得到了巨大的提升，已經基本能夠達到-2 0℃的啟動能力，但是其各大企業的測試評價[4 -5 ]方法并不統一。在實際的運行過程中，由于動力電池參與其動力輸出，所以燃料電池整車在低溫冷啟動過程中需要兼顧燃料電池系統和動力電池系統的雙重冷啟動問題[6-7]。

目前已有國內標準[8]和國際標準[9]規定了燃料電池汽車低溫冷啟動的測試方法。由于國內外不同的發展路線，國際上主要以全功率的燃料電池汽車為主，而國內主要以電電混合的方式，所以國內外標準[8-9]中的要求也有一定的差異。

通過對比分析國家標準GB/T 43255—2023《燃料電池電動汽車低溫冷啟動性能試驗方法》[8]與國際標準ISO 17326：2023 《壓縮氫氣燃料電池汽車低溫冷啟動測試評價方法》[9]中對測試方法的差異，進一步明確在測試過程中的注意事項，為相關技術人員提供參考。

1 標準主要異同分析

GB/T 43255—2023《燃料電池電動汽車低溫冷啟動性能試驗方法》作為我國評價燃料電池汽車低溫冷啟動能力的重要評價標準，得到了行業認可，其內容主要包括試驗車輛的要求、試驗條件、試驗方法（低溫浸車、低溫冷啟動、低溫冷起步）、能耗數據處理、尾排氫安全的試驗數據記錄等。ISO：17326在2023年進行了該版本的修訂，對其測試方法進行了進一步的更新，其主要的測試項目基本一致，但是在詳細的操作步驟中稍有差異，詳細的差異如下：

1.1 低溫浸車

（1）主要相同部分：國家標準GB/T 43255和國際標準ISO：17326中都允許在溫度到達目標溫度前進行車輛啟動停機的操作，方便車輛進行外部環境的識別，從而進行相應的狀態調整；兩項標準都規定了至少不少于12 h的浸車，使燃料電池堆的溫度能夠充分的浸透，保證其低溫的測試環境；在浸車開始之前，車輛的動力電池電量不做固定的要求，可以按照制造商指定的方式進行，記錄其調整過程即可；考慮到氫氣瓶內的含量對燃料電池的啟動影響并不高，所以兩項標準對車載儲氫系統內的氫氣的含量并不做要求。

（2）主要不同部分：ISO：17326-2023中對于測量外部供氫的低溫氫耗時，可以關閉車輛中的水箱，進行外部氫罐的連接。這主要考慮在全功率燃料電池汽車車型試驗的測試需求。而國家標準GB/T 43255則并不考慮此測試場景，對全功率車型和電電混合的車型都統一采用車內供氫的方式。

1.2 低溫冷啟動

（1）主要相同部分：當環境溫度達到測試溫度并完成浸車之后，燃料電池汽車需要按照車輛制造商規定的要求進行車輛的啟動，在啟動過程中可以開啟空調、暖風裝置等用來快速消耗能量從而產生熱量滿足啟動需求。兩項標準啟動成功的標準一致，1）當車輛儀表板上顯示“READY”或“OK”時認為車輛的啟動成功；2）要求當燃料電池堆能以不低于1 kW的功率連續運行至少10 min。

（2）主要不同部分：在測試數據的記錄過程中，國家標準GB/T 43255—2023中要求記錄尾排的氫氣濃度，并需要滿足氫氣濃度在冷啟動過程中滿足3 s平均不超過4%，瞬時不超過8%的要求，同時車輛不應該出現故障報警等相關的問題。國際標準ISO：17326-2023則無需記錄此問題，但是提出若進行車外的供氫，需要記錄在此過程中的氫氣消耗量。

1.3 低溫冷起步

（1）主要相同部分：兩個標準對測試的方式一樣，都規定車輛在進行冷起步的操作之前需要浸車，當車輛儀表顯示“READY”或“OK”時，將其車輛狀態調整至可行駛模式以全油門運行。

（2）主要不同部分：國家標準GB/ T 43255—2023中要求燃料電池堆的輸出功率首次達到燃料電池系統額定功率的50%，認為完成起動操作。并需要在1 min之內完成停車操作，然后在3 min內開展至少1個中國工況的駕駛循環之后進行停機。國際標準ISO ：17326-2023采用的駕駛循環不同，需要參考當地的駕駛循環工況后認為時完成了試驗。

1.4 試驗終止條件

在進行冷啟動和冷起步的操作過程中，兩個標準的對終止試驗的有相同的部分也有差異性，詳細如下所示：

（1）主要相同部分。終止試驗的都有三條要求包括1）車輛的儀表盤提出停車的指示；2）車輛給出報警或者故障信號；3）車輛申報的最高車速小于工況最高車速而車輛無法達到申報的最高車速，且車輛的動力系統需要滿足車輛的最高車速的要求。

（2）主要的不同部分：除此要求之外國際標準ISO ：17326—2023中還規定，當車輛在零下溫度時，不符合標準中規定容差時也認為是試驗終止。

1.5 數據采集要求

（1）主要相同部分：對于兩個標準中都需要使用涉氫轉轂環境艙進行試驗以保證安全性；

（2）主要的不同部分：對于試驗中需要測量的電流電壓參數國家標準GB/T 43255—2023中的采樣頻率要求不低于5 Hz，ISO：17326—2023中的采樣頻率不低于10 Hz；對于燃料電池系統集成度較高而無法直接測量燃料電池堆的電流和電壓時，國標中可采集DC/DC變換器的輸出電壓和輸出電流作為替代，按照DC/DC變換器效率為97%折算燃料電池堆的功率。國際標準中規定可以使用ECU的電壓和電流數據。這也是兩項標準典型的不同點之一。

2 試驗分析

本文選取一款國際先進的燃料電池汽車按照國家標準GB/T 43252—2023中的要求進行-20℃的低溫冷啟動測試，將某燃料電池汽車放置在涉氫低溫環境艙中，如圖1所示。首先完成12 h的浸車，然后按照廠家的要求進行啟動測試，當儀表上出現“READY”后進行關機，記錄在此過程中的尾排氫氣濃度、燃料電池堆的電流和電壓，完成低溫冷啟動試驗。

由圖2所示燃料電池汽車在啟動過程中從按下啟動按鈕開始計時達到“READY”的狀態，總共用時10.03 s，由此也說明車輛啟動成功。同時在啟動過程中我們記錄了燃料電池堆的電流電壓曲線，如圖3所示。

由圖3可知，在整個個啟動過程分為三個階段，在3.4秒左右燃料電池電堆開始輸出電壓，在3.4～10秒的過程中不斷地進行暖機，暖機功率最大可到達35 kW，其功率輸出在暖機階段逐漸降低到達20kW，電壓降低，最后功率輸出平穩，保障其良好的低溫啟動性能。

3 結 語

本文，重點解析了國家標準GB/T 43255—2023和國際標準ISO：17326-2023對燃料電池汽車低溫冷啟動的測試評價方法的異同點，同時對標準中的測試方法和測試要求進行了詳細的闡述，并以實際測試案例進行分析，有利于引導企業在后續的研發測試中提升車輛的性能。

參考文獻

[1]張甜甜，徐穎，繩有為，等.燃料電池發動機低溫冷啟動技術及測試研究[J].重型汽車，2021，35（05）：23-24.

[2]曹蕾，劉煜，唐何飛.燃料電池發動機低溫冷啟動熱平衡建模與實驗研究[J].東方電氣評論，2021，35（2）：21-24.

[3]崔士濤，王鐸霖，燕希強，等.燃料電池低溫無輔助啟動的研究[J].電源技術，2020，44（10）：1451-1455.

[4]郝冬，張妍懿，朱凱，等.燃料電池電動汽車低溫冷起動試驗方法標準制定分析[J].中國標準化，2020（9）：190-194.

[5]舒勝濤，侯永平，郝冬，等.FCV低溫冷起動試驗數據采集系統的開發[J].電池，2019，49（5）：396-398.

[6]詹志剛，呂志勇，黃永，等.質子交換膜燃料電池冷啟動及性能衰減研究[J].武漢理工大學學報，2011，33（1）：151-155.

[7]毋茂盛，余達太，李果，等.環境條件對質子交換膜燃料電池性能的影響[J].北京科技大學學報，2003（6）：584-586.

[8]全國汽車標準化技術委員會.燃料電池電動汽車低溫冷啟動性能試驗方法： GB/T 43255[S].2023.

[9]Fuel cell road vehicles Cold start performances under sub-zero temperature Vehicles fuelled with compressed hydrogen ：ISO 17326-2023[S].2023.

作者簡介

吳迪，碩士，工程師，研究方向為整車測試評價技術。

韓令海，本科，正高級工程師，研究方向為新能源系統集成。

（責任編輯：袁文靜）

基金項目：本文受吉林省長春市重大科技專項項目“耐低溫長壽命燃料電池關鍵技術研究”（項目編號：20220301011G X）資助。