大功率燃料电池发动机低温冷启动测评方法研究①

2022-09-06杨沄芃冀雪峰

电池工业 2022年4期

孙田，陈光，杨沄芃，冀雪峰，丛林，郝冬

(1.中国汽车技术研究中心有限公司，天津 300300；2.中汽研新能源汽车检验中心(天津)有限公司，天津 300300；3.山东省产品质量检验研究院，山东济南 250102)

1 引言

燃料电池电动汽车是由氢气、氧气发生电化学反应所释放的电能驱动，与传统的化石燃料通过燃烧释放能量的方式完成不同，因此燃料电池不受卡诺循环限制，具有效率高、噪音低的优点。燃料电池电动汽车是由氢气、氧气发生电化学反应所释放的电能驱动，与传统的化石燃料通过燃烧释放能量的方式完成不同，因此燃料电池不受卡诺循环限制，具有效率高、噪音低的优点。子传递，严重阻碍电化学反应的正常进行，导致燃料电池发动机性能下降。此外，由于液态水凝固成冰进而引起体积膨胀，这对燃料电池堆内部材料的微观结构会产生不可逆的物理损伤。

目前，国内外相关专家学者也对燃料电池发动机及燃料电池汽车低温冷启动进行了相关研究。张甜甜等[1]对一款燃料电池发动机低温冷启动测试结果进行了分析，并介绍了燃料电池发动机低温冷启动的技术及关键参数。曹蕾等[2]在燃料电池发动机低温冷启动热平衡模型的基础上计算冷启动过程中所需热量，为制定控制策略提供了理论依据。詹志刚等[3]对燃料电池发动机低温自启动过程中不同操作条件对电堆性能衰减的影响展开研究。现阶段，国家标准[4]以及新发布的工信部装备中心[2021]367号《燃料电池汽车测试规范》，均明确规定了燃料电池发动机低温冷启动的测试方法，专家学者也对相关标准进行了解读[5-6]，但由于目前我国燃料电池行业发展水平参差不齐，相关标准法规中未对冷启动时间和辅助系统能耗提出明确要求。因此，本文建立一套基于环境温度、启动时间、有无辅热和辅助系统能耗的燃料电池发动机低温冷启动评价指标体系，并以两款燃料电池发动机测试结果为例展开分析。

2 燃料电池发动机低温冷启动方案

为实现燃料电池发动机在低温环境下长时间停机后再次正常启动，常用的措施包括吹扫、加热、保温等。在燃料电池发动机低温冷启动之前，需要使电堆和冷却液迅速升温，保证后续电化学反应能够正常进行，燃料电池发动机持续输出功率。当前，国内外常用的两种升温方式包括依靠电堆自发热或外接辅助加热装置(目前以PTC加热器为主)。

2.1 自发热启动

依靠燃料电池堆自发热启动，一般是在启动开始阶段提高氢气供给量，降低空气供给量，提高浓差过电势，燃料电池输出电压降低，即形成“短路”效应，此时电堆内部发热量增加。自发热启动方式的优点是启动时间短、功耗低，但对控制精度要求较高，否则可能会对膜电极组件产生不可逆的损伤。

2.2 辅助加热装置启动

在燃料电池发动机低温冷启动之前，通过辅助加热装置对冷却液进行加热，冷却泵使加热后的冷却液在电堆内流动以提高电堆温度。当电堆温度高于0 ℃的设定值时，控制器向燃料电池发动机各子系统发出指令，燃料电池发动机开始发电。外接辅助加热装置对提高燃料电池发动机耐久性有正向作用，但是一般加热时间较长，且需要额外消耗功率。

3 燃料电池发动机低温冷启动测试评价方法

本文的燃料电池发动机低温冷启动测试评价方法基于工信部装备中心[2021]367号《燃料电池汽车测试规范》第5条的测试方法而构建，因此将浸机温度不高于-30 ℃、启动成功为评价的必要条件。

鉴于燃料电池技术现状与整车需求，以浸机环境温度、有无辅助加热装置、启动至额定功率时间和启动过程辅助系统能耗为评价指标。建立燃料电池发动机低温冷启动测试综合评价方法，如公式(1)。

(1)

其中：F为评价得分，满分为10分；ai为每项指标权重系数；bi为每项指标分数。ai、bi的计算方式见表1。

表1 燃料电池发动机低温冷启动评价方法Table 1 Evaluation method of low temperature cold start of fuel cell engine.

对于浸机环境温度、有无辅助加热装置、启动时间、启动过程中辅助系统消耗能量四项评价指标，设置不同的权重因子，综合评价燃料电池发动机低温冷启动性能。

对于浸机环境温度，以-30 ℃为基础点，低于-30 ℃有一定的加分，但当温度低于-35 ℃，该项评价结果直接为满分。目前行业内公认，燃料电池发动机低温冷启动采用电堆自发热方式的效果好但技术难度较高，采用PTC等辅助装置加热的方式能够有效规避技术风险、降低技术难度，但是会增加额外功耗、降低系统的效率等。因此，评价指标中，无辅助加热装置的方案评价分数高于采用辅助加热装置的方案。虽然，国家标准以及《燃料电池汽车测试规范》中没有具体要求燃料电池发动机的低温冷启动时间，但基于整车使用需求，该测试评价方法中以1 800 s为界限，低温冷启动时间超过1 800 s则直接得0分，在0～1 800 s的范围内，采用插值法进行评价。在启动过程中，辅助系统消耗能量超过3.6×104kJ，得0分，在0～3.6×104kJ范围内，采用插值法进行评价。

4 分析

本文基于工信部装备中心[2021]367号《燃料电池汽车测试规范》第5条的测试方法对国内两款燃料电池发动机进行低温冷启动测试。为保证电堆内部的含水量保持较低水平，防止在低温环境下结冰对燃料电池堆损伤，浸机之前对燃料电池发动机进行一次启动并停机吹扫操作。燃料电池发动机启动至怠速，运行一段时间后对其发出停机指令，从启动到停机不得超过3 min。低温浸机在涉氢环境仓中进行，如图1所示。浸机环境温度应设置为-30 ℃或更低温度，有效浸机时间不得低于12 h，在浸机过程中不允许有其他人工干预、保温加热等措施。

图1 燃料电池发动机浸机试验Fig.1 Immersion test of fuel cell engine.

在试验过程中，采集A，B两款燃料电池发动机的电堆功率、辅助系统功率等数据。两款燃料电池发动机自发出开机指令后，燃料电池堆时间功率曲线如图2-4所示。

图2 A款燃料电池发动机功率、燃料电池堆功率Fig.2 Fuel cell engine power and fuel cell stack power of model A.

图3 A款燃料电池发动机辅机功率Fig.3 Auxiliary power of a fuel cell engine A.

图4 B款燃料电池发动机功率、燃料电池堆功率Fig.4 Fuel cell engine power and fuel cell stack power of model B.

A款燃料电池发动机额定功率为85 kW，系统不带PTC辅助加热装置，低温冷启动过程采用自发热启动方式，由图2-3可知，自发出开机指令起，燃料电池堆输出功率不断增加，但在加载过程中，由于燃料电池堆内部温度过低，控制策略限制了拉载功率和拉载速度，出现了一段功率波动过程，当燃料电池堆内部温度上升至一定数值时，功率输出便不受限制。自发出开机指令到燃料电池发动机输出额定功率，整个启动过程为509.6 s，启动过程中辅助系统耗能3.83×103kJ。

B款燃料电池发动机额定功率为80 kW，系统带有额定功率为8 kW的PTC辅助加热装置。低温冷启动过程中，采用PTC加热冷却液温度的方式升高电堆内部温度，由图4-5可知，为保护燃料电池堆，该燃料电池发动机的低温冷启动策略较为保守，依据不同阶段的燃料电池堆温度对加载功率进行了严格限制，因此输出功率呈阶跃状增长且整个加载过程时间较长，低温冷启动时间为1 508.4 s，但启动过程主要停留在低功率区间，启动过程中辅助系统耗能1.74×103kJ。

根据建立的燃料电池发动机低温冷启动的测试评价方法，对两款燃料电池发动机的测试结果进行分析，见表2。