氫燃料電池汽車試驗體系研究

劉榮昌 廖云霞 何軍軍 郭小發 王健

（東風汽車集團有限公司技術中心，武漢430058）

主題詞：燃料電池汽車 可靠耐久 整車安全 熱管理 試驗驗證

1 引言

我國已全面確立了2030年前碳達峰、2060年前碳中和的目標，為實現該目標，汽車行業各廠商正在大力發展燃料電池汽車。其基本特征是將燃料和氧化劑的化學反應產生的能量轉換成電能，生成物只有水，具有排氣清潔、綠色無污染等優點。

目前的氫燃料電池汽車大多基于傳統的燃油汽車或者純電汽車改制，最大程度上采用了原有車型的零部件。由于不是重新開發的平臺，其燃電系統和車載氫系統等需要重點考核；針對氫燃料電池汽車驗證體系，國內外做了大量研究，彭祖雄從環境可靠性和耐久性等6個維度介紹了乘用車燃料電池系統驗證體系；郭婷等對燃料電池堆氣密性、冷啟動、壽命測試方法進行了闡述；黃彥維等介紹了幾種燃料電池堆耐久試驗臺架循環工況。但是零部件試驗偏重于對電堆試驗的介紹，整車試驗偏重于法規試驗的論述，缺少覆蓋零部件、系統、整車級的驗證體系介紹。因此需要通過分析氫燃料電池汽車技術特點，完善燃料電池汽車試驗驗證體系，指導新車型的開發。

2 試驗驗證體系

氫燃料電池汽車項目開發主要圍繞零部件級、系統級、整車級性能目標制定和達成開展工作，從動力經濟性、整車安全、電磁兼容、熱管理、振動與噪聲、可靠耐久維度進行分析，梳理出燃料電池汽車試驗貨架1 618項（系統及零部件1 330項，整車288項），如圖1和圖2所示。

圖1 系統零部件級驗證體系

圖2 整車級驗證體系

2.1 系統零部件試驗

2.1.1 燃料電池發動機

燃料電池系統的動力性指標須滿足整車動力性指標要求。GB/T 24554—2009規定了燃料電池系統的性能試驗方法。某燃料電池發動機10%額定功率～90%額定功率加載動態響應時間為5 s，如圖3所示；90%額定功率～10%額定功率卸載動態響應時間為2.5 s，如圖4所示。各企業可在此標準的基礎上，結合企業開發的燃料電池整車使用工況，構建并完善燃料電池系統的動力性驗證項目。

圖3 加載動態響應特性

圖4 卸載動態響應特性

對于燃料電池的冷啟動性能，低溫環境下，在發生電化學反應時，會有液態水生成，液態水在低溫環境下會結冰，導致電化學反應無法繼續開展，系統無法正常運轉，通常以燃電系統輸出功率到達25%額定功率的時間作為考核指標。

對于燃料電池的電安全，低的電阻值可以保證各電堆部件之間充分接觸，并且降低電堆使用過程中歐姆極化損失。GB 18384—2020中要求燃料電池電動汽車若交流電路增加有附加防護，組合電路絕緣電阻至少滿足100 Ω/V。

氫氣泄露會造成安全隱患，氣密性對燃料電池汽車的安全性尤為重要。GB/T 24554—2009中規定氣密性測試方法，某燃料電池發動機2側壓力進口初始壓力設定為50 kPa，保持20 min后，壓力下降至43.2 kPa，滿足設計指標要求。

燃料電池系統耐久性測試，目前沒有統一的測試標準。耐久性臺架試驗工況應與道路工況特征一致，包含動態、低載和怠速，過載及啟停等易造成衰減的工況。常見耐久性臺架試驗循環工況如國際電工委員會工況，美國能源部循環工況試驗、法國電氣工程試驗室車載循環工況試驗、同濟大學循環工況試驗、清華大學城市公交循環工況，都是由典型行駛工況轉化而來。應根據燃料電池系統的目標客戶使用習慣，選擇合適的臺架試驗循環工況，圖5為某燃料電池發動機完成940 h耐久循環后功率衰減情況，衰減率4.2%。

圖5 耐久性試驗前后電流電壓曲線

2.1.2 車載氫系統

車載氫系統檢測由動態沖擊和靜推試驗構成，動態沖擊依據標準GB/T 26990—2011；靜推試驗，依據標準GB/T 29126—2012完成。

2.1.3 整車控制器

為保證整車功能使用正常，開展整車控制器電性能試驗，包括整車暗電流測試、整車電平衡測試；單負載工作特性，工作時的穩態/瞬態電流、電壓特性、接地電流分布和接地失效試驗等。

為保證汽車運行過程中不受外部電磁環境干擾，開展零部件電磁兼容測試。包括整車控制器信號線瞬態抗干擾性能、大電流注入抗干擾等試驗。

為保證控制器各項功能在整車上很好的實現，需提前在硬件在環(Hardware-In-the-Loop，HIL)臺架上，使用測試用例，對可能失效的場景進行測試，改進完成后搭載整車開展試驗，縮短項目周期，減少風險。

2.2 整車級試驗驗證

2.2.1 動力經濟性試驗

動力性試驗包括GB/T 26991—2011和GB/T 19752—2005中規定的最高車速、爬坡車速等。

經濟性指標包括氫氣消耗量和續駛里程，燃料電池汽車純電續駛里程采用《燃料電池汽車測試規范》，車輛按照循環工況法，在底盤測功機或試驗道路上進行試驗，記錄試驗結束后行駛里程。

除續駛里程外，氫氣消耗率也是經濟性的重要指標，試驗中使用外接氫源供氫，將車輛安裝在底盤測功機上進行試驗，試驗前記錄外接氫氣質量流量計的質量，行駛6個循環工況后，停止試驗，記錄試驗后的氫氣質量流量計顯示質量，記錄6個工況實際行駛的距離，100 km氫耗量C，如式（1）。

式中：為試驗前質量流量計顯示質量；為試驗后的質量流量計顯示質量；為6個工況實際行駛的距離。

2.2.2 整車安全性驗證

燃料電池汽車以氫氣為動力源，擁有其它新能源汽車沒有的特有系統，有著嚴格的安全要求。燃料電池汽車相比傳統汽車新增氫排放、氫泄露、碰撞安全等安全性驗證。

2.2.2.1 氫排放

T/CSAE 123—2019規定了氫排放限制，某燃料電池汽車在每小時換氣量4次、環境溫度20℃時的頻繁啟動氫氣排放檢測結果，5次頻繁啟動的峰值氫氣濃度為0.406 6%，滿足法規氫氣體積濃度應不大于1%的要求。

2.2.2.2 氫泄露

《燃料電池電動汽車密閉空間內氫泄漏及排放試驗方法和安全要求》規定了限制氫泄露。某車型氣瓶壓力為70 MPa，20℃靜置8 h氫泄露檢測試驗結果為零，滿足法規氫氣體積濃度不大于1%要求。

2.2.2.3 碰撞安全

碰撞安全需要進行GB 11551—2014、GB 20071—2006和GB/T 31498—2015規定的試驗，其中正碰可用偏置碰代替，法規對后碰暫無要求。燃料電池電動汽車碰撞試驗相較于傳統車和純電動汽車，除對假人傷害指標和碰撞后電安全外，還需測量碰撞后儲氫系統氣體泄漏。目前國標對碰撞后氣體泄漏測量暫無標準，一般參照UN R134、GT R13、SAE J2578國外標準進行氫燃料電池汽車碰撞后氫系統完整性。為保證試驗安全，試驗前將氫氣置換為氦氣，對燃料電池車輛碰撞過程中的乘員安全、電安全、氫安全進行驗證。圖6為碰撞發生后儲氫系統的截止閥關閉時繼電器電流，結果表明儲氫系統的截止閥在碰撞后的0.5 s內關閉，經測量碰撞后乘員艙、行李艙、或貨艙內的氫氣濃度不超過1%（體積濃度），滿足法規要求。

圖6 20℃氫泄露檢測結果

2.2.3 熱管理

熱管理主要考慮溫濕度以及海拔這類環境條件對燃料電池系統的影響。用高溫運行和低溫運行來模擬燃料電池系統在高溫和低溫設計邊界上的運行性能情況；低溫冷啟動特性是燃料電池系統設計研發中的關鍵特性，設計低溫冷啟動試驗來模擬低溫邊界條件下的啟動性能，目前國標燃料電池整車和燃料電池系統的低溫冷啟動試驗方法均在研究當中；各企業可根據車型特點編制試驗規范，某企業燃料電池整車冷啟動試驗要求如下：環境倉設置-20℃降溫，待溫度達到后車輛關機，浸置24 h；冷啟動前先上低壓電進行預檢，確認各系統無故障，連接數采、上位機；轉轂設置坡度6%，啟動車輛完成高壓上電，車輛立即以全油門加速，至燃電系統輸出功率達到廠家要求后穩定行駛10 min，關機下電。燃電系統輸出功率達到規定值的時間小于規定時間，某燃電系統輸出功率到達25%額定功率的時間為140 s。

燃料電池車環境風洞機艙溫場試驗包括高速爬坡工況、低速爬坡工況和勻速工況。某車型在環境條件溫度38℃，濕度50%，記錄溫度達到熱平衡時間。

海拔越高，空氣中的氧氣越稀薄，氧氣作為燃料電池系統的反應氣體之一，其含量的多少對于燃料電池系統的功率特性有著很大的影響，設計高海拔運行來驗證燃料電池系統在高原場地的運行性能；另外，溫濕度循環還會使燃料電池堆凝露。

除此之外還有裝備耐熱性、空調性能試驗和風窗除霜除霧試驗，樣車的除霜除霧系統符合GB/T 24552—2009和工信部（2017）第39號令附件3第8項中的要求。燃料電池試驗溫度為-10℃（GB/T 24552要求電動車為-18℃）。

2.2.4 電子電器

燃料電池汽車電子電器試驗包含電磁兼容、功能安全及HIL 3部分。

功能安全：燃料電池汽車的開發，應該進行ISO 26262功能安全的概念設計和測試，以完成驗證功能安全的目的。

整車級HIL測試，可有針對性地復現臺架和實車問題，便于問題原因分析，可節省問題整改驗證時間及成本。

燃料電池系統由燃料電池控制器、高低壓線束等構成，因此抗電磁干擾能力是重要考核項，主要按GB 34660—2017和GB/T 18387—2017開展試驗，燃料電池的驅動電機及控制器和24 V降壓DC/DC變換器空壓機是燃料電池汽車專有零件，需完成零部件級EMC試驗完成后開展整車試驗。以上干擾源導致整車測試結果超過法規要求。

2.2.5 振動與噪聲

燃料電池汽車振動與噪聲的抱怨主要是排氣時的高速氣流音和水泵振動產生的結構聲，怠速時尤為突出；怠速可以分為3個子工況，如圖7所示，其中吹掃工況的高速氣流音最大。吹掃可以有效降低燃料電池內部的液態水，這是氫能源汽車的特性。業內把此工況做為排氣最惡劣的工況，某燃料電池汽車測量結果見表1。工況1持續時間4 s左右；工況3持續時間0.5~3 min(溫度越低吹掃時間越長)，前排耳點噪聲61.21 dB(A)，后排耳點噪聲66.82 dB(A)，排氣進場噪聲100.58 dB(A)。

圖7 怠速工況分析

表1 振動與噪聲測試

2.2.6 耐久性驗證

燃料電池系統作為1種動力源，將化學能轉化為電能，電能再轉化為電機的機械能，其核心部件燃料電池堆，同動力電池系統一樣，燃料電池堆的化學特性隨著使用時間的增加會不斷衰減直至失效；其關鍵輔助系統，比如空壓機和水泵，隨著使用時間的增加，當達到一定疲勞壽命的時候，空壓機和水泵的零部件會損傷失效。因此，燃料電池系統的驗證體系必須策劃整車臺架耐久和道路耐久性驗證。

臺架耐久參考燃料電池發動機系統的耐久工況，整車道路耐久除如GB/T 39132-—2020中要求的15 000 km外，還應開展軸耦合、輪耦合、整車綜合耐久、動力總成耐久、全國地區適應性、用戶使用模擬的可靠耐久試驗，覆蓋主要市場的溫度區間和90%用戶運行里程保修需求。

3 結語

本文通過分析燃料電池汽車的技術特點，從零部件和整車出發，討論試驗項目，建立試驗驗證體系。零部件級考核燃料電池發動機系統、車載氫系統、整車控制器重點零件，整車級從動力經濟性、整車安全、熱管理、電子電器、振動與噪聲、可靠耐久維度進行分析。梳理出燃料電池汽車試驗貨架1618項，其中燃料電池專項125項，保證驗證體系的全面性、合理性和可行性，指導燃料電池項目試驗驗證。下一步根據燃料電池汽車的發展，基于用戶視角，持續更新試驗驗證內容。