GB/T 24554-2022《燃料电池发动机性能试验方法》标准分析

孙田 王培中 郝冬 兰昊 陈光

摘 要：近年来国内燃料电池电动汽车产业迅速发展，燃料电池发动机作为燃料电池汽车的动力核心，其关键部件研发及系统集成技术随之不断更新，原有燃料电池发动机测试评价相关标准亟需升级完善。因此，为适应新的技术现状，我国于2022年12月发布了GB/T 24554-2022《燃料电池发动机性能试验方法》标准。老版GB/T 24554-2009《燃料电池发动机性能试验方法》已实施十余年，此次GB/T 24554-2022的发布实施，对于完善燃料电池发动机测试评价方法，促进燃料电池产业可持续健康发展具有重要意义。本文主要阐述GB/T 24554-2022中主要技术内容及其与2009版标准的异同。

关键词：燃料电池发动机，试验方法，标准

DOI编码：10.3969/j.issn.1002-5944.2023.07.025

基金项目：本文受国家重点研发计划项目“车载储能系统安全评估技术与装备”（项目编号：2021YFB2501500）资助。

Analysis of GB/T 24554-2022， Performance Test Methods For Fuel Cell System

SUN Tian1，2 WANG Peizhong1，2 HAO Dong1，2 LAN Hao2 CHEN Guang1，2

〔1. CATARC New Energy Automotive Test Center （Tianjin） Co.， Ltd.； 2. China Automotive Technology and Research Center Co.， Ltd.〕

Abstract： In recent years， the domestic fuel cell electric vehicle industry has developed rapidly. As the power core of the fuel cell vehicle， the key component research and development and system integration technologies of the fuel cell engine have been constantly updated. The previous standards related to the test and evaluation of the fuel cell engine need to be revised and upgraded. In order to adapt to the new technical situation， China issued the national standard GB/T 24554-2022， Performance test methods for fuel cell system in December 2022. The old version of GB/T 24554-2009 has been implemented for more than ten years. The release and implementation of GB/T 24554-2022 is of great signifi cance for improving the test and evaluation methods for fuel cell engines and promoting the sustainable and healthy development of the fuel cell industry. This paper mainly describes main technical contents of GB/T 24554-2022 and the similarities and differences with the 2009 version.

Keywords： fuel cell engine， test method， standard

0 引 言

近年來，我国高度重视氢能与燃料电池产业的发展。《氢能产业发展中长期规划（2021-2035年）》《“十四五”全国清洁生产推行方案》《国务院关于印发2030年前碳达峰行动方案的通知》等政策规划中都明确指出，加速推进氢能及燃料电池技术在不同行业的研究与规模化应用。随着燃料电池电动汽车示范运行政策实施，多款燃料电池电动汽车大规模投入运营，国内燃料电池电动汽车产业迅速发展，推动燃料电池相关部件到整车的全产业链综合研发及测试评价能力建设。

燃料电池发动机作为燃料电池电动汽车的动力核心，由燃料电池堆、空压机、氢泵、水泵、PTC等辅件组成，其工作特性直接影响燃料电池电动汽车性能。因此，针对燃料电池发动机性能的试验方法，我国于2009年10月30日发布了GB/T 24554-2009《燃料电池发动机性能试验方法》[1]标准（以下简称2009版标准）。2009版标准中规定了燃料电池发动机的常规性能试验方法，为推动燃料电池行业发展起到了重要作用。而伴随产业技术飞速发展，该标准已无法满足现阶段行业发展需求。因此，全国汽车标准化技术委员会电动车辆分技术委员会组织行业机构和企业对2009版标准进行了修订。2022年12月30日，GB/T 24554-2022《燃料电池发动机性能试验方法》标准[2]（以下简称2020版标准）正式发布。本文将重点分析2022版标准的主要技术内容，并将其与2009版标准进行对比分析。

1 标准主要技术内容

2022版标准共分为8章，规定了燃料电池发动机性能试验方法，其内容主要包括：范围，规范性引用，术语和定义，测量参数、单位和准确度，试验条件，一般试验要求，预处理方法，试验方法。本文对标准的关键性技术内容进行介绍与分析。

1.1 起动特性试验

起动特性试验，主要是基于燃料电池汽车在不同状态、不同环境的起动场景来考量燃料电池发动机的起动特性。起动特性试验主要分为常温起动特性试验和低温起动特性试验。

1.1.1 常温起动特性试验

本部分规定在常温环境（23℃±5℃）中，燃料电池发动机分别进行由冷机状态起动至怠速状态（或燃料电池发动机最低功率点）、由冷机状态起动至额定状态、由热机状态起动至怠速状态（或燃料电池发动机最低功率点）、由热机状态起动至额定状态四次起动，起动后要在相应工况点持续运行10 min，则认定起动成功。该过程中需要记录起动时间、燃料电池发动机电压等数据。其中热起动中，要求热机结束后（即燃料电池堆出水口温度达到制造厂商规定温度值），停机10 s，然后再按照制造商规定的操作步骤起动燃料电池发动机。

1.1.2 低温起动特性试验

低温环境温度可由制造厂商自行决定。但该温度必须低于0 ℃，且在低温浸机和起动过程中温度波动不得超过设定值的±1 ℃。该部分规定燃料电池发动机在低温环境中，燃料电池发动机浸机12 h以上后，分别进行起动至怠速（或燃料电池发动机最低功率点）、起动至额定两次起动试验。起动至怠速（或燃料电池发动机最低功率点）和额定状态后燃料电池发动机持续运行10 min，则认定起动成功。

1.2 额定功率试验

额定功率试验，主要是结合燃料电池汽车在高速运行下燃料电池发动机大功率持续运行的需求考量燃料电池发动机大功率稳定运行能力。额定功率试验部分，要求燃料电池发动机在完成热机后，在怠速点（或燃料电池发动机最低功率点）运行10 s后按照规定方式（加载方式见图1）加载至额定功率且持续运行63 min，且以有效测量时长60 min运行功率的平均值作为燃料电池发动机额定功率的测量值，额定功率标称值则为额定功率测量值的整数部分，同时要求燃料电池发动机在有效测量时长中的输出功率应始终处于60 min平均功率的97%～103%之间。

1.3 峰值功率试验

峰值试验是考虑燃料电池汽车在急加速或高速运行过程中需要燃料电池发动机提供极限功率的实际使用场景。峰值功率试验部分，要求燃料电池发动机在完成热机后，在怠速点（或燃料电池发动机最低功率点）运行10 s后按照规定加载方式加载至额定功率且持续运行10 min，然后按照规定的加载方式加载至所设定的峰值功率并在该功率点持续运行一段时间，时间长度由制造厂商自行规定，到达设定时间后按照制造厂商规定的卸载方式进行卸载。

1.4 动态响应特性试验

动态响应测试中，为评价燃料电池汽车在加速或制动过程燃料电池发动机加载和降载特性。试验分为加载动态响应试验和卸载动态响应试验两部分。

1.4.1 加载动态响应试验

加载动态响应试验部分，要求燃料电池发动机在完成热机后，在怠速点（或燃料电池发动机最低功率点）运行10 s后按照规定加载方式加载至动态响应的起始功率点且在该点至少稳定运行1 min，测试平台向燃料电池发动机发送动态阶跃指令，测试平台按照规定方式加载直至到达动态阶跃的截止点，燃料电池发动机在该点持续运行至少10 min。推荐取怠速（或燃料电池发动机最低功率点）状态～90%PE（燃料电池发动机额定功率）的响应时间作为评价燃料电池发动机的加载动态响应指标。

1.4.2 卸载动态响应试验

卸载动态响应试验部分，要求燃料电池发动机在完成热机后，在怠速点（或燃料电池发动机最低功率点）运行10 s后按照规定加载方式加载至动态响应的起始功率点且在该点至少稳定运行1 min，测试平台向燃料电池发动机发送动态阶跃指令，测试平台按照规定方式卸载直至到达动态阶跃的截止点，燃料电池发动机在该点持续运行至少10 min。推荐取90%PE～怠速（或燃料电池发动机最低功率点）状态的响应时间作为评价燃料电池发动机的加载动态响应指标。

1.5 稳态特性试验

稳态特性试验是衡量燃料电池发动机及其部件在不同工况点极化特性、输出特性、经济特性的主要方法。稳态特性试验部分，要求燃料电池发动机在其工作范围内选择的工况点分别是怠速（或燃料电池发动机最低功率点）、10%PE、20%PE、30%PE、40%PE、50%PE、60%PE、70%PE、80%PE、90%PE。在完成热机后，回到怠速（或燃料电池发动机最低功率点）运行10 s后按照规定加载方式加载至预先确定的工况点（按照从低到高顺序加载），在每个工况点至少运行3 min，且每个工况点分析數据的时间长度不得少于2 min。本试验项目中数据处理结果包括额定功率点和峰值功率点，试验数据采用2.2和2.3中介绍的试验结果，不需重复进行。试验过程中要记录燃料电池发动机电压及电流、氢气消耗量、辅助系统电压及电流，继而可得到：燃料电池堆的极化特性曲线（V-I曲线）、燃料电池堆的功率曲线、燃料电池堆的效率曲线、燃料电池发动机的功率曲线、燃料电池发动机的效率曲线、辅助系统的功率曲线等。

1.6 高温运行试验

由于燃料电池工作过程中散热量较大，因此在运行过程中对散热系统可靠性具有较高要求。高温运行试验前，燃料电池发动机要在（45±2）℃的高温环境中浸机2 h，同时需要注意的是在燃料电池发动机高温运行试验中，用于燃料电池发动机的散热器或者热交换器应置于环境舱中。燃料电池发动机在浸机完成后，按照测试平台规定的方法加载至额定功率且持续运行63min，要求燃料电池发动机在有效测量时长中的输出功率应始终处于60min平均功率的95%～105%之间。

1.7 动态平均效率特性试验

燃料电池汽车在运行过程中，面对不同工況需要频繁加减载。在动态工况下燃料电池发动机效率与稳态工作时存在一定差异。动态平均效率特性试验中，引用GB/T 34593—2017第5.2.2[3]中规定的试验方法进行测试。燃料电池发动机热机后回到怠速点运行10 s，然后按照表1工况运行，运行完成后按照制造商规定停机即可。试验需要进行三次，试验结果求平均值。

1.8 燃料电池发动机气密性测试

燃料电池发动机气密性测试是衡量燃料电池发动机安全性的重要手段之一。燃料电池发动机气密性测试中包括氢气侧保压和氢空液三侧保压两项测试。标准中规定要在冷机状态下进行燃料电池发动机气密性测试。

氢气侧保压测试中，关闭燃料电池堆的氢气排气端口，从氢气进气端口充入氦氮混合气体（氦气浓度不低于10%），保压 20 min，记录压力下降值。从氢气进气端口充入氦氮混合气体（氦气浓度不低于10%）压力设定值与燃料电池发动机氢气侧工作压力有关，二者关系见表2。

氢空液三侧保压测试中，关闭燃料电池发动机氢气排气端口、空气排气端口、冷却液出口，同时向氢气流道、空气流道、冷却液流道加注氦氮混合气体（氦气浓度不低于10%），压力均设定为正常工作压力，压力稳定后关闭进气阀门，保压20 min，记录压力下降值。

1.9 绝缘电阻测试

由于燃料电池发动机在工作过程中输出高压功率，因此绝缘电阻特性是评价燃料电池发动机电安全的重要方法之一。标准中规定，要在所有性能测试项目完成后方可进行绝缘电阻测试。燃料电池发动机处于冷机状态，用兆欧表分别测量燃料电池发动机正对地和负对地的绝缘电阻值，其中兆欧表量程根据燃料电池堆工作电压选择，若燃料电池堆工作电压最大值低于250 V，兆欧表选用500 V量程，若工作电压最大值大于250 V且低于1000 V，兆欧表选用1000 V量程。

如果燃料电池发动机辅助系统中工作电压以GB 18384《电动汽车安全要求》[4]中规定的B级电压运行（即最大工作电压高于60 V且不高于1500 V）时，也需要单独测量绝缘电阻值，其中兆欧表的量程选择同燃料电池发动机一致。可将燃料电池发动机和所有B级电压部件的绝缘阻值并联值作为燃料电池发动机的绝缘值。

1.10 质量及功率密度测试

质量及功率密度测试中主要包含燃料电池发动机质量及质量功率密度和燃料电池堆体积功率密度两项测试。

1.10.1 燃料电池发动机质量及质量功率密度测试

燃料电池发动机质量测试要求对燃料电池模块、空气供应系统、氢气供应系统、水热管理系统控制系统及其他部件进行称重。称重部分的原则为结构完整、能够实现燃料电池发动机的基本性能且与装车状态一致，连接高压氢气源及散热器后即可正常工作。

1.10.2 燃料电池堆体积功率密度测试

燃料电池堆体积功率密度测试，要求测量电堆的体积，即分别量取两个端板之间宽度、双极板外廓长度及高度，计算电堆外轮廓体积减掉空白区域体积即为电堆体积，然后以燃料电池堆额定功率实测值计算燃料电池堆体积功率密度（单位为kW/L）。

2 与2009版标准的比较

2.1 新增或变动内容分析

相较于2009版标准，2022版标准更着重燃料电池发动机工作性能的测试，贴近燃料电池电动汽车整车中对燃料电池发动机的基本性能需求。2022版标准中新增或删减的内容如表3所示。

（1）对于功率加载误差，2009版标准中没有明确说明，2022版标准中进一步规范了测试方法，增加了加载功率实际值与加载功率设定值不得高于3%（不足1 kW的取1 kW）的误差的要求。

（2）对于起动特性，2009版标准中只考虑了常温环境下燃料电池发动机在冷热机状态起动至怠速状态测试，未考虑在实际情况常温环境下燃料电池电动汽车中起动后大功率拉载及低温环境下燃料电池汽车起动的实际使用场景。因此2022版标准中增加了常温环境下额定功率冷起动和热启动测试、低温环境冷起动试验。2009版标准中没有常温额定功率冷热机起动和低温冷起动测试内容。

（3）对于动态平均效率特性试验，2009版标准未有相关性能的试验方法，而2022版标准考虑到对动态循环工况下燃料电池发动机氢气经济性指标的考核，增加了动态平均效率特性试验。

（4）对于高温运行试验，2009版标准未有相关性能的试验方法。而2022版标准，基于燃料电池电动汽车在高温环境下运行的实际需求，增加了高温运行试验，考核燃料电池发动机在高温条件下运行的可靠性。

（5）对于燃料电池堆体积质量功率密度测试，2009版标准未有相关测试方法介绍，且目前行业内对燃料电池堆体积测量方法不一致。2022版标准提出了燃料电池堆体积及体积功率密度测试方法，统一了测试方法，保障了评价的一致性。

（6）对于辅助系统功率规定，2009版标准没有明确规定，由于燃料电池发动机性能试验中散热方案存在散热器风扇、板换等多种冷却方案，且进行燃料电池发动机试验时散热器风扇运转状态与在整车中差异较大，因此将散热器功率作为辅助系统功率会引起较大争议。2022版标准明确说明辅助系统功率包括空压机、水泵、氢循环泵、控制器等部件消耗的功率，散热器风扇的功率不计入辅助系统功率内。

（7）对于额定功率试验，2009版标准中规定燃料电池发动机完成热机后按照测试平台规定方法加载到额定功率点运行60 min，没有实际输出功率波动范围要求，而2022版标准，规定燃料电池发动机加载到额定功率点运行63 min，取后60 min为有效测试时长，要求波动不得超过60 min燃料电池发动机输出功率平均值±3%的范围。

（8）对于燃料电池发动机气密性测试，2009版标准规定氢气侧保压压力设定值为50 kPa，而对于部分低压燃料电池堆无法承受50 kPa的压力，因此2022版标准规定氢气侧保压压力设定值可根据燃料电池发动机氢气侧实际工作压力选择。

（9）对于绝缘电阻测试，2009版标准要求是在热机且转水泵的状态下测量，而且没有规定兆欧表的量程。水泵运转状态下测试绝缘电阻非常危险，燃料电池发动机在不同兆欧表量程下测试绝缘电阻数值会存在一定差异，因此在2022版标准中取消了水泵运转的要求，而且规定了兆欧表量程根据燃料电池发动机最大工作电压选择，同时还要求如果辅助系统部件以B级电压运行时要将燃料电池发动机和所有检测B级电压部件的绝缘阻值的并联阻值作为燃料电池发动机绝缘值，以系统层级更加客观科学地反应绝缘阻值。

（10）对于功率密度测试，2009版标准对于称重范围规定较为笼统，2022版标准则对称重范围及边界条件有了明确的说明。而且在2022版标准中，增加了燃料电池发动机质量功率密度、电堆体积功率密度的测试项目，弥补了现阶段对于功率密度测试评价方法不统一的行业空白。

（11）对于测试顺序，2009版标准没有相关推荐及规定。2022版标准则推荐测试项目的顺序，并明确要求绝缘电阻测试放在所有性能测试项目结束后进行。

2.2 删除内容分析

相较于2009版标准，2022版标准更加全面地关注燃料电池发动机的工作性能和环境适应性。2009版标准中的紧急停机测试因不符合行业的技术发展趋势，故在2022版标准中已被删除。

3 结 语

本文通过对GB/T 24554-2022《 燃料电池发动机性能试验方法》标准的主要内容进行分析，并将其与GB/T 24554-2009《燃料电池发动机性能试验方法》标准进行比较，阐释了2022版标准中主要技术要求的变动情况。本文的分析有助于相關企业及技术人员较好理解2022版标准中变动，有利于推动燃料电池发动机技术快速发展。

参考文献

[1]燃料电池发动机性能试验方法：GB/T 24554-2009[S].

[2]燃料电池发动机性能试验方法：GB/T 24549-2022[S].

[3]燃料电池发动机氢气排放测试方法：GB/T 34593-2017[S].

[4]电动汽车安全要求：GB 18384-2020[S].

作者简介

孙田，硕士研究生，工程师，主要研究方向为燃料电池系统测试及应用。

（责任编辑：袁文静）