燃料电池汽车续驶里程测量方法的研究

郭 婷

(中国汽车技术研究中心有限公司，天津 300300)

与传统车和纯电动车相比，燃料电池汽车具有能量效率高、零排放等优点，已成为未来汽车行业的发展方向。再加上燃料电池汽车能量密度高、续驶里程长等优势，已成为各大车企重要的技术研究热点[1-3]。由于各个企业的技术发展路线不同以及各个国家针对续驶里程标准评价方法的不一致性，导致在进行燃料电池汽车续驶里程的测试评价方面一直不能达成统一。本文针对现阶段国内典型的燃料电池汽车的类型以及基于“中国工况”[4-5]下的使用需求，建立准确有效的燃料电池汽车续驶里程的测试评价方法。同时在燃料电池汽车续驶里程下进行效率分析，开展能耗和控制策略研究，为企业技术提升提供一定的技术支撑。

1 燃料电池汽车的类型

目前主流燃料电池汽车的动力源主要由燃料电池系统和动力电池共同组成，如图1 所示。国内的燃料电池汽车大部分采用电-电混动模式，根据燃料电池系统功率的大小分为强混型和增程型。国际上燃料电池汽车一般称全功率燃料电池车，燃料电池系统是主要的动力源，动力电池是能量缓冲器。一般燃料电池堆和动力电池经过DC/DC 升压后共同进行能量驱动。基于中国的特殊国情，燃料电池一般采用大功率充电和燃料电池并行的模式，即PHEV 模式。为了支持大功率燃料电池发展以及满足补贴等需求，就需要提高燃料电池的利用率。根据燃料电池汽车续驶里程中燃料电池的贡献量，将燃料电池汽车的类型按照表1 进行分类。本文重点介绍第一种外接充电式燃料电池汽车续驶里程的测量方法。

图1 FCEV 能量构型[6]

表1 燃料电池汽车的分类

2 续驶里程测试的方法及分析原理

燃料电池的续驶里程与很多因素有关，包括整车的能量控制策略、氢气的消耗量、车速、动力电池的SOC、氢气的有效用量等[6]。不同类型的燃料电池汽车的氢气消耗量不同，其续驶里程有显著的差距。目前标准中将考虑采用“中国工况”实行工况法进行续驶里程的测量。续驶里程的计算公式如下：

式中：d为续驶里程，km；m为氢气可用量，kg；mH2为氢气消耗量，kg/km。

2.1 车载氢气的有效利用量的测量方法

目前我国燃料电池汽车大部分属于可外接充电的类型，推荐使用车载供氢的方式。国际上不可外接燃料电池汽车推荐使用外部供氢的方法。本部分重点介绍使用车载供氢的续驶里程的测量方法。根据不同燃料电池汽车的设置情况，氢气的可用量由储氢容器的能力和整车控制的截至点决定。车载储氢瓶的储氢量受到温度和压力的影响，且在加氢过程中短期内会使气瓶内部温度迅速上升，造成车辆在加氢过程中不会100%的加注完成，只能加注完成90%多，记录此时加氢的质量为m1。为了更加准确地体现车辆的实际载氢量，在进行试验之前利用补氢的装置进行少量补氢，补氢装置如图2 所示。补氢装置中会装有流量计，记录补氢加注的氢气质量为m2。此时总计车辆的载氢量为m1+m2。而无论是加氢质量还是补氢质量都需要根据图2 所示的带有温度和压力传感器的补氢装置进行，根据温度压力法[7]计算此时容器内氢气的质量。

图2 补氢装置示意图

在进行续驶里程测量时，气瓶氢气的储存量不能够完全被车辆利用，有两方面原因：(1)气瓶的压力小于0.2 MPa 时，不足以稳定地提供氢气；(2)车辆会根据情况设定一定的停车指示，如车速已经不能满足车辆续驶里程的测量试验时，即为车辆的测试截点，记录此时车载储氢容器的剩余氢气量为m3。综上，燃料电池汽车的实际氢气使用量为：

2.2 氢气消耗量的测量方式

关于氢气消耗量目前GB/T 35178《燃料电池电动汽车氢气消耗量测量方法》[8]中只进行了三种使用压缩氢气的测量方法，包括压力温度法、质量分析法、流量法的推荐性测量方法，可根据用户实际情况进行选取。压力温度法中主要依据测试工况前后的压力温度的变化进行计算，计算公式为：

式中：M为氢气的摩尔质量，2.016 g/mol；V为氢气瓶的体积，m3；R是气体常数，数值为3.14 J/(mol·K)；P1为测试之前气体的压力，Pa；P2为测试之后的气体压力，Pa；T1为测试之前气体温度，K；T2为测试之后气体温度，K；Z1为P1T1时的修正系数；Z2为P2T2时的修正系数。

质量法主要是测量测试前后外接气瓶的质量，公式如下：

式中：m4为试验开始时氢瓶罐开始的质量；m5为试验结束时氢瓶罐的质量。

流量法是在测试过程前用带有高精度流量计的测试装置直接进行氢气的供应，直接记录氢气流过流量计的质量即可，这种方法对流量计的要求较高。三种测量方法各有优略，对比如表2。

表2 测量方法的优劣对比

2.3 工况选取

国外相关标准ISO 23828 和SAE J2572 中分别对不同工况进行了测试说明，其中ISO 23288 针对日本工况、欧洲工况和美国工况进行详细说明，SAE J2572 针对城市工况和高速工况进行测试说明。在我国的标准体系中主要采用中国工况(CLTC)[7,9]进行测试，根据车型的不同主要分为中国轻型汽车行驶工况和中国重型行驶工况。根据客户需求，目前的主要研发试验还包括NEDC[10]工况和WLTC 工况，如图3。在后续的标准中会考虑CLTC 工况测试，每个工况的总时间为1 800 s，总里程为14.48 km。通过对测试数据的分析可以更清晰地展示每种车型在怠速工况、加速工况、减速工况、低速及高速工况下，整车的能量控制策略，有助于优化其控制方法。

图3 各循环工况速度随时间变化曲线[7,9-10]

3 数据的处理及分析

3.1 数据处理方法

为了从能量供给的角度分析燃料电池堆和动力电池各自的贡献率，采用能量流的测试方法，使用功率分析仪对各个部件的电流和电压进行采集，以获取整个测试工况下能量的流动情况。电流的测量直接使用钳式电流传感器，电压的测量用电压传感器直接接到高压配电单元上。需要采集的数据如表3。

表3 数据采集量

其中燃料电池堆的输出总能量Efc(kJ)：

动力电池的输出总能量(净能量变化量)Ebat(kJ)：

那么在整个续驶里程d(km)，包括燃料电池堆的贡献量与动力电池的贡献量，各自的占比为：

燃料电池堆输出总能量占总输出能量的百分比ηfc为：

动力蓄电池输出总能量占总输出能量的百分比ηbat为：

因此，燃料电池堆提供的续驶里程dfc(km)为：

动力蓄电池提供能量的行驶里程dbat(km)为：

100 公里氢气消耗量mH2(kg/100 km)：

3.2 能量流分析

为了更好地优化整车的能量管理策略，首先要弄清楚经过整车的能量损失和能量来源。燃料电池堆产生的电量和动力电池产生的电量，并没有完全地用于驱动电机，而是一部分用于自身的辅助系统消耗，包括高压部件消耗和低压部件消耗，如空压机、冷却系统等，还有一部分氢气的泄漏路阻等方式造成的能量损失。为了更好地分析能量流，首先确定需要测试的主要部件的测试数据，如对于燃料电池系统重要的“一堆二路三泵四器”进行测试和分析，见表4。

表4 能量分析数据

为了更好地分析测试过程中整车的能量变化和控制策略，选取一款燃料电池汽车进行续驶里程(NEDC)测量，如图4 所示。对比三个图发现，燃料电池堆的功率随着工况变化呈规律性的增加或降低，动力电池的功率变化会更频繁和剧烈一些，基本保持与整车的车速一致。从图4 的能量时间历程图也可以看出燃料电池堆的功率基本上是呈阶梯状上升，一直作为能量输出的总动力源，而动力电池则呈规律性的变化，可以看出整车的功率调节基本上都会以动力电池的SOC为主，呈现一定的上下浮动。燃料电池的效率基本都处于比较舒适的区域，以保护燃料电池堆的寿命。从二者的能量变化曲线可以看出动力电池一直在进行制动回收和能量供给过程，在经过高速和爬坡阶段会进行充电，而燃料电池系统一直处于能量供给阶段。为了更好地分析能量的需求，需要测量更多的如辅助系统的能量消耗、空压机能耗、空调能耗、氢气循环泵能耗等，从而更好地优化能量。

图4 燃料电池汽车能量流曲线

4 总结

本文重点介绍了燃料电池汽车续驶里程的测量方法，并基于一款燃料电池汽车的能量流进行分析，给与了评价燃料电池汽车续驶里程的重要评价指标，主要结论如下：

(1)燃料电池汽车有效的储氢量需要考虑气瓶加氢温度过高，需要进行补氢的氢气质量，以及在试验结束后，需要利用温度压力法进行试验后气瓶内的剩余量的考量，所以需要考虑三方面的质量，才是有效的氢气利用量；

(2)现阶段燃料电池汽车主要采用电-电混合系统，测试工况得到的续驶里程往往是动力电池和燃料电池系统共同作用的结果，需要计算各自的能量占比，从而计算有效的百公里氢耗。