一种全功率燃料电池乘用车整车工况运行试验数据分析

郭温文 周飞鲲

摘 要：随着技术进步，燃料电池汽车在百公里加速时间、续驶里程、燃料加注时间、低温启动等方面基本与传统车性能相当，燃料电池汽车逐渐进入市场化推广阶段。文章对全功率型燃料电池乘用车分别进行NEDC、WLTC和CLTC运行工况的动态试验，并对三种工况下的动力性及能量分配等进行研究，以供同行参考。

关键字：全功率燃料电池乘用车;工况试验;电堆输出功率;电堆温度

中图分类号：U469.72  文献标识码：A  文章编号：1671-7988（2020）19-10-05

Analysis of operating test data of a full-power fuel cell passenger car*

Guo Wenwen， Zhou Feikun

（ Guangzhou Automobile Group Co.， Ltd. Automotive Engineering Research Institute， Guangdong Guangzhou 510006 ）

Abstract： With the advancement of technology， fuel cell vehicles have basically the same performance as traditional vehicles in terms of acceleration time of 100 kilometers， driving range， fuel filling time， and low temperature start. Fuel cell vehicles have gradually entered the stage of marketization. This article conducts dynamic tests on NEDC， WLTC， and CLTC operating conditions for full-power fuel cell passenger vehicles， and studies the power performance and energy distribution under the three operating conditions for reference by colleagues.

Keywords： Full power fuel cell passenger car; Working condition test; Stack output power; Stack temperature

CLC NO.： U469.72  Document Code： A  Article ID： 1671-7988（2020）19-10-05

1 前言

氢燃料电池汽车与纯电动汽车相比，具有能量密度高、补充能量时间短、续航里程长、环境友好等优势，在当下备受瞩目。世界上各大著名车企如丰田、本田、现代等均已推出上市车型。2019年10月，丰田汽车公司在东京车展全球正式发布旗下第二代量产型Mirai燃料电池汽车-“Mirai Concept”，并表示该车型将于2020年底在日本、北美及欧洲等地开始销售;现代继2013年IX35燃料电池汽车推出后，2018年推出了下一代NEXO燃料电池汽车，续驶里程达到800km以上。中国政府从战略角度支持燃料电池汽车发展，工信部《节能与新能源汽车技术路线图》明确提出：2020年实现燃料电池车5000辆级示范应用，2030年实现百万辆氢燃料电池汽车的商业化应用。目前，国内汽车企业中，上汽、长城、广汽、江淮等均大力推动氢燃料电池汽车的研发。

本文针对三种国外及国内重点工况（NEDC、WLTC和CLTC），对全功率燃料电池乘用车进行整车动力性、能量分配等方面进行解析，有助于支持氢燃料电池汽车的技术研发工作。

2 试验车辆动力系统方案介绍

目前，燃料电池乘用车动力系统方案主要包括全功率燃料电池和插电式混动等方案。全功率燃料电池汽车是指整車主要动力源为燃料电池发动机，动力电池或其他储能器件仅在加速、爬坡工况下提供辅助动力，并在怠速、减速和制动工况下进行能量回收，同时可以吸收燃料电池发动机发出的电能。本文试验车即采用了全功率燃料电池方案。

图1介绍了试验车在驱动和制动时的能量分配情况。其中图（a）～图（d）为整车驱动情况，图（e）～图（f）为整车制动 。

（a）为整车需求功率很小时的驱动情况，比如蠕行。此时仅使用动力蓄电池的功率就足以满足整车功率需求，燃料电池系统不工作。

（b）为整车需求功率不太大的驱动情况。此时燃料电池系统工作在高效区，其发出的功率刚好满足整车功率需求。此时动力蓄电池SOC较高（比如达到60%），故燃料电池系统不给动力蓄电池充电。

（c）图中的整车功率需求和（b）图比较接近，此时燃料电池系统工作在高效区，且动力蓄电池SOC较低，需要充电，故燃料电池系统发出的功率一部分供给整车使用，同时还给动力电池充电。

（d）图中的整车需求功率较大，一般为加速或爬坡工况。此时需要燃料电池系统和动力蓄电池同时提供电能供给整车使用。

（e）为制动工况，此时动力蓄电池SOC较低。动力蓄电池通过两个途径进行充电：一方面，车轮处的动能通过制动能量回收进入动力蓄电池;另一方面，燃料电池系统发出一个较低的功率，除维持整车用电外，也同时为动力蓄电池充电。

（f）也为制动工况，但此时动力蓄电池SOC不是太低，故此时只依靠制动能量回收为电池充电，燃料电池系统不输出功率。

3 工况介绍及数据解析

3.1 典型运行工况介绍

本文根据对试验车辆在NEDC、WLTC和CLTC三种工况（图2）下进行的转鼓试验进行数据分析，对整车的动力性和能量分配进行部分解析。

NEDC工况包括4个市区循环和1个市郊循环，最高车速达到120km/h。目前，我国国标中规定纯电动乘用车进行续驶里程和能量消耗量测试均采用NEDC工况。

WLTC工况为欧洲在2017年推出的油耗和排放测试工况，包括低速、中速、高速和超高速4个阶段。与NEDC工况相比，WLTC工况在测试时间、模拟路况变化情况、怠速时间等方面都更加严苛，更加接近用戶的真实用车情况。

CLTC工况为中国工况，与NEDC工况相比，更加符合我国的实际情况。CLTC工况分为低速、中速和高速三个区间，比重分别为37.4%、38.5%和24.1%。对于燃料电池乘用车的续驶里程和能量消耗量测试，我国的国标计划采用CLTC工况。

试验车辆在室温下的转鼓试验室中启动后，等速运行10min，分别运行NEDC、WLTC和CLTC工况。记录三种工况下的车速、加速踏板、制动踏板、SOC等数据，分别从整车动力性及能量分配进行解析。

3.2 试验总体概况解析

三种工况下的关键参数值如表1所示。

通过上述参数，试验车动力蓄电池的SOC基本控制在50%～60%。各工况下，当整车达到最高车速时，加速踏板开度也增到最大，整车需求功率增大，故SOC值会降到最低点。WLTC的最高车速达到129km/h，为三种工况中最大，因此，WLTC工况下SOC所达到的最低值是三种工况中最小的，加速踏板开度在三种工况中也是最大的。

通过图3中三种工况的参数曲线，可以看到当整车车速较低时（50km/h以下），即使在加速过程中，SOC仍在增长，见（a）的①处。说明此时只有燃料电池电堆为整车提供电力，且电堆同时为动力蓄电池充电。当车速较大时（50km/h以上），车速增加时SOC下降，见（a）、（b）、（c）的②处。说明在车速较高段加速时电堆和动力蓄电池共同为整车提供电力。

在NEDC工况下，整车怠速时，若动力蓄电池正在放电、SOC处于下降阶段，则电堆不输出功率，由动力电池提供电能供燃料电池系统辅件使用;若动力电池正在充电、SOC处于上升阶段，电堆输出功率5～7kW，除给辅件供电外，还给动力蓄电池充电。说明在车辆怠速时，燃料电池电堆的启停状态不会轻易改变，电堆是否输出功率很大程度上取决于动力蓄电池的充放电状态。

3.3 加速踏板开度与电堆输出功率关系的分析

分析三种工况下的加速踏板开度与电堆输出功率的关系，见图4。

（a）为NEDC工况，加速踏板开度主要处于0-45%，电堆输出功率基本在在30kw以内。当加速踏板开度在20%以上时，电堆输出功率与加速踏板成线性关系。对采集数据进行拟合，得到式（1）：

（1）

PFC：电堆输出功率（kW）

α：加速踏板开度（%），其中α≥20%

当整车需求功率较小，即加速踏板开度小于20%时，电堆输出功率基本恒定在8kW以内。

（b）为WLTC工况，可以看出加速踏板开度主要分布在50%以下。当加速踏板开度在20%以下时，电堆输出功率基本恒定在8kW以内;加速踏板开度在20%～50%时，电堆输出功率基本在5～35kW。加速踏板65%时，电堆输出功率可达到65kw。

（c）为CLTC工况，加速踏板开度主要分布在50%以下，当加速踏板开度在20%以下时，电堆输出功率基本在8kW以内;加速踏板开度在20%～50%时，电堆输出功率基本在3～30kW。

通过上述数据，可以发现在三种工况下，加速踏板开度在20%以下时，电堆输出功率基本保持在8kw以内。加速踏板开度在20%以上时，NEDC工况下的电堆输出功率和加速踏板开度呈现较明显的线性关系，而WLTC和CLTC的电堆输出功率则较集中在某一区域内。

3.4 动力蓄电池SOC对电堆输出功率分配的影响分析

图5中显示了SOC对电堆输出功率分配的影响。可以看出，NEDC工况下，SOC变化范围最小，WLTC变化范围最大，这与WLTC的工况变化最剧烈有关。

在每种工况下，同一个SOC值时，电堆会根据整车需求功率输出不同的功率值。三种工况下，在SOC为54～60%附近时，电堆输出功率的范围会呈现随着SOC的增大而减小的趋势。根据测试数据，推测每个SOC下电堆输出功率的最大值和SOC有线性关系：

Y=ax+b                                      （2）

Y：某个SOC值下的电堆输出的最大功率（kw）;

X：相应的SOC值（%）。

3.5 电堆温度分布

图6显示了电堆工作点下的温度分布。可以看出，NEDC工况下，电堆输出功率主要集中在0～30kw，电堆温度主要分布在57～65℃。

WLTC工况下，电堆输出功率在0～30kw较为集中，此时电堆温度主要分布在56～65℃。

CLTC工况下，电堆输出功率主要集中在在0～25kw，此时电堆温度主要分布在57～65℃。

可以看出，试验车辆的电堆温度控制的很稳定，在输出功率30kw以下时，电堆温度基本保持在65℃以下。

对比分析三种工况，WLTC工况下，电堆输出功率和电堆温度的分布范围最广。其中，电堆输出功率比另外两种工况的电堆输出功率要高，可以达到70Kw。同时，WLTC工况下的电堆温度也是三种工况中最高的，可以达到80℃。可以看出WLTC工况对电堆需求的功率最大，NEDC对电堆的需求功率最小。

4 结论

本文基于对全功率型燃料电池乘用车进行三种工况下的

试验。通过数据分析，得到该车在NEDC、WLTC和CLTC工况下，电堆输出功率主要集中分布在30Kw以内。

通过对试验车辆三种工况下的试验数据分析，可以得到加速踏板开度、动力蓄电池SOC与电堆输出功率的关系，以及电堆温度在三种工况下的分布，总结如下：

（1）三种工况下，加速踏板开度在20%以下时，电堆输出功率基本保持在8kw以内。NEDC工况下，当加速踏板开度在20%以上时，加速踏板开度与电堆输出功率成线性关系;

（2）三种工况下，动力蓄电池SOC为54～60%附近时，电堆输出功率的范围会呈现随着SOC的增大而减小的趋势，且SOC与电堆输出功率的最大值呈一定的线性关系;

（3）三种工况下，电堆温度在大部分时间可以保持在65℃以内。其中WLTC工况较为严苛，最高温度可以达到80℃。

本文通过对先进全功率燃料电池乘用车进行试验数据分析，可以为国内整车厂在自主开发燃料电池汽车时提供参考，对制定控制策略、开发燃料电池系统零部件等方面提供一定的依据。

参考文献

[1] 宋昱，韩恺，李小龙，等.燃料电池汽车混合度与能量管理策略研究[J].交通科技与经济，2019，21（2）：40-46，67.

[2] 陈平.燃料电池插电式混合动力轿车关键技术研究[D].北京：清华大学，2017.

[3] 方川，徐梁飞，李建秋，欧阳明高.典型燃料电池轿车动力系统的关键技术[J].汽车安全与节能学报，2016，7（2）：210-217.

[4] Toyota，Honda get ready to launch their FCVs[J].Fuel Cells Bulletin， 2014，2014（11）：1-1.