使用工況對氫燃料電池汽車百公里氫氣消耗量影響研究

洪晏忠　崔垚鵬

摘 要：憑借高效率、零排放、低噪音等優(yōu)勢，氫燃料電池汽車已成為實現(xiàn)我國能源結(jié)構(gòu)變革、節(jié)能減排以及汽車產(chǎn)業(yè)升級的重要工具。百公里能耗指標(biāo)是車輛最重要的經(jīng)濟性指標(biāo)之一，氫燃料電池電動汽車則是氫氣消耗量。基于此，文章通過抽取在售的氫燃料電池汽車進(jìn)行不同使用工況下的行駛里程和氫氣消耗量測試，通過結(jié)果的計算和統(tǒng)計分析得到CLTC、WLTC、NEDC、等速40km/h、等速60km/h、等速80km/h、等速100km/h等使用工況對氫燃料電池汽車百公里氫氣消耗量的影響規(guī)律。

關(guān)鍵詞：氫燃料電池汽車 百公里能耗 氫氣消耗量 使用工況

我國作為汽車銷量大國，汽車保有量在持續(xù)快速增長，在交通領(lǐng)域的石油消耗量占比超過60%[1]。石油的過度依賴進(jìn)口和大量消耗，不僅帶來能源安全問題和環(huán)境污染問題。因此，大力發(fā)展新能源汽車，減少交通領(lǐng)域的石油消耗，成為保障我國能源安全和降低碳排放的有效途徑[2-4]。

作為我國新能源汽車產(chǎn)業(yè)的重要發(fā)展技術(shù)路線之一，氫燃料電池汽車的發(fā)展一直備受國家政策支持和業(yè)內(nèi)的關(guān)注[5]。然而，我國氫燃料電池汽車仍處于范推廣階段，產(chǎn)品質(zhì)量和安全性能也在不斷改善，尤其是整車的能耗是限制商業(yè)化應(yīng)用的諸多挑戰(zhàn)之一[6-7]。通過對抽取在售的氫燃料電池汽車在CLTC-P、WLTC、NEDC、等速40km/h、等速60km/h、等速80km/h等使用工況下百公里氫氣消耗量測試，得到不同使用工況對氫燃料電池汽車百公里氫氣消耗量的影響規(guī)律。

1 測試方法

車輛測試方法依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)《GB/T 35178-2017燃料電池電動汽車氫氣消耗量測量方法》、《GB 18352.6-2016 輕型汽車污染物排放限值及測量方法（中國第六階段）》、《GB 18352.5-2013 輕型汽車污染物排放限值及測量方法（中國第五階段）》、《GB/T 38146.1-2019 中國汽車行駛工況 第1部分：輕型汽車》等制定[8-11]，具體項目及試驗方法見表1，所使用的設(shè)備見表2。

2 測試過程

2.1 樣車信息

選取在售的NEXO標(biāo)準(zhǔn)版車型作為樣車來源進(jìn)行試驗，樣車具體參數(shù)見下表：

2.2 測試試驗

百公里氫氣消耗量試驗過程如下：

1）車輛驅(qū)動輪置于底盤測功機的轉(zhuǎn)鼓上，非驅(qū)動輪固定在地板上；

2）底盤測功機根據(jù)車輛整備質(zhì)量設(shè)定阻力；

3）將功率分析儀的電壓和電流采集通道分別與燃料電池系統(tǒng)輸出電流和電壓線、動力電池的輸出電流電壓線進(jìn)行連接，采集電流電壓數(shù)據(jù)；

4）將外置供氫的氫氣利用率測試儀上的加氫槍插入整車的加氫口進(jìn)行供氫，并記錄供氣量；

5）待氫氣利用率測試儀和功率分析儀開啟后，駕駛員按照提示駕駛車輛，分別進(jìn)行CLTC、WLTC、NEDC、等速40km/h、等速60km/h、等速80km/h、等速100km/h等運轉(zhuǎn)一定的里程；

6）分別按照GB 18352.6-2016、GB 18352.5-2013、GB/T 38146.1-2019、等速工況中的規(guī)定記錄續(xù)駛里程。

試驗照片如圖1所示。

3 測試結(jié)果及分析

按照表1的測試方法，分別對樣車進(jìn)行了CLTC、WLTC、NEDC、等速40km/h、等速60km/h、等速80km/h等工況下的行駛里程、氫氣消耗量、燃料電池發(fā)電量、動力電池電量變化等進(jìn)行了測試，測試結(jié)果如表4所示。

從表4中數(shù)據(jù)可知，在不同工況下，整車行駛過程中的總體能量輸出基本上都是來源于燃料電池系統(tǒng)的能量輸出，并同時給動力電池充電，可以有效排除動力電池的能量輸出對氫氣消耗量的影響，便于我們后續(xù)更準(zhǔn)確的計算整車百公里氫氣消耗量。

根據(jù)表4的測試數(shù)據(jù)，對樣車分別進(jìn)行了不同工況下的百公里氫氣消耗量和百公里電耗的計算，在扣除了燃料電池系統(tǒng)對動力電池充的電量后計算得到了樣車在不同使用工況下的百公里氫氣消耗量、百公里電耗和燃料電池系統(tǒng)的平均效率數(shù)據(jù)，計算結(jié)果如表5所示。

通過表5的結(jié)果分析可知，WLTC工況下的百公里氫氣消耗量最大，達(dá)到了1.01kg。等速40km/h工況下的百公里氫氣消耗量最小，只有0.45kg/h，百公里氫氣消耗量不足WLTC工況下的50%。表明行駛工況越嚴(yán)苛，氫氣消耗量越大。但是，通過燃料電池發(fā)電效率數(shù)據(jù)對比分析可以看出，等速40km/h工況下燃料電池系統(tǒng)的發(fā)電效率最低，而等速80km/h工況下的燃料電池系統(tǒng)的發(fā)電效率最高，表明燃料電池系統(tǒng)的效率隨著整車行駛工況的嚴(yán)苛程度呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，但下降趨勢不明顯。表明不同工況下的百公里氫氣消耗量與燃料電池系統(tǒng)的氫氣利用效率成一定的反比關(guān)系。

對比NEDC工況和CLTC工況的百公里氫氣消耗量和百公里電耗可以發(fā)現(xiàn)，NEDC工況下的百公里電耗要略高于CLTC工況，但百公里氫氣消耗量的對比結(jié)果卻相反。因為CLTC工況下的平均運行功率要低一些，行駛同樣里程條件下的電損耗要低一些，但是燃料電池系統(tǒng)的效率較NEDC工況下低一些，導(dǎo)致單位質(zhì)量內(nèi)氫氣的發(fā)電量降低，百公里氫氣消耗量低于NEDC工況。

對比四個不同等速工況下的百公里氫氣消耗量和百公里電耗可知，整車速度越快，百公里能耗越高。當(dāng)車速超過80km/h后，整車的百公里氫氣消耗量急速增加。等速60km/h和等速80km/h工況下，整車的百公里氫氣消耗量基本接近，但是百公里電耗卻差異明顯。通過這兩組數(shù)據(jù)的對比分析，我們發(fā)現(xiàn)當(dāng)車速在80km/h時，燃料電池系統(tǒng)的能量輸出效率比等速60km/h工況下高，導(dǎo)致等速80km/h行駛時燃料電池發(fā)電量更多，從而使整車在百公里電耗增加的情況下基本不增加百公里氫氣消耗量。

4 結(jié)論

根據(jù)上述測試結(jié)果和相應(yīng)的數(shù)據(jù)分析，得到不同使用工況對氫燃料電池汽車百公里氫氣消耗量的影響規(guī)律：

1）等速40km/h工況下，整車的百公里氫氣消耗量最低。WLTC工況下，整車百公里氫氣消耗量最高。隨著整車行駛速度的增加，整車百公里氫氣消耗量呈現(xiàn)非線性增加的趨勢。

2）整車的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)隨著工況的嚴(yán)苛程度和整車行駛速度的增加，其發(fā)電效率呈現(xiàn)增長的趨勢。

針對當(dāng)前測試結(jié)果，氫燃料電池汽車可以通過提升整車燃料電池系統(tǒng)的發(fā)電效率來降低整車百公里氫氣消耗量。同時，該測試結(jié)果的也可以為整車產(chǎn)品開發(fā)人員進(jìn)行整車能耗目標(biāo)和續(xù)駛里程目標(biāo)的制定提供參考依據(jù)。

基金項目：國家重點專項“新能源汽車”專項（2018YFB1502705）。

參考文獻(xiàn)：

[1]李建秋，方川，徐梁飛. 燃料電池汽車研究現(xiàn)狀及發(fā)展[J]. 汽車安全與節(jié)能學(xué)報，2014（1）：17–29.

[2]洪晏忠，鄧波. 我國氫燃料電池汽車發(fā)展現(xiàn)狀及前景分析[J].科技風(fēng)，2021，（4）：5-6.

[3]KWAN T H， WU X， YAO Q. Multi-objective genetic optimization of the thermoelectric system for thermal management of proton exchange membrane fuel cells[J]. Applied Energy， 2018（11）：314–327.

[4]袁中，周定華，陳大華. 國內(nèi)氫燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀及發(fā)展前景[J].時代汽車，2018，（12）：67-68.

[5]FLY A， THRING R H. A comparison of evaporative and liquid cooling methods for fuel cell vehicles[J]. International Journal of Hydrogen Energy， 2016， 41（12）： 8444–8451.

[6]沈浩明.中國氫燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展研究[J].上海汽車，2018，（4）：35-39.

[7]張臣，趙陽，李穎林等. 使用工況對純電動汽車?yán)m(xù)駛里程影響研究[J].北京汽車，2020，（05）：12-15.

[8]中華人民共和國工業(yè)和信息化部，全國汽車標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會. 燃料電池電動汽車氫氣消耗量測量方法：GB/T 35178-2017[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社.

[9]環(huán)境保護部、國家質(zhì)檢總局，中國環(huán)境科學(xué)研究院.輕型汽車污染物排放限值及測量方法（中國第六階段）：GB 18352.6-2016 [S] .北京：中國環(huán)境科學(xué)出版.

[10]環(huán)境保護部、國家質(zhì)檢總局，中國環(huán)境科學(xué)研究院.輕型汽車污染物排放限值及測量方法（中國第五階段）：GB 18352.5-2013 [S] .北京：中國環(huán)境科學(xué)出版.

[11]中華人民共和國工業(yè)和信息化部，全國汽車標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會.中國汽車行駛工況 第1部分：輕型汽車：GB／T 38146.1-2019[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社.