黃彥維，侯永平，張建文，郝 冬

( 1.同濟大學(xué)新能源汽車工程中心，上海 201804； 2.上海機動車檢測認證技術(shù)研究中心有限公司，上海 201805； 3.中國汽車技術(shù)研究中心，天津 300300 )

耐久性問題阻礙了燃料電池的商業(yè)化，急需解決[1]。近年來，許多機構(gòu)進行了相關(guān)的耐久性試驗，但大多數(shù)都是在恒流條件下進行的，不能真實地反映車載條件下燃料電池堆的耐久性問題。為盡量使車用燃料電池堆耐久性臺架試驗考核情況與實際道路運行情況一致，不少學(xué)者采用在臺架上模擬實際道路工況運行的方法進行耐久性試驗研究[2-6]。在之前的耐久性臺架試驗研究中，采用的循環(huán)工況各不相同，對各類循環(huán)工況的對比也一直處于空白。在車用燃料電池堆耐久性臺架試驗中，循環(huán)工況的合理性是影響結(jié)果有效性的關(guān)鍵因素。

有鑒于此，本文作者先分別對目前常見的各循環(huán)工況進行分析，通過功率分布規(guī)律等找出它們各自特點；再對各循環(huán)工況進行綜合對比分析，以期為試驗循環(huán)工況的選取提供參考。

1 車用燃料電池堆耐久性臺架試驗循環(huán)工況

1.1 試驗循環(huán)工況評價方法

循環(huán)工況的選取是決定耐久性臺架試驗結(jié)果有效性的關(guān)鍵因素。為使臺架試驗與實車運行情況更接近，耐久性臺架試驗的循環(huán)工況應(yīng)盡量與車輛實際道路運行工況一致，具有實際道路運行時的特點，包含怠速、加速(加載)、減速(卸載)和勻速行駛等過程。車用燃料電池堆耐久性臺架試驗循環(huán)工況，還應(yīng)考慮車用燃料電池堆自身的衰減特點，包含以下幾個作為車用燃料電池堆衰減主要原因的典型工況。

動態(tài)循環(huán)工況：指車輛實際運行過程中，隨著路況變化，燃料電池堆輸出功率隨著載荷變化的過程[1]，該工況會引起缺氣和電壓頻繁變化，造成燃料電池堆的衰減。開路、低載和怠速工況：該工況會引起陰極高電勢，造成燃料電池堆的衰減。過載工況：會引起缺氣和水淹，造成燃料電池堆的衰減。啟停工況：該工況中，環(huán)境空氣的侵入會引起陰極高電勢，造成燃料電池堆衰減。

1.2 常見車用燃料電池堆耐久性臺架試驗循環(huán)工況

此前，歐盟、美國、中國和日本等都根據(jù)實際道路交通情況，開發(fā)了汽車行駛工況，表現(xiàn)為在特定行駛環(huán)境下車輛行駛的速度-時間工況。根據(jù)燃料電池車的運行特征，可將汽車行駛的車速-時間工況轉(zhuǎn)化，得到適用于耐久性臺架試驗的功率-時間或電流-時間工況。目前，很多常見車用燃料電池耐久性臺架試驗工況都是由此而來的。如國際電工委員會(IEC)標(biāo)準(zhǔn)[2]、美國能源部(DOE)[3]、法國電氣試驗室[4]、同濟大學(xué)和清華大學(xué)的車用燃料電池堆耐久性臺架試驗循環(huán)工況[5]等。

1.2.1 IEC標(biāo)準(zhǔn)車用燃料電池堆耐久性臺架試驗循環(huán)工況

IEC標(biāo)準(zhǔn)車用燃料電池堆耐久性試驗循環(huán)工況，是參考歐盟的新歐洲行駛工況(NEDC)[6]，并將車速-時間工況轉(zhuǎn)變?yōu)楣β?時間工況得到的[2]。NEDC如圖1所示。

圖1 新歐洲行駛工況[6]

NEDC是針對車輛在市區(qū)和郊區(qū)行駛制定的。整個循環(huán)工況包括市區(qū)運轉(zhuǎn)循環(huán)和市郊運轉(zhuǎn)循環(huán)兩部分，其中，市區(qū)運轉(zhuǎn)循環(huán)又是由4個小的市區(qū)運轉(zhuǎn)循環(huán)單元組成，每個循環(huán)單元測試時間為195 s，包括怠速、啟動、加速、勻速行駛及減速停車等幾個階段，最高車速50 km/h，平均車速18.35 km/h，最大加速度1.042 m/s2，平均加速度0.599 m/s2；市郊運轉(zhuǎn)循環(huán)測試時間為400 s，最高車速120 km/h，平均車速62 km/h，最大加速度0.833 m/s2，平均加速度0.354 m/s2。

轉(zhuǎn)化后得到的IEC標(biāo)準(zhǔn)車用燃料電池堆耐久性臺架試驗循環(huán)工況如圖2所示。

圖2 IEC標(biāo)準(zhǔn)車用燃料電池堆耐久性臺架試驗循環(huán)工況[2]

Fig.2 International Electrotechnical Commission(IEC) durability test cycle of vehicular fuel cell stack[2]

該循環(huán)工況來源于NEDC，具有歐洲車輛日常行駛特點，一次循環(huán)耗時1 180 s。與其他工況不同的是：該工況由市區(qū)循環(huán)和市郊循環(huán)兩個部分組成。對比圖2和圖1可知，該循環(huán)工況特征與NEDC特征具有很強的一致性，不僅包含怠速、加速(加載)、減速(卸載)和勻速行駛等日常行駛中的常見工況，也包含了額定工況等特征功率點，并且每1 180 s，燃料電池堆會經(jīng)歷一次啟停工況。對該循環(huán)工況進行功率分布統(tǒng)計可知：開路、低載和怠速工況占比41.4%，額定工況占比3.7%。該循環(huán)工況功率分布范圍廣，其中在動態(tài)循環(huán)工況部分功率跨度從5%燃料電池堆額定功率(PE)到100%PE，各功率占比時間合理，但缺少過載這一典型工況。

1.2.2 DOE車用燃料電池堆耐久性臺架試驗循環(huán)工況

DOE車用燃料電池堆耐久性臺架試驗循環(huán)工況(DCT)在DOE制定的質(zhì)子交換膜燃料電池堆耐久性測試標(biāo)準(zhǔn)中提出，目前，已被DOE和美國燃料電池聯(lián)盟運用[3]。該循環(huán)工況來源于美國SC03行駛工況(見圖3)[7]。

圖3 SC03行駛工況[7]

美國SC03行駛工況代表美國主干線和高速公路行駛工況，具有高速度和高加速度的特點，最高車速為129.2 km/h，平均車速為77.9 km/h。將SC03行駛工況中車速-時間工況轉(zhuǎn)化為用于車用燃料電池堆耐久性臺架試驗的電流-時間工況，得到DOE燃料電池耐久性試驗循環(huán)工況，如圖4所示。

圖4中的工況，一次循環(huán)耗時360 s。由圖4和圖3對比發(fā)現(xiàn)，該循環(huán)工況和SC03相比有一定差別，但整體變化趨勢一致，具有高速度和高加速度工況特點。該循環(huán)工況包含怠速工況、加減速工況、勻速行駛工況和額定工況等日常行駛中的常見工況。對該循環(huán)工況進行功率分布統(tǒng)計，得到該循環(huán)工況中，開路、低載和怠速工況占比30.0%，額定工況占比9.7%，過載工況占比5.6%；可以發(fā)現(xiàn)：該循環(huán)工況包括了所有作為車用燃料電池堆衰減主要原因的4個典型工況，功率跨度大且各功率點時間占比合理，但常用功率點過少。

圖4 DOE車用燃料電池堆耐久性臺架試驗循環(huán)工況[3]

Fig.4 U.S.department of energy durability test cycle of vehicular fuel cell stack[3]

1.2.3 HYZEM車用燃料電池堆耐久性臺架試驗循環(huán)工況

法國國立貝爾福-蒙比利亞工程技術(shù)大學(xué)電氣工程與系統(tǒng)試驗室參考混合動力技術(shù)零排放(HYZEM)行駛工況，利用法國交通和安全研究院開發(fā)的VEHLIB軟件，制定了HYZEM行駛工況[4]。HYZEM行駛工況包含了市內(nèi)循環(huán)、市郊循環(huán)和高速循環(huán)3個部分，每個部分都包含怠速、啟動、加速及減速停車等階段。該工況平均速度40.4 km/h、平均加速度0.71 m/s2、最大加速度1.3 m/s2[8]。

以測試額定電流為70 A的車用燃料電池堆為例，得到HYZEM車用燃料電池堆耐久性臺架試驗循環(huán)工況[6]，一次循環(huán)耗時540 s。該工況特點鮮明，由市區(qū)循環(huán)、市郊循環(huán)和高速循環(huán)3個部分組成，比標(biāo)準(zhǔn)的歐盟NEDC代表了更多的駕駛工況，且穩(wěn)定速度部分要少很多。該循環(huán)工況包含了怠速、加速(加載)和減速(卸載)等日常行駛中的常見工況，但缺少勻速行駛工況。對該循環(huán)工況進行電流分布統(tǒng)計，得到平均電流為12.5 A，最大電流變化率為20 A/s；在動態(tài)循環(huán)工況中加載電流連續(xù)，從0到額定電流70 A，每個電流點都包含在內(nèi)且分布均勻合理，但該循環(huán)工況不包含穩(wěn)定電流點下運行的情況，即沒有勻速行駛工況。

1.2.4 同濟大學(xué)車用燃料電池堆耐久性臺架試驗循環(huán)工況

同濟大學(xué)根據(jù)NEDC的特點和實際車輛行駛情況，將NEDC轉(zhuǎn)化為適用于車用燃料電池堆耐久性臺架試驗的循環(huán)工況。轉(zhuǎn)化得到后的同濟大學(xué)循環(huán)工況如圖5所示。

對比圖5和圖1可知，該循環(huán)工況的特征與NEDC[2]特征具有很強的一致性，不僅包含怠速、加速(加載)、減速(卸載)和勻速行駛等日常行駛中的常見工況，也包含了額定工況等特征功率點，并且燃料電池堆每1 200 s就會經(jīng)歷一次啟停工況。對該循環(huán)工況進行功率分布統(tǒng)計，得到該循環(huán)工況中，開路、低載和怠速工況占比37.9%，過載工況占比2.4%，額定工況占比9.2%，各工況占比時間合理。該循環(huán)工況包括了所有作為車用燃料電池堆衰減主要原因的4個典型工況，其中，在動態(tài)循環(huán)工況部分功率跨度從8%PE到120%PE。與IEC標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)工況相比，兩者整體特征類似，但同濟大學(xué)循環(huán)工況包含了過載工況，且功率分布范圍更大。

圖5 同濟大學(xué)車用燃料電池堆耐久性臺架試驗循環(huán)工況

Fig.5 Tongji University’s durability test cycle of vehicular fuel cell stack

1.2.5 清華大學(xué)燃料電池耐久性臺架試驗循環(huán)工況

清華大學(xué)基于中國城市公交循環(huán)工況(CCBC)，通過建立仿真模型，轉(zhuǎn)化得到適用于城市公交用燃料電池堆臺架耐久性試驗的循環(huán)工況[5]。CCBC如圖6所示。

圖6 中國城市公交循環(huán)工況(CCBC)

CCBC是在北京、上海和廣州等3個城市公交運行工況數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上開發(fā)的。整個循環(huán)工況由怠速、低速、勻速、中速和高速等14個工況構(gòu)成，該循環(huán)一次耗時1 314 s。CCBC的最高車速60 km/h，平均車速16.1 km/h，最大加速度1.543 m/s2。清華大學(xué)車用燃料電池堆耐久性臺架試驗循環(huán)工況[5]分為階段Ⅰ和階段Ⅱ，一次循環(huán)耗時60 min。該工況具有國內(nèi)公交車日常行駛的特點，包含公交車道路運行過程中的怠速、低載運行、動態(tài)循環(huán)過程、常用工況及持續(xù)大載等狀態(tài)。對工況的電流分布統(tǒng)計可知：開路、低載和怠速工況占比28.3%，額定工況占比51.7%，過載工況占比3.3%。該循環(huán)工況包含了導(dǎo)致車用燃料電池堆衰減的4個典型工況；動態(tài)循環(huán)工況中電流跨度從3.7%IE(額定功率點對應(yīng)的額定電流)到120%IE，各功率點時間占比均勻，符合公交車實際運行時的功率分布，但額定功率部分時間占比較大。

2 耐久性臺架試驗循環(huán)工況對比

各循環(huán)工況(啟停工況均為1次/循環(huán))的對比情況見表1。

表1 車用燃料電池堆耐久性臺架試驗循環(huán)工況 Table 1 Durability test cycle of vehicular fuel cell stack

從表1可知，這5種工況中，除IEC標(biāo)準(zhǔn)和HYZEM循環(huán)工況中不包含過載工況外，其余均涵蓋了造成車用燃料電池堆衰減的4個典型工況(動態(tài)循環(huán)工況，開路、低載或怠速工況，過載工況和啟停工況)。耐久性臺架試驗可根據(jù)具體要求，如試驗要求道路條件、工況類型等選取相應(yīng)的工況。

3 結(jié)論

車用燃料電池堆耐久性臺架試驗循環(huán)工況應(yīng)盡量與車輛實際道路運行工況特征一致，具有車輛實際道路運行工況特點，包含怠速、加速(加載)、減速(卸載)和勻速行駛等過程，并考慮車用燃料電池堆自身的衰減特點，包含動態(tài)循環(huán)，開路、低載和怠速，過載及啟停等易造成衰減的典型工況。

對常見5種耐久性臺架試驗循環(huán)工況的對比可知，IEC標(biāo)準(zhǔn)、DOE、HYZEM、同濟大學(xué)和清華大學(xué)制定的循環(huán)工況均由典型行駛工況轉(zhuǎn)化而來，具有車輛實際道路運行工況特點。這5種工況適用于不同條件下的車用燃料電池堆耐久性臺架試驗，應(yīng)根據(jù)試驗具體要求并結(jié)合各自工況特點選擇合適的耐久性臺架試驗循環(huán)工況。

[1] 任麗彬，朱永生.電動車用PEM燃料電池[J].電池，2001，31(5): 251-253.

[2] IEC 62282-2-2012，fuel cell technologies -part 2: fuel cell mo-

dules [S].

[3] Joint Hydrogen Quality Task Force，“Protocol on Fuel Cell Component Testing:Suggested Dynamic Testing Protocol (DTP)，” Document USFCC 04-068 Rev A(May 1，2006) [DB/OL].http://www.fchea.org/core/import/PDFs/Technical% 20Resources/Trans-H2Quality-DynamicTestingProfile-04-068A.pdf.

[4] WAHDAME B,CANDUSSO D,FRANξOIS X，etal.Comparison between two PEM fuel cell durability tests performed at constant current and under solicitations linked to transport mission profile[J].Int J Hydrogen Energy，2007，32(17):4 523-4 536.

[5] 邵靜玥.燃料電池堆性能評價試驗方法[D].清華大學(xué)，2005.

[6] Wikipedia，New European Driving Cycle (12-April-2013)[EB/OL].http://en.wikipedia.org/wiki/New_European_Driving_Cycle.

[7] EPA，EPA SC03 Supplemental Federal Test Procedure (SFTP) with Air Conditioning[DB/OL]. https://www.epa.gov/ emission-standards-reference-guide/epa-sc03-supplemental-federal-test-procedure-sftp-air.

[8] WAHDAME B,CANDUSSO D,FRANξOIS X，etal.Comparison between two PEM fuel cell durability tests performed at constant current and under solicitations linked to transport mission profile[J].Int J Hydrogen Energy，2007，32(17):4 523-4 536.