氫燃料電池發動機性能評價方法

馬明輝 ,王佳,蘭昊,張妍懿,郝冬

1.中汽研新能源汽車檢驗中心(天津)有限公司, 天津 300300;2.中國汽車技術研究中心有限公司, 天津 300300

0 引言

氫燃料電池將氫氣和氧氣的化學能通過電化學反應直接轉換為電能[1-2],具有比功率大、效率高、噪音低等優點,是汽車工業可持續發展的重要方向,也是解決全球能源問題和氣候變化的理想方案[3-4]。近幾年,氫燃料電池汽車產業發展迅速,2022年我國氫燃料電池汽車產銷量均超3 000輛。隨燃料電池汽車示范應用政策的實施,燃料電池汽車產業迎來新的發展機遇[5-6]。

從燃料電池發動機的性能方面,王克勇等[7]基于車用燃料電池失效模式,研究車用燃料電池發動機的耐久性;王誠等[8]分析車用燃料電池關鍵材料及部件的性能衰減機制,闡述應對性能衰減的新材料、新技術與控制策略的最新研究進展;霍海波等[9]分析燃料電池發動機故障診斷的研究現狀;黃彥維等[10]研究常見車用燃料電池發動機耐久性臺架試驗循環工況;梁滿志等[11]研究燃料電池發動機的集成技術,探討氫燃料電池發動機系統集成技術及可靠性、耐久性的影響因素;彭湃等[12]針對質子交換膜燃料電池發動機進行建模及仿真;侯中軍等[13]研究客車用燃料電池發動機的耐久性,車輛運營過程中的環境溫濕度和空氣質量對發動機耐久性有顯著影響;張堅[14]提出車用燃料電池空壓機的性能測試規范,為后續建立氫氣循環泵、加濕器、控制器等部件的測試規范提供參考;曹蕾等[15]預測分析燃料電池發動機低溫冷啟動所需熱量,對比模型計算熱量與低溫測試實際熱量,為低溫啟動過程的精確控制提供預測依據;侯永平等[16]、郭溫文等[17]測試燃料電池發動機的起動特性、動態響應特性、穩態特性、耐久工況等多種特性,結合實車需求制定基于整車實際應用且易于操作的氫燃料電池發動機試驗工況。國外學者通過模型計算、試驗和實際運行分析等方法研究燃料電池發動機性能衰減機理,認為車輛循環變工況運行是導致燃料電池發動機壽命降低的主要原因[18-20];還有一些學者用微觀表征等技術研究材料層級對燃料電池發動機耐久性的影響[21-24]。國內外學者主要研究燃料電池發動機運行的關鍵技術,如控制策略、水熱管理和耐久性等,對燃料電池發動機性能評價的研究較少。

本文從起動性能、穩態性能、動態性能、安全性能4個維度選取氫燃料電池發動機性能評價指標,建立氫燃料電池發動機綜合性能量化評價方法,便于企業進行選型匹配和產品性能評估,縮短產品研發周期,降低開發成本,促進企業產品技術升級,滿足復雜、苛刻的用車環境要求,助力燃料電池產業快速發展。

1 評價指標體系建立

氫燃料電池發動機性能的影響因素復雜、多樣且相互關聯,不能用單一的指標評價其性能優劣,需建立科學、系統的評價體系對各項指標進行歸一化處理,客觀定量評價氫燃料電池發動機的綜合性能與技術發展水平。

所構建的氫燃料電池發動機性能評價體系包括評價指標、評價函數及指標權重3部分。選取評價指標時需充分考慮氫燃料電池發動機的的技術發展水平和行業需求,試驗方法參照文獻[25]的要求,充分保證各指標的試驗條件、流程、方法的統一性,使各指標在同一基準面上分析;評價函數基于指標的試驗數據,結合技術發展趨勢綜合確定;采用層次分析法,結合行業專家意見綜合確定指標權重,保證評價體系的客觀性與科學性。

1.1 評價指標

圖1 氫燃料電池發動機性能評價指標體系

選取重要的、典型的、行業關注的氫燃料電池發動機性能指標,且指標可測試,基于該原則,從起動性能、穩態性能、動態性能、安全性能4個維度建立氫燃料電池發動機性能評價指標體系,如圖1所示。

1.2 評價函數

1.2.1 起動性能

起動性能是氫燃料電池發動機從停機狀態起動至怠速狀態并具備對外輸出電能的時間,包括冷機起動響應時間和熱機起動響應時間。

冷機起動響應時間是氫燃料電池發動機長時間停機后,電池堆內部溫度為環境溫度條件下,由停機狀態起動至怠速狀態所用時間。目前氫燃料電池發動機的冷機起動時間為10～25 s,根據技術現狀及氫燃料電池發動機的起動響應需求,設定冷機起動響應時間的上限為10 s,下限為30 s,構建氫燃料電池發動機冷機起動響應時間的評價函數為:

式中:{x11}為以s為單位的冷機起動響應時間x11的數值,Q11為x11的評分。

熱機起動響應時間是氫燃料電池發動機短暫停機時,電池內部溫度為正常工作溫度條件下,由停機狀態起動至怠速狀態所用時間。根據氫燃料電池發動機熱機起動較快的工作特性及電池輔助部件的響應能力,設定熱機起動響應時間的上限為5 s,下限為20 s,構建氫燃料電池發動機熱機起動響應時間的評價函數為:

式中:{x12}為以s為單位的熱機起動響應時間x12的數值,Q12為x12的評分。

1.2.2 穩態性能

穩態性能包括額定功率、額定效率、質量功率密度、峰值功率等評價指標,反映氫燃料電池發動機的功率輸出特性及燃料經濟性。

額定功率衡量氫燃料電池發動機在額定工況下持續運行一定時間的能力。目前氫燃料電池發動機的額定功率普遍大于30 kW,構建評價函數時,設定額定功率的下限為30 kW,上限為110 kW;文獻[26]中規定享受補貼政策的燃料電池發動機的額定功率不小于50 kW,因此設定額定功率為50 kW時評分為60分。氫燃料電池發動機額定功率的評價函數為:

式中:{x21}為以kW為單位的額定功率x21的數值,Q21為x21的評分。

額定效率是氫燃料電池發動機單位時間內所消耗燃料的能量與輸出功率的比,反映氫燃料電池發動機的燃料經濟性。氫燃料電池發動機的功率不同時效率也不同,通常企業選取的額定功率對應的的單片電壓為0.6～0.7 V,結合氫燃料電池發動機技術水平發展現狀,將額定效率的下限、上限分別設定為35%、50%,構建氫燃料電池發動機額定效率的評價函數為:

式中:Q22為額定效率的評分,x22為額定效率。

質量功率密度是衡量氫燃料電池發動機系統集成度和零部件選型優劣的的綜合性指標。目前氫燃料電池發動機的質量功率密度多大于250 W/kg,因此,設定質量功率密度的下限為250 W/kg;文獻[26]中規定燃料電池商用車和乘用車的燃料電池發動機質量功率密度分別不小于300、400 W/kg,因此設定額定質量功率密度為300 W/kg時評分為60分,為鼓勵技術先進性設定額定質量功率密度為400 W/kg時評分為80分、450 W/kg時評分為100分,構建氫燃料電池發動機額定質量功率密度的評價函數為:

式中:{x23}為以W/kg為單位的質量功率密度x23的數值,Q23為x23的評分。

峰值功率反映氫燃料電池能否滿足加速、爬坡等過載工況對大功率的需求。由于氫燃料電池發動機的功率等級、應用場景及使用策略不同,采用峰值功率與額定功率之比評價該性能,構建氫燃料電池發動機峰值功率的評價函數為:

式中:Q24為峰值功率的評分,x24為峰值功率與額定功率之比。

1.2.3 動態性能

動態性能反映氫燃料電池發動機運行時能否及時響應汽車工況的變化,包括動態升載響應時間和動態降載響應時間。氫燃料電池發動機的功率等級不同,無法簡單用響應時間評價動態性能,可用單位時間內的功率變化速率作為氫燃料電池發動機動態性能的評價指標。

基于目前技術現狀及發展趨勢,結合氫燃料電池發動機升載功率速率響應需求,構建氫燃料電池發動機升載功率速率的評價函數為:

式中:{x31}為以kW/s為單位的升載功率速率x31的數值,Q31為x31的評分。

考慮降載過程對氫燃料電池堆風險影響程度較低,且降載相對于升載的技術難度低,構建氫燃料電池發動機降載功率速率的評價函數為:

式中:{x32}為以kW/s為單位的降載功率速率x32的數值,Q32為x32的評分。

1.2.4 安全性能

安全性能是氫燃料電池發動機正常運行并對外輸出功率的前提條件,包括單腔保壓、雙腔保壓和絕緣電阻3個評價指標。目前尚無行業標準明確的強制要求氫燃料電池發動機氣密性試驗后的壓力下降范圍,基于目前氫燃料電池發動機的氣密性技術水平,構建單腔保壓和雙腔保壓的評價函數。

單腔保壓是衡量氫燃料電池發動機氫氣腔向空氣腔、冷卻液腔和外界環境泄漏程度的指標。實際運行時有一定量的氫氣滲透到氫燃料電池發動機的空氣腔,通過氣密性試驗檢測氫燃料電池發動機的氣密性狀態。單腔保壓評價函數為:

式中:{x41}為以kPa為單位的單腔保壓后下降壓力x41的數值,Q41為x41的評分。

雙腔保壓是氫燃料電池發動機外漏特性的重要指標。運行一段時間后,隨工況變化和密封件性能衰減,氫燃料電池發動機氣密性能下降,運行安全風險增大。結合行業技術發展現狀及發展趨勢,構建氫燃料電池發動機雙腔保壓的評價函數為:

式中:{x42}為以kPa為單位的雙腔保壓后下降壓力x42的數值,Q42為x42的評分。

絕緣電阻是氫燃料電池發動機安全性的核心技術指標,直接關系到氫燃料電池發動機能否正常應用。文獻[27]中要求燃料電池發動機的絕緣電阻應大于500 Ω/V,構建絕緣電阻的評價函數時,絕緣電阻x43不小于500 Ω/V的評分為100分,小于500 Ω/V的評分為0分。

1.3 指標權重

德爾菲法又稱專家規定程序調查法,由調查者擬定調查表,按既定程序,以函件的方式分別向專家組成員進行征詢,專家組成員再以函件方式反饋意見,經過幾次反復征詢和反饋,專家組成員的意見趨于集中,最后獲得具有較高可信度的集體判斷結果[28]。

氫燃料電池發動機的各項指標對綜合性能影響程度不同,采用德爾菲法確定氫燃料電池發動機一級指標及二級指標的權重。起動性能的權重為10%,對應二級指標x11、x12的權重分別為50%、50%;穩態性能的權重為40%,對應二級指標x21～x24的權重分別為40%、20%、20%、20%;動態性能的權重為25%,對應二級指標x31、x32的權重分別為50%、50%;安全性能的權重為25%,對應二級指標x41～x43的權重分別為40%、30%、30%。

氫燃料電池發動機第i個一級指標評分

式中:ni為第i個一級指標包含的二級指標數,Qij為第i個一級指標中第j個二級指標的評分,bij為第i個一級指標中第j個二級指標的權重。

氫燃料電池發動機性能綜合性能評分

式中ai為第i個一級指標的權重。

2 實例驗證

為驗證評價方法的可行性,選取7款不同的氫燃料電池發動機進行綜合性能量化評價,其性能參數如表1所示,其中A～F為2019—2021年行業內的主流氫燃料電池發動機,G為具有國際先進水平的氫燃料電池發動機。

表1 氫燃料電池發動機性能參數

根據氫燃料電池發動機性能指標評價函數及權重,計算7款氫燃料電池發動機的二級指標評分,根據二級指標評分計算一級指標及綜合性能的評分,結果如表2所示。

表2 氫燃料電池發動機各級指標及綜合性能的評分

由表2可知:不同氫燃料電池發動機的起動性能得分差別較大,說明各制造商的技術發展水平不均衡;氫燃料電池發動機穩態性能得分相對較均衡,但國內氫燃料電池發動機的技術發展水平與國外先進水平仍存在一定差距;在動態性能方面,各制造商的得分均較低,主要是目前氫燃料電池發動機測試標準中未強制要求起動時間,各制造商在制定起動策略時,為兼顧加載的穩定性限制了加載功率速率;安全性能方面,部分氫燃料電池發動機的評價得分小于60分,差距主要體現在單腔保壓和雙腔保壓下降的壓力,應加強燃料電池堆及系統集成方面的設計,提高氫燃料電池發動機的氣密性。在綜合性能得分方面,7款燃料電池發動機的得分主要分布在35～65分。在起動性能、動態性能、安全性能方面,國內氫燃料電池發動機的技術水平已達到甚至超過國際先進水平,但在穩態性能方面,國內氫燃料電池發動機的技術發展水平和國際先進水平仍存在一定差距。由于穩態性能的權重較大,國際先進水平的氫燃料電池發動機綜合性能評價得分高于國內氫燃料電池發動機。

3 結論

為分析氫燃料電池發動機的綜合性能,選取氫燃料電池發動機性能評價指標,構建性能指標評價函數及權重,基于7款不同的氫燃料電池發動性能參數,驗證該評價方法的可行性。

1)建立的氫燃料電池發動機性能評價方法可用數據直觀展現氫燃料電池發動機的性能,可對氫燃料電池發動機進行綜合性能量化評價與對比。

2)對比國內主流氫燃料電池發動機性能與國際先進水平的燃料電池發動機可知,需進一步提高氫燃料電池發動機的穩態性能。

3)國內部分氫燃料電池發動機的動態性能和起動性能已達到甚至超過國際先進水平,但綜合性能與國際先進水平仍有一定差距。