一種全功率燃料電池乘用車整車工況運(yùn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

郭溫文 周飛鯤

摘 要：隨著技術(shù)進(jìn)步，燃料電池汽車在百公里加速時(shí)間、續(xù)駛里程、燃料加注時(shí)間、低溫啟動(dòng)等方面基本與傳統(tǒng)車性能相當(dāng)，燃料電池汽車逐漸進(jìn)入市場化推廣階段。文章對全功率型燃料電池乘用車分別進(jìn)行NEDC、WLTC和CLTC運(yùn)行工況的動(dòng)態(tài)試驗(yàn)，并對三種工況下的動(dòng)力性及能量分配等進(jìn)行研究，以供同行參考。

關(guān)鍵字：全功率燃料電池乘用車;工況試驗(yàn);電堆輸出功率;電堆溫度

中圖分類號(hào)：U469.72 ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ?文章編號(hào)：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

氫燃料電池汽車與純電動(dòng)汽車相比，具有能量密度高、補(bǔ)充能量時(shí)間短、續(xù)航里程長、環(huán)境友好等優(yōu)勢，在當(dāng)下備受矚目。世界上各大著名車企如豐田、本田、現(xiàn)代等均已推出上市車型。2019年10月，豐田汽車公司在東京車展全球正式發(fā)布旗下第二代量產(chǎn)型Mirai燃料電池汽車-“Mirai Concept”，并表示該車型將于2020年底在日本、北美及歐洲等地開始銷售;現(xiàn)代繼2013年IX35燃料電池汽車推出后，2018年推出了下一代NEXO燃料電池汽車，續(xù)駛里程達(dá)到800km以上。中國政府從戰(zhàn)略角度支持燃料電池汽車發(fā)展，工信部《節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線圖》明確提出：2020年實(shí)現(xiàn)燃料電池車5000輛級示范應(yīng)用，2030年實(shí)現(xiàn)百萬輛氫燃料電池汽車的商業(yè)化應(yīng)用。目前，國內(nèi)汽車企業(yè)中，上汽、長城、廣汽、江淮等均大力推動(dòng)氫燃料電池汽車的研發(fā)。

本文針對三種國外及國內(nèi)重點(diǎn)工況（NEDC、WLTC和CLTC），對全功率燃料電池乘用車進(jìn)行整車動(dòng)力性、能量分配等方面進(jìn)行解析，有助于支持氫燃料電池汽車的技術(shù)研發(fā)工作。

2 試驗(yàn)車輛動(dòng)力系統(tǒng)方案介紹

目前，燃料電池乘用車動(dòng)力系統(tǒng)方案主要包括全功率燃料電池和插電式混動(dòng)等方案。全功率燃料電池汽車是指整車主要?jiǎng)恿υ礊槿剂想姵匕l(fā)動(dòng)機(jī)，動(dòng)力電池或其他儲(chǔ)能器件僅在加速、爬坡工況下提供輔助動(dòng)力，并在怠速、減速和制動(dòng)工況下進(jìn)行能量回收，同時(shí)可以吸收燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)出的電能。本文試驗(yàn)車即采用了全功率燃料電池方案。

圖1介紹了試驗(yàn)車在驅(qū)動(dòng)和制動(dòng)時(shí)的能量分配情況。其中圖（a）～圖（d）為整車驅(qū)動(dòng)情況，圖（e）～圖（f）為整車制動(dòng) 。

（a）為整車需求功率很小時(shí)的驅(qū)動(dòng)情況，比如蠕行。此時(shí)僅使用動(dòng)力蓄電池的功率就足以滿足整車功率需求，燃料電池系統(tǒng)不工作。

（b）為整車需求功率不太大的驅(qū)動(dòng)情況。此時(shí)燃料電池系統(tǒng)工作在高效區(qū)，其發(fā)出的功率剛好滿足整車功率需求。此時(shí)動(dòng)力蓄電池SOC較高（比如達(dá)到60%），故燃料電池系統(tǒng)不給動(dòng)力蓄電池充電。

（c）圖中的整車功率需求和（b）圖比較接近，此時(shí)燃料電池系統(tǒng)工作在高效區(qū)，且動(dòng)力蓄電池SOC較低，需要充電，故燃料電池系統(tǒng)發(fā)出的功率一部分供給整車使用，同時(shí)還給動(dòng)力電池充電。

（d）圖中的整車需求功率較大，一般為加速或爬坡工況。此時(shí)需要燃料電池系統(tǒng)和動(dòng)力蓄電池同時(shí)提供電能供給整車使用。

（e）為制動(dòng)工況，此時(shí)動(dòng)力蓄電池SOC較低。動(dòng)力蓄電池通過兩個(gè)途徑進(jìn)行充電：一方面，車輪處的動(dòng)能通過制動(dòng)能量回收進(jìn)入動(dòng)力蓄電池;另一方面，燃料電池系統(tǒng)發(fā)出一個(gè)較低的功率，除維持整車用電外，也同時(shí)為動(dòng)力蓄電池充電。

（f）也為制動(dòng)工況，但此時(shí)動(dòng)力蓄電池SOC不是太低，故此時(shí)只依靠制動(dòng)能量回收為電池充電，燃料電池系統(tǒng)不輸出功率。

3 工況介紹及數(shù)據(jù)解析

3.1 典型運(yùn)行工況介紹

本文根據(jù)對試驗(yàn)車輛在NEDC、WLTC和CLTC三種工況（圖2）下進(jìn)行的轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，對整車的動(dòng)力性和能量分配進(jìn)行部分解析。

NEDC工況包括4個(gè)市區(qū)循環(huán)和1個(gè)市郊循環(huán)，最高車速達(dá)到120km/h。目前，我國國標(biāo)中規(guī)定純電動(dòng)乘用車進(jìn)行續(xù)駛里程和能量消耗量測試均采用NEDC工況。

WLTC工況為歐洲在2017年推出的油耗和排放測試工況，包括低速、中速、高速和超高速4個(gè)階段。與NEDC工況相比，WLTC工況在測試時(shí)間、模擬路況變化情況、怠速時(shí)間等方面都更加嚴(yán)苛，更加接近用戶的真實(shí)用車情況。

CLTC工況為中國工況，與NEDC工況相比，更加符合我國的實(shí)際情況。CLTC工況分為低速、中速和高速三個(gè)區(qū)間，比重分別為37.4%、38.5%和24.1%。對于燃料電池乘用車的續(xù)駛里程和能量消耗量測試，我國的國標(biāo)計(jì)劃采用CLTC工況。

試驗(yàn)車輛在室溫下的轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)室中啟動(dòng)后，等速運(yùn)行10min，分別運(yùn)行NEDC、WLTC和CLTC工況。記錄三種工況下的車速、加速踏板、制動(dòng)踏板、SOC等數(shù)據(jù)，分別從整車動(dòng)力性及能量分配進(jìn)行解析。

3.2 試驗(yàn)總體概況解析

三種工況下的關(guān)鍵參數(shù)值如表1所示。

通過上述參數(shù)，試驗(yàn)車動(dòng)力蓄電池的SOC基本控制在50%～60%。各工況下，當(dāng)整車達(dá)到最高車速時(shí)，加速踏板開度也增到最大，整車需求功率增大，故SOC值會(huì)降到最低點(diǎn)。WLTC的最高車速達(dá)到129km/h，為三種工況中最大，因此，WLTC工況下SOC所達(dá)到的最低值是三種工況中最小的，加速踏板開度在三種工況中也是最大的。

通過圖3中三種工況的參數(shù)曲線，可以看到當(dāng)整車車速較低時(shí)（50km/h以下），即使在加速過程中，SOC仍在增長，見（a）的①處。說明此時(shí)只有燃料電池電堆為整車提供電力，且電堆同時(shí)為動(dòng)力蓄電池充電。當(dāng)車速較大時(shí)（50km/h以上），車速增加時(shí)SOC下降，見（a）、（b）、（c）的②處。說明在車速較高段加速時(shí)電堆和動(dòng)力蓄電池共同為整車提供電力。

在NEDC工況下，整車怠速時(shí)，若動(dòng)力蓄電池正在放電、SOC處于下降階段，則電堆不輸出功率，由動(dòng)力電池提供電能供燃料電池系統(tǒng)輔件使用;若動(dòng)力電池正在充電、SOC處于上升階段，電堆輸出功率5～7kW，除給輔件供電外，還給動(dòng)力蓄電池充電。說明在車輛怠速時(shí)，燃料電池電堆的啟停狀態(tài)不會(huì)輕易改變，電堆是否輸出功率很大程度上取決于動(dòng)力蓄電池的充放電狀態(tài)。

3.3 加速踏板開度與電堆輸出功率關(guān)系的分析

分析三種工況下的加速踏板開度與電堆輸出功率的關(guān)系，見圖4。

（a）為NEDC工況，加速踏板開度主要處于0-45%，電堆輸出功率基本在在30kw以內(nèi)。當(dāng)加速踏板開度在20%以上時(shí)，電堆輸出功率與加速踏板成線性關(guān)系。對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到式（1）：

（1）

PFC：電堆輸出功率（kW）

α：加速踏板開度（%），其中α≥20%

當(dāng)整車需求功率較小，即加速踏板開度小于20%時(shí)，電堆輸出功率基本恒定在8kW以內(nèi)。

（b）為WLTC工況，可以看出加速踏板開度主要分布在50%以下。當(dāng)加速踏板開度在20%以下時(shí)，電堆輸出功率基本恒定在8kW以內(nèi);加速踏板開度在20%～50%時(shí)，電堆輸出功率基本在5～35kW。加速踏板65%時(shí)，電堆輸出功率可達(dá)到65kw。

（c）為CLTC工況，加速踏板開度主要分布在50%以下，當(dāng)加速踏板開度在20%以下時(shí)，電堆輸出功率基本在8kW以內(nèi);加速踏板開度在20%～50%時(shí)，電堆輸出功率基本在3～30kW。

通過上述數(shù)據(jù)，可以發(fā)現(xiàn)在三種工況下，加速踏板開度在20%以下時(shí)，電堆輸出功率基本保持在8kw以內(nèi)。加速踏板開度在20%以上時(shí)，NEDC工況下的電堆輸出功率和加速踏板開度呈現(xiàn)較明顯的線性關(guān)系，而WLTC和CLTC的電堆輸出功率則較集中在某一區(qū)域內(nèi)。

3.4 動(dòng)力蓄電池SOC對電堆輸出功率分配的影響分析

圖5中顯示了SOC對電堆輸出功率分配的影響。可以看出，NEDC工況下，SOC變化范圍最小，WLTC變化范圍最大，這與WLTC的工況變化最劇烈有關(guān)。

在每種工況下，同一個(gè)SOC值時(shí)，電堆會(huì)根據(jù)整車需求功率輸出不同的功率值。三種工況下，在SOC為54～60%附近時(shí)，電堆輸出功率的范圍會(huì)呈現(xiàn)隨著SOC的增大而減小的趨勢。根據(jù)測試數(shù)據(jù)，推測每個(gè)SOC下電堆輸出功率的最大值和SOC有線性關(guān)系：

Y=ax+b ?????????????????????????????????????（2）

Y：某個(gè)SOC值下的電堆輸出的最大功率（kw）;

X：相應(yīng)的SOC值（%）。

3.5 電堆溫度分布

圖6顯示了電堆工作點(diǎn)下的溫度分布。可以看出，NEDC工況下，電堆輸出功率主要集中在0～30kw，電堆溫度主要分布在57～65℃。

WLTC工況下，電堆輸出功率在0～30kw較為集中，此時(shí)電堆溫度主要分布在56～65℃。

CLTC工況下，電堆輸出功率主要集中在在0～25kw，此時(shí)電堆溫度主要分布在57～65℃。

可以看出，試驗(yàn)車輛的電堆溫度控制的很穩(wěn)定，在輸出功率30kw以下時(shí)，電堆溫度基本保持在65℃以下。

對比分析三種工況，WLTC工況下，電堆輸出功率和電堆溫度的分布范圍最廣。其中，電堆輸出功率比另外兩種工況的電堆輸出功率要高，可以達(dá)到70Kw。同時(shí)，WLTC工況下的電堆溫度也是三種工況中最高的，可以達(dá)到80℃。可以看出WLTC工況對電堆需求的功率最大，NEDC對電堆的需求功率最小。

4 結(jié)論

本文基于對全功率型燃料電池乘用車進(jìn)行三種工況下的

試驗(yàn)。通過數(shù)據(jù)分析，得到該車在NEDC、WLTC和CLTC工況下，電堆輸出功率主要集中分布在30Kw以內(nèi)。

通過對試驗(yàn)車輛三種工況下的試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，可以得到加速踏板開度、動(dòng)力蓄電池SOC與電堆輸出功率的關(guān)系，以及電堆溫度在三種工況下的分布，總結(jié)如下：

（1）三種工況下，加速踏板開度在20%以下時(shí)，電堆輸出功率基本保持在8kw以內(nèi)。NEDC工況下，當(dāng)加速踏板開度在20%以上時(shí)，加速踏板開度與電堆輸出功率成線性關(guān)系;

（2）三種工況下，動(dòng)力蓄電池SOC為54～60%附近時(shí)，電堆輸出功率的范圍會(huì)呈現(xiàn)隨著SOC的增大而減小的趨勢，且SOC與電堆輸出功率的最大值呈一定的線性關(guān)系;

（3）三種工況下，電堆溫度在大部分時(shí)間可以保持在65℃以內(nèi)。其中WLTC工況較為嚴(yán)苛，最高溫度可以達(dá)到80℃。

本文通過對先進(jìn)全功率燃料電池乘用車進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，可以為國內(nèi)整車廠在自主開發(fā)燃料電池汽車時(shí)提供參考，對制定控制策略、開發(fā)燃料電池系統(tǒng)零部件等方面提供一定的依據(jù)。

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